13.4　热机效率和环境保护教案

1、适用学科初中物理适用年级初三适用区域沪科版区域课时时长分钟2课时知识点1. 燃料的热值及相关计算2. 热机的能量转化与守恒3. 热机的效率教学目标1.掌握热值的概念2.了解热机的效率3.会简单计算小汽车的效率4.了解能量的转化教学重点从能量转化的角度认识燃料的热值。教学难点从能量转化的角度认识热机的效率教学过程一、导入上节课我们学到汽油机的四个工作冲程,做功冲程将热能转化为机械能,从而推动曲轴转动,但做功冲程中总不能将所有的热能转化为机械能,会有能量的损失,那真正做功的能量会占总能量的多少呢？根底知识回忆1. 内能是物体所有分子动能和分子势能的总和,一切物体在任何情况下都有内能。2. 热传递是

2、改变物体内能的一种方式。热传递的实质是能量从高温物体传到低温物体或者同一物体的高温局部传到低温局部的过程。3. 热机的一个工作循环由四个冲程组成,分别是吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。一个工作循环中,曲轴和飞轮均转动两周,对外做功一次。在四个冲程中,只有做功冲程是燃气对外做功,其他三个冲程的辅助冲程,要靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。二、知识讲解一考点解读1. 热值：某种燃料完全燃烧放出的热量和其质量之比,叫做这种燃料的热值。用符号q表示。在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量2.热机效率：热机用来做有用功的那局部能量和完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。热机的效率是热机性能

3、的一个重要标志,与热机的功率无关。由于热机在工作过程中总有能量损失,所以热机的效率总小于1。3. 能量的转化和守恒能量的转化：各种形式的能量：内能、机械能、光能、化学能、电能等,相互转化举例子考点1 热值1、燃料燃烧,使燃料的化学能转化为内能。2、定义：某种燃料完全燃烧放出的热量和其质量之比,叫做这种燃料的热值。用符号q表示。在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。单位：固体燃料的热值的单位是焦耳每千克J/kg、气体燃料的热值的单位是焦耳每立方米J/。热值是燃料本身的一种特性,只与燃料的种类有关,与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧等无关。公式：、 Qqm Q放出的热量焦耳J；q热值焦

4、耳每千克J/kg；m燃料质量千克kg。 QqV Q放出的热量焦耳J；q热值焦耳每立方米J/；V燃料体积立方米。3、物理意义：酒精的热值是3.0J/kg,它表示：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0J。煤气的热值是3.9J/m3,它表示：1m3煤气完全燃烧放出的热量是3.9J。4、影响燃料有效利用的因素：一是燃料很难完全燃烧,二是燃料燃烧放出的热量散失很多,只有一小局部被有效利用。有效利用燃料的一些方法：把煤磨成粉末状、用空气吹进炉膛提高燃烧的完全程度；以较强的气流,将煤粉在炉膛里吹起来燃烧减少烟气带走的热量。考点2 热机的效率1、热机用来做有用功的那局部能量和完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效

5、率。热机的效率是热机性能的一个重要标志,与热机的功率无关。公式：由于热机在工作过程中总有能量损失,所以热机的效率总小于1。2、热机能量损失的主要途径：废气内内、散热损失、机器损失。3、提高热机效率的途径： 使燃料充分燃烧,尽量减小各种热量损失； 机件间保持良好的润滑,减小摩擦。在热机的各种能量损失中,废气带走的能量最多,设法利用废气的能量,是提高燃料利用率的重要措施。4、常见热机的效率：蒸汽机6%15%、汽油机20%30%、柴油机30%45%内燃机的效率比蒸汽机高,柴油机的效率比汽油机高。考点3能量的转化和守恒 1、能量的转化：各种形式的能量：内能、机械能、光能、化学能、电能等,相互转化举例子

6、2、能量的守恒定律：能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,它只会从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而在转化和转移过程中,能量的总量保持不变。三 、例题精析例题12019年8月,我国发射了全球首颗量子卫星。为纪念墨子,这个全球首颗量子卫星被命名为“墨子号。发射卫星的火箭常使用液态氢作为燃料,主要是因为液态氢具有A. 较小的密度 B. 较大的比热容 C. 较高的热值 D. 较低的沸点【参考答案】C【解析】发射卫星的火箭采用液态氢作为火箭的燃料,原因是液态氢具有较高的热值,完全燃烧相同质量的氢时,可以释放出更多的热量,故C正确。应选C.点睛：热值是指1千克的某种燃料完全燃烧后

7、释放的能量,热值越大的燃料在完全燃烧相同质量的燃料时,释放出的热量越多,所以在选择火箭燃料时首先应该考虑燃料热值的大小。例题2以下说法中正确的选项是 A. 萝卜放在泡菜坛子里会慢慢变咸,这个现象说明分子是运动的B. 两块外表干净的铅块压紧后结合在一起,说明分子间只存在引力,不存在斥力C. 太阳能热水器是通过做功把光能转化为内能的D. 温度越高的物体含有的热量越多【参考答案】A【解析】A. 萝卜放在泡菜坛里会变咸,这是分子运动的结果,这个现象属于扩散现象,故A正确；B. 两块外表干净的铅块压紧后会结合在一起,说明分子间存在着引力,但分子之间同时存在斥力,故B错误；C. 太阳能热水器是通过热传递把

8、光能转化为内能的,故C错误；D. 热量只能说吸收或放出,不能说含有,因为热量是一个过程量,故D错误。应选：A。例题3在“探究水沸腾时温度变化的特点实验中,用酒精灯给烧杯中的水加热,烧杯中盛有20、质量为100g的水,在一个标准大气压下加热至沸腾,假设完全燃烧酒精3g。水的比热容为4.2103J/kg,酒精的热值为3.0107J/kg求：1水吸收的热量是多少_？2此过程中酒精灯烧水的热效率_。3科学研究说明：1g 100的水汽化成同温度的水蒸汽需要吸收2.26103J的热量。水开始沸腾后持续观察沸腾现象,同时发现水的质量减少了5g,求此过程水汽化成水蒸气所吸收的热量_。【参考答案】 3.3610

9、4J 37.3% 1.13104J【解析】1一个标准大气压下水的沸点为100,即需将水加热至100,水吸收的热量：Q吸cmtt04.2103J/kg0.1kg100203.36104J；23g酒精完全燃烧释放的热量：Q放mq3103kg3.0107J/kg9104J；酒精灯烧水的热效率：100%100%37.3%；31g 100的水汽化成同温度的水蒸汽需要吸收2.26103J的热量,那么5g 100的水汽化成同温度的水蒸汽需要吸收的热量：Q5g2.26103J/g1.13104J。例题4校车在平直的公路上以54km/h的速度匀速行驶20min,受到的平均阻力是6103N,消耗柴油7.5Lq柴油

10、=4107J/kg,柴油=0.8103kg/m3求：1发动机做有用功的功率。2发动机的效率。【参考答案】19104W；245%。【解析】 (1)因校车在平直的公路上匀速行驶时处于平衡状态,那么校车受到的牵引力和阻力是一对平衡力,所以,发动机的牵引力：Ff6103N,发动机做有用功的功率：PFv6103Nm/s9104W；匀速行驶20min,发动机做的有用功：WPt9104W2060s1.08108J,由可得,消耗柴油的质量：m柴油V0.8103kg/m37.5103m36kg,消耗柴油完全燃烧释放的热量：Q放mq柴油6kg4107J/kg2.4108J,发动机的效率： 45%.四 、课堂运用根

11、底1、烧开同样一壶水,完全燃烧的干木材与完全燃烧的无烟煤质量不同,是因为干木材和无烟煤具有不同的 A热值 B比热容 C内能 D热量 【参考答案】A【解析】烧开同样一壶水,完全燃烧的干木材与完全燃烧的无烟煤质量不同,说明完全燃烧相同质量的干木材和无烟煤放出的热量不同,即热值不同2、汽车油箱的汽油用掉一半后,关于油箱内汽油的说法正确的选项是 A它的质量变为原来的一半 B它的密度变为原来的一半 C它的热值变为原来的一半 D它的比热容变为原来的一半 【参考答案】A【解析】汽车油箱中的汽油用掉一半后,汽油的质量减少一半,但密度、热值和比热容是不变的3.把一杯酒精从20加热到40的过程中,它的 A热值变大

12、,比热也变大 B热值不变,比热变大 C热值变大,比热不变 D热值不变,比热也不变 【参考答案】D【解析】对于酒精来说,它的热值和比热容是一定的,和酒精的质量和温度都没有关系稳固1、热机的效率较低,为了提高热机的效率,你认为以下方法目前不可能的是 A尽量使燃料充分燃烧 B尽量减少各种热损失 C尽量减少因克服摩擦力而额外消耗的能量 D想方法把燃料放出的热量全部用来做有用功 【参考答案】D【解析】在现有条件下,热机工作过程中燃料不可能完全燃烧,机械摩擦和散热要消耗能量、废气带走较大局部能量所以燃料燃烧释放出的热量不可能全部做有用功2、2019年2月15日,一颗数十吨的陨石被地球俘获,在加速下落的过程

13、中,陨石与大气剧烈摩擦、迅速升温、猛烈燃烧,犹如一颗火球扑向俄罗斯陨石下落过程中,其能量转化过程是 A重力势能一动能一内能 B动能一重力势能一内能C重力势能一内能一动能 D内能一重力势能一动能【参考答案】A【解析】陨石在加速下落的过程中,高度降低,故重力势能减小,加速下落,故动能增大,陨石燃烧,说明内能增大,说明能量的转化过程是重力势能一动能一内能,A是正确的。3.关于“热机,以下说法中错误的选项是A通过技术改进,可以使热机的效率到达100%B减少城市热岛效应的措施之一就是倡导“绿色出行C用水而不用其它循环物质降低热机的温度,主要是利用水的比热容最大的特性D严寒的冬天,有人晚上把热机水箱中的水

14、放出,是防止气温降低时,水凝固而胀坏水箱【参考答案】A【解析】A、使用热机不可防止的要克服机器部件摩擦做额外功,效率不可能到达100%,所以A是错误的；B、“绿色出行可以减少热机工作时的二氧化碳和热量的排放,是减少城市热岛效应的措施之一就是所以B是正确的；C、水的比热容比较大,在升高相同的温度需要吸收更多的热量,所以利用水来降低热机的温度,所以C是正确的；D、水凝固时体积变大,就会胀坏水箱,所以冬天要把水箱中的水放出,所以D是正确的拔高1、随着人们生活水平的提高,小汽车已普遍进入我们的家庭。小明家的小汽车空载总重2104N,车轮与地面接触总面积0.2m2“五一节小明和爸爸驾车出去旅游,汽车在一

15、段平直且限速120km/h的高速公路上匀速行驶15km,消耗汽油2L,发动机实际输出功率为50.4kW,汽油机效率为35%假设汽油完全燃烧 汽油=0.8103kg/m3；q汽油=4.5107J/kg；1L=103m3。请你帮小明解决以下问题：1汽车空载静止时对水平地面的压强有多大？22L汽油完全燃烧能放出多少热量？3汽车在这段路面行驶过程中,受到的阻力是多大？小明的爸爸是否在超速驾驶？【参考答案】11105Pa；27.2107J热量；31680N；小明的爸爸没有超速驾驶。【解析】(1)汽车空载静止时对水平地面的压强为：p1105Pa；(2)2L汽油完全燃烧能放出为：QmqVq0.8103kg/

16、m30.002m34.5107J/kg7.2107J,(3)发动机所做的功为：WQ7.2107J35%2.52107J；发动机的动力为：F1680N；发动机实际输出功率为50.4kW,汽车的速度为：v30m/s108km/h,故没有超速。2、我国某型号运载火箭用液态氢作为燃料,是因为液态氢的热值_填“较大或“很小氢气_填物态变化名称成液态氢,便于储存和运输,火箭在升空过程中,_能增大【参考答案】 较大 液化 机械【解析】运载火箭采用液态氢作为火箭的燃料,原因是液态氢具有较高的热值,完全燃烧相同质量的液态氢和其它燃料相比,液态氢可以释放出更多的热量；使气体液化的方法有降低温度和压缩体积两种,运载

17、火箭所用的燃料就是液态的氢和氧是通过压缩体积方式液化的；火箭升空过程中,火箭喷出的燃气推动火箭向上运动,将燃气的内能转化为火箭的机械能。3、一杯质量为150g,初温为20的水,吸热后温度升高到30,所吸收的热量是_J；所需的热量如果由效率为30%的天然气灶来提供,那么需要消耗天然气_dm3天然气的热值为4.0107J/m3【参考答案】 6.3103 0.525【解析】水吸收的热量为：Q吸c水m(t1t0)4.2103J/(kg.)0.15kg(3020) 6.3103J; 需要消耗天然气的体积为：V0.525 m3.课堂小结通过本节课,学习了如下内容:1热值q ：1千克某种燃料完全燃烧放出的热

18、量,叫热值。单位是：焦耳/千克。2燃料燃烧放出热量计算：Q放 =qm；Q放 是热量,单位是：焦耳；q是热值,单位是：焦/千克；m 是质量,单位是：千克。气体燃料Q放 =qV3内燃机可分为汽油机和柴油机,它们一个工作循环由吸气、压缩、做功和排气四个冲程。一个工作循环中对外做功1次,活塞往复2次,曲轴转2周。4热机的效率：用来做有用功的那局部能量和燃料完全燃烧放出的能量之比,叫热机的效率。的热机的效率是热机性能的一个重要指标5在热机的各种损失中,废气带走的能量最多,设法利用废气的能量,是提高燃料利用率的重要措施。课后作业根底 1. 煤的热值比木柴的热值大,这表示()A.烧煤比烧木柴产生的热量多B.

19、烧煤比烧木柴产生的温度高C.煤比木柴具有的内能多D.相同质量的煤和木柴完全燃烧,煤放出的热量多【参考答案】D【解析】选D。此题考查热值的概念。煤的热值比木柴的热值大,说明完全燃烧相同质量的煤和木柴,煤放出的热量多,不能说明烧煤比烧木柴产生的热量多、产生的温度高,也不能说明煤比木柴具有的内能多,应选D。2、冬天,用于生火炉取暖的燃料是无烟煤,它的热值为3.4107J/kg,当火炉燃烧了1 kg这种煤,那么()A.屋子将吸收3.4107J的热量B.火炉放出了3.4107J热量C.屋子吸收的热量小于3.4107JD.火炉放出的热量略大于3.4107J【参考答案】C【解析】选C。此题考查热值的概念。该

20、煤完全燃烧放出的热量等于3.4107J,屋子不可能全部吸收放出的热量,屋子吸收的热量小于3.4107J,A错,C对;燃料不可能完全燃烧,火炉放出的热量小于3.4107J,B、D错。3.如下列图为某内燃机的能流图,那么该内燃机的效率可表示为()A.=100%B.=100%C.=100%D.=100%【参考答案】C【解析】选C。此题考查热机效率。根据热机效率的概念,热机中用来做有用功的能量跟燃料完全燃烧放出的能量之比。稳固1、“可燃冰作为新型能源,有着巨大的开发使用潜力,同等条件下,“可燃冰完全燃烧放出的热量到达煤气的数十倍,说明“可燃冰的很大。以10倍的关系粗略计算,1 kg“可燃冰完全燃烧放出

21、的热量为J(q煤气=3.9107J/kg)。【参考答案】热值3.9108【解析】此题考查热值的计算。作为新型能源的“可燃冰的热值很大, 1 kg“可燃冰完全燃烧放出的热量Q放=10mq煤气=101 kg3.9107J/kg=3.9108J。2、 贵阳市建设的“BRT系统,是连接中心城区与外围区域的快速公交系统,它具有专用的车道和站点,有利于中心城区各项效用的向外辐射和向心聚焦。(1)每辆“BRT专用车一次往返平均耗油80 L,而一辆轿车一次往返平均耗油7.25 L。按每辆“BRT专用车载客量相当于40辆轿车载客量计算,假设40辆轿车上的乘客全部改乘一辆“BRT专用车,一次往返可节约燃油多少升?

22、如果将这些燃油完全燃烧释放的能量用来烧水且全部被水吸收,可以将多少千克的水从20提高到100?(2)从以上计算以及你对“BRT的了解,你认为该系统的主要优点有哪些?(只需写出两点即可)【参考答案】(1)210 L2104kg(2)减轻交通压力,减轻大气污染。【解析】此题考查热值和比热容的计算。(1)40辆轿车消耗的燃油为V总=407.25 L=290 L“BRT专用车一次往返节省的燃油为V=V总-V0=290 L-80 L=210 L这些燃油产生的热量为Q=qV=3.2107J/L210 L=6.72109J烧开水的质量为m=2104kg(2)快速公交系统最大的优点:减轻城市交通压力;节约能源

23、,减轻大气污染。3、 天然气是一种清洁燃料,宁夏回族自治区局部出租车已使用天然气代替汽油作燃料。天然气属于_填“可再生或“不可再生能源；某辆出租车消耗50L的天然气所释放的热量为_J假设天然气在汽缸内完全燃烧,天然气的热值为4.0107J/m3【参考答案】 不可再生 2106【解析】天然气属于化石能源,不可能在短期内从自然界得到补充,所以天然气属于不可再生能源；天然气的体积V50L50dm30.05m3,那么天然气完全燃烧所释放的热量：QqV4.0107J/m30.05m32106J。拔高1、2019年5月,我国在南海北部神狐海域进行的可燃冰试开采获得成功我国可燃冰的总资源是常规天然气、页岩气资源总和的两倍,它与天然气、石油一样,