資源簡介

第十四章 內能的利用
第二節 熱機的效率
一、教學目標
1.從生活中體會不同燃料燃燒釋放熱的本領不同，建立熱值的概念；
2.知道熱值的單位和定義式，能簡單計算燃料燃燒放出的熱量；
3.了解熱機中能量走向及熱散失的途徑，知道什么是熱機效率，能提出提高熱機效率的方法。
二、教學重難點
重點：燃料的熱值，熱機效率；
難點：熱值的相關計算，熱機效率。
三、教學過程
【新課導入】
[情境導入]課件展示圖片：日常生活中的燃料
木柴 煤炭 汽油
酒精 天然氣 氫氣
[情境導入]圖片介紹：
1.燃料是指可以燃燒的物質。
2.燃料按不同的標準可分為不同的類型，常見的是按物理狀態分類，可分為固體燃料（木柴、煤炭等）、液體燃料（汽油、酒精等）和氣體燃料（天然氣、氫氣等）。
3.燃料在燃燒時是將化學能轉化為內能。
[提出問題]燃料種類很多，火箭大多用液氫作為燃料，你知道這是為什么嗎？
[教學板書]第十四章 內能的利用 第2節 熱機的效率
【新知探究】
（一）燃料的熱值
[提出問題]不同燃料的放熱本領相同嗎？怎么比較它們誰的放熱本領強呢？
[思考交流]結合生活經驗，思考以下問題：
1.1kg的干木柴完全燃燒和未完全燃燒時放出的熱量是否相同？
不同，完全燃燒時放出的熱量較多。
2.1kg的干木柴和10kg的干木柴在同樣燃燒時，放出的熱量是否相同？
不同，10kg的干木柴燃燒時放出的熱量較多。
3.相同條件下，1kg干木柴和1kg煤，哪一種燃料能燒開更多的水？
煤能燒開的水更多。
[總結說明]經驗告訴我們，等質量的煤和干木柴，充分燃燒，煤放出的熱量要比柴多得多。我們用熱值這個概念來表示燃料放出熱量的本領。
[知識板書]一、燃料的熱值
1.定義：某種燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比，叫做這種燃料的熱值。
2.物理意義：熱值在數值上等于1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量。
3.單位： 國際單位：焦每千克，符號：J/kg
4.符號：q
5.公式：q=；燃料燃燒放出熱量的計算公式：Q放=qm
6.補充：固體燃料、液體燃料的熱值以“J/kg”為單位，而氣體燃料的熱值以“J/m3”為單位，因此，計算公式略有差異：Q=qm適用于固體、液體燃料放熱計算，Q=qV適用于氣體燃料的放熱計算，其中V為氣體燃料的體積。
[展示]對熱值的理解：
1.熱值與燃料的種類有關，反映了燃料的燃燒特性、化學能轉化成內能的本領大小；
2.“完全燃燒”的含義是燒完、燒盡。燃料只有在完全燃燒時放出的熱量與質量之比才是這種燃料的熱值，如果用沒有完全燃燒放出的熱量計算出的熱值就比實際值小；
3.“熱量與其質量之比”是指同一燃料完全燃燒放出的熱量與其質量之比就是其熱值，是不變的，所以燃料完全燃燒時放出的熱量與其質量成正比。
[交流討論]課件展示一些燃料的熱值，交流討論得出結論并展示：
1. 熱值是燃料的一種特性，其大小只與燃料的種類有關，與燃料的質量或體積、是否燃燒、是否完全燃燒無關。
2. 不同燃料的熱值一般不同。
3. 氫的熱值最大：所以火箭大多用液氫作為燃料。
（二）熱機的效率
1.燃料的利用率（以煤爐為例）：
[展示]煤爐燒水時燃料的熱量走向情況
[分析說明]（1）燃料（煤）很難完全燃燒（未燃燒），放出的熱量往往比按熱值計算出的要小。（2）高溫的煙氣帶走一部分熱量（散失）。（3）被水吸收的熱量。（有效利用）
[展示]結論：用煤爐燒水時，燃料的利用率比較低。
[展示]燃料的利用率：η=×100%
[交流討論]提高燃料的利用率的方法，并課件展示：
（1）把煤塊磨成煤粒或煤粉，加大與氧氣的接觸面積。
（2）把空氣吹進爐膛，增加氧氣量，使燃燒更充分。
2.熱機的效率：
[展示]：[想想議議]內燃機中燃料釋放的能量都到哪里去了？
（1）燃料未完全燃燒，損失部分能量。
（2）散熱消耗部分能量。
（3）廢氣帶走部分能量（廢氣帶走的能量占很大一部分）。
（4）克服摩擦消耗部分能量。
（5）對外做的機械功（有用功）。
[展示]熱機的效率：
1.定義：熱機用來做有用功的那部分能量，與燃料完全燃燒放出的熱量之比。
2.公式：η=×100%
3.物理意義：熱機的效率表示使用熱機時對燃料的利用率的高低，因此熱機的效率是熱機性能的一個重要指標。
4.常見熱機效率：蒸汽機的效率：6~15%；汽油機的效率：20~30%；柴油機的效率：30~45%。
[展示]：[交流討論]熱機的效率能否達到100%？
不能。因為各種熱量損失以及燃燒條件的限制，熱機中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃燒所放出的能量的一部分，且這部分能量遠遠小于燃料完全燃燒所放出的總能量，所以與總能量的比值必然小于1，即熱機效率總小于100%。
[交流討論]提高燃料的利用率的方法：
（1）使燃料充分燃燒。
（2）盡量減少各種熱量損失。
（3）在熱機的設計和制造上采用先進的技術。
（4）注意保養，保證良好的潤滑，減少因克服摩擦阻力而額外消耗的能量。
[展示]【課堂小結】
[展示]【課堂訓練】
1.煤油的熱值為4.6×107J/kg，下列說法正確的是（ D ）
A．2kg的煤油比1kg的煤油的熱值大
B．如果煤油未完全燃燒，熱值變小
C．1kg煤油溫度升高1℃需要吸收4.6×107J的熱量
D．完全燃燒1kg煤油可放出4.6×107J的熱量
2.關于熱機的效率，下列說法正確的是（　A　）
A．使燃料燃燒更充分，可以提高熱機的效率
B．熱機的效率越高，在做功同樣多的情況下消耗的能量越多
C．熱機的效率越高說明做功越快
D．熱機損失的能量中，廢氣帶走的能量較少，主要是由于機械摩擦損失的
3.提高汽油機效率最有效的做法是（　A　）
A．減小機械間的摩擦 B．把火花塞改為噴油嘴
C．加大進入汽缸的油量 D．改燒熱值更高的氫氣
4.如圖所示，此時是汽油機的做功沖程，若該汽油機的轉速是3000r/min，則1s內汽油機對外做功25次。已知汽油的熱值是4.6×107J/kg，完全燃燒5g汽油所釋放的熱量是2.3×105J，若汽車獲得的機械能是9.2×104J，則此汽油機效率為40%。
5.隨著科技的發展，氫燃料新能源公交車慢慢在投放使用.氫燃料具有清潔無污染、效率高等優點，被認為是21世紀最理想的能源。[c水=4.2×103J/（kg ℃）、q氫=1.4×108J/kg]求：
（1）質量為0.3kg的氫燃料完全燃燒放出的熱量。
（2）若這些熱量全部被質量為200kg，溫度為15℃的水吸收，求水升高的溫度。
（3）如果氫燃料公交車以140kW恒定功率勻速直線行駛，其效率為60%，則燃燒0.3kg的氫燃料可使公交車行駛多少時間？
解：（1）0.3kg的氫燃料完全燃燒放出的熱量：
Q=mq氫=0.3kg×1.4×108J/kg=4.2×107J。
（2）水吸收的熱量：Q吸=Q放=4.2×107J，
由Q吸=cmΔt得水升高溫度：
Δt===50℃。
（3）由題知公交車所做的功：
W=ηQ放=60%×4.2×107J=2.52×107J，
由P=得公交車行駛時間：
t===180s。
6.弘毅家的燃氣灶使用的是熱值為4.2×107J/m3的燃氣，燒水時燃氣完全燃燒放出熱量的60%被水吸收。在標準大氣壓下，弘毅用燃氣灶加熱質量1kg、溫度為15℃的水，實際燃燒了0.015m3的燃氣。求：
（1）燃氣完全燃燒放出的熱量。
（2）水升高的溫度。
解：（1）燃氣完全燃燒放出的熱量：Q放=qV=4.2×107J/m3×0.015m3=6.3×105J。
（2）因為燒水時燃氣完全燃燒放出熱量的60%被水吸收，則水吸收的熱量：
Q吸=Q放×60%=6.3×105J×60%=3.78×105J，
由Q吸=cmΔt可得：Δt===90℃，
水末溫為15℃+90℃=105℃＞100℃，由于標準氣壓下水的沸點是100℃，所以水升高的溫度：Δt=100℃-15℃=85℃。
散失
45%
有效利用
40%
未燃燒
15%

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