第2节 热机的效率

【教学目标】

一、知识与技能

1.从能量转化的角度认识燃料的热值.知道燃料热值的物理意义及其单位.

2.了解内能的利用在人类发展史上的重要意义.

3.通过能量的转化和转移，认识热机效率.

二、过程与方法

1.通过对燃料燃烧过程的分析，归纳出燃料燃烧过程中的能量转化.

2.通过对热机中的能量转化及损失的分析，了解提高热机效率的具体措施.

三、情感、态度和价值观

1.通过学习提高热机效率的具体措施，帮助学生提高节能意识；初步认识科学技术的发展对自然环境造成的影响，增强环保意识.

2.通过燃料燃烧放出有害物质的学习，使学生初步认识到事物都是一分为二的，培养学生初步的辩证的观点，养成辩证看问题的良好习惯.

【教学重点】燃料的热值，热机效率的计算.

【教学难点】热机中的能量转化及损失，提高热机效率的具体措施.

【教具准备】多媒体课件.

教学过程

【新课引入】

教师提问：汽油机以汽油为燃料，柴油机以柴油为燃料，现代火箭以液态氢为燃料，你还见到过哪些燃料？燃料在燃烧的过程中是什么能向什么能转化？

学生回答后，教师归纳指出：燃烧时是化学能转化为内能，目前人类获得内能的主要途径是燃料燃烧，下面我们就一起学习关于燃料燃烧及其利用的相关知识.

【进行新课】

知识点1 燃料的热值

1.热值的概念

师 我们知道，燃料是指在燃烧时能产生内能、光能的物质.燃料的种类很多，一般可分为固体燃料（如木柴、煤等）、液体燃料（如汽油、柴油等）和气体燃料（如氢气、煤气、天然气等）.下面请同学们根据自己家里通常用到的燃料，结合平时的观察，分析一下：你家做同样一餐饭需要消耗多少不同的燃料？想想，相同质量的不同燃料燃烧时放出的热量是不是相同的？

各小组的学生回忆、交流和讨论，发表各自建议.最后由每组代表发言.

教师收集整理得出结论：相同质量的不同燃料燃烧放出的热量不同.为了表示燃料的这种特性，物理学中用“热值”这个物理量来描述.

师 大家再回忆下，燃料燃烧时燃烧是否完全呢？燃烧程度会不会影响放出热量的多少呢？

生：有影响，完全燃烧时放出的热量多些，未完全燃烧时放出的热量自然要少些.

师 因此，为了便于科学比较，就统一用燃料“完全燃烧”，而且燃料质量取1kg，比较放出热量多少，放出热量多，那么它的热值就大，反之，放出热量就少，热值就小.

板书：热值：

（1）定义：某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比，叫做这种燃料的热值.热值在数值上等于1kg某种燃料完全燃烧时放出的热量.

（2）单位：在国际单位制中，热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，则热值的单位是焦每千克，符号是J/kg.

（备注：对于气体燃料，热值在数值上等于1m³燃料在标准状态下完全燃烧放出的热量，单位是焦每立方米，符号是J/m³.）

（3）计算公式：Q放=mq或Q放=qV

教师总结：对于热值的理解，我们要抓住三个关键词：“某种燃料”、“完全燃烧”、“热量与其质量之比”.

①“某种燃料”是说明热值与燃料的种类有关.确定的燃料才有确定的热值，不同的燃料有不同的热值.由此可见，热值反映了燃料的燃烧特性.热值大，反映1kg的这种燃料完全燃烧时放出的热量多，或者说，化学能转化成的内能多.

②“完全燃烧”的含义是烧完、烧尽.某种燃料，只有在完全燃烧时放出的热量与质量之比才是这种燃料的热值，如果用没有完全燃烧放出的热量计算出的热值就比实际值小.

③“热量与其质量之比”可以理解为热值是针对一定质量的燃料而言的，如果同种燃料的质量不同，则完全燃烧时放出的热量大小不同.

2.热值是燃料的属性

教师引导学生阅读教材P23《小资料》——“一些燃料的热值”.先让学生通过查表找出下列燃料的热值：干火柴、无烟煤、焦炭、酒精、柴油、汽油、液态氢，然后说出它们的物理意义.例如酒精的热值是3.0×10⁷J/kg，它表示的意义是酒精完全燃烧时，放出的热量与其质量之比为3.0×10⁷J/kg.

教师鼓励学生积极发言，并继续提问：

（1）热值表中，热值最大的是哪种燃料？热值最小的是哪种燃料？

（2）火箭上为什么用液态氢作燃料？

（3）热值反映了燃料的什么性质？不同燃料的热值一定不同吗？

学生回答：（1）表中热值最大的是氢（1.4×10⁸J/kg），热值最小的是干木柴（1.2×10⁷J/kg）.

（2）火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大.

（3）热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值.

教师鼓励学生的回答，并进行总结和板书.

板书：

热值反映了所有能燃烧的物质的一种性质，反映了不同燃料在燃烧过程中，化学能转化为内能的本领的大小，也就是说，它是燃料本身的一种特性，它只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积、是否完全燃烧均没有关系.

例题1（多媒体展示）甲、乙两种燃料完全燃烧时，甲放出的热量较多，那么（     ）

A.甲燃料的热值一定大于乙燃料的热值

B.甲燃料的质量一定大于乙燃料的质量

C.甲燃料的质量和热值都比乙燃料的大

D.甲燃料的热值可能比乙燃料的热值小

解析：Q放的大小与质量m和燃料的热值q都有关，即Q放=mq，因此，甲放出的热量较多，其质量和热值不一定大，但是质量和燃料热值的乘积一定大，故应选D.

答案：D

例题2教师用多媒体展示练习册中对应题目，并针对性地讲解.

例题3（多媒体展示）在一次物理实验中，共燃烧酒精42g,如果酒精完全燃烧，则能释放多少热量？这些热量被10kg的水完全吸收，水的温度能上升多少摄氏度？［酒精的热值q=3.0×10⁷J/kg，水的比热容c=4.2×10³J/（kg·℃）］

课堂演练

完成本课时对应课堂练习.

知识点2 热机的效率

1.燃料的利用率

师 我们知道，在用煤、煤气或天然气给盛水的壶烧水时，燃料燃烧放出的热量不是被水全部吸收，有一部分被壶、炉灶吸收，有一部分散失到周围的空气中，再加上燃料不可能完全燃烧.也就是说，燃料的利用率只是一部分.下面我们就一起来认识“燃料的利用率”.

（教师还可以利用画饼状示意图的方法来形象表示燃料燃烧放出热量、散失热量、未燃烧的燃料所占的比例，以加深学生对燃料利用率的理解）

板书：

（1）燃料的利用率就是用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的热量之比.

（2）公式：η=Q_有Q_放×100%

师 我们知道通常的锅炉，燃料的利用率都比较低，例如取暖用的小型锅炉，我们应该如何采取措施来提高燃料的利用率呢？请同学们分组讨论后积极发言.

生1：可以让燃料尽可能地充分燃烧，如把煤块磨成煤粉或煤粒，用鼓风机吹进炉膛.

生2：可以减少各种热量损失，如加大与氧气的接触面积（或加大受热面积），减少烟气带走的热量.

教师鼓励学生的回答，并进行总结和板书.

板书：

提高燃料利用率的方法：

（1）让燃料尽可能地充分燃烧；

（2）减少各种热量损失.

2.热机的效率

师 前一节课时，我们学习了热机，我们知道热机也是利用燃料燃烧时产生的内能来做功的，那么热机燃烧汽油或柴油时释放的能量是否被充分利用来做功了呢？

生：当然没有.

师 那能量都到哪里去了？大家可通过查阅资料，交流和讨论等多种形式去了解.

教师总结：热机的各种能量损失中，废气带走的能量最多，其次是散热损失、机械摩擦损失等.而用来做有用功的能量只有一小部分.通常汽油机的效率为20%至30%，柴油机的效率为30%至45%.

板书：

（1）热机的效率就是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧释放出的能量之比.

（2）公式：η=W_有/W_总×100%

师 热机的效率是热机性能的重要指标.热机的效率高，在做功同样多的情况下，就消耗更少的燃料，从而节约能源，减少污染.在设计和制造热机时，我们要不断改进和创新，以减少各种能量损失，提高效率.下面就请同学们积极发言，说出具体措施.

生1:在热机的能量损失中，废气带走的能量最多.我们可以设法利用这些废气的能量.

生2：热机在运行过程中，机器间的摩擦消耗了部分能量，我们可以通过加润滑油的方式来减小摩擦.

生3：尽可能地使燃料充分燃烧.

教师鼓励学生的回答，并进行总结和板书.

板书：

提高热机效率的途径：

（1）尽量减小各种热量损失；

（2）保持良好的润滑，尽量减小摩擦；

（3）尽可能使燃料充分燃烧等.

3.热机与环境

教师通过播放音像资料来具体介绍我国每年消耗燃料的数量，以及我国的燃料利用率的情况和燃料燃烧造成的环境污染情况.引导学生思考我们在利用热机的时候，给环境造成了哪些危害.

（教师也可以组织学生进行一些社会调查或举办一些关于环境污染的讨论会，对为什么要强制实行旧车淘汰制，汽车的尾气要进行定期检查，并且要加装净化装置等问题进行讨论，还可以观看电视和报纸关于当天空气质量的报道，让学生尽量接触一些生动具体的的实际问题，对环保产生紧迫感和责任感，增强学生的环保意识，也可以让学生讨论燃料利用的利与弊，使学生初步养成辩证看待问题的习惯，正确对待科技进步给人类社会带来的正面和负面影响.

例题4（多媒体展示）如图所示为内燃机的能量流向图，热机效率η等于（     ）

解析：从图中可以看出，在内燃机中，燃料完全燃烧产生的能量中，由于排出的废气温度较高，损失一部分能量；由于机件向外散热及克服摩擦做功损失一部分能量，真正向外输出的有用机械能只占燃料所含化学能的一部分.故热机的效率等于做有用功的能量（图中E₄）与燃料完全燃烧时所释放的能量的比值，即：η=E₄/E₁×100%，故B正确.

答案：B

例题5（多媒体展示）为了响应国家“节能减排”的号召，同学们讨论家用汽车的节能方法，你认为下列方法不合理的是（     ）

A.开车过程中不宜频繁地急加油和急刹车

B.定期清理汽车后备箱中的不常用物品，减小汽车负载

C.夏天开车开空调时，空调的温度不宜过低

D.驾车长期低速行驶

解析：频繁的急加油和急刹车都会造成汽油的浪费，所以要尽量避免这种驾驶方法，A说法合理；清理汽车后备箱中的不常用物品，可以减小汽车的阻力，行驶时可以节约耗油量，B说法合理；如果天气不是很热就不用开空调，即使开时也不要让温度过低，C说法合理；驾车在上坡时低速行驶以增大牵引力，而当在平路上行驶时还要以适当的速度行驶，这样可以节约耗油量，D说法错误，故选D.

答案：D

例题6（多媒体展示）天然气在我市广泛使用，已知天然气的热值为7.0×10⁷J/m³,完全燃烧0.05m³天然气可以放出多少焦的热量？这些热量若只有42%被水吸收，则可以使常温下5kg的水温度上升多少摄氏度？

教师引导学生阅读教材P25页STS《从火车到火箭》短文.（通过有关火箭发展史的介绍和火箭应用方面知识的学习，使学生受到良好的爱国主义和热爱科学等方面的教育）

课堂演练

完成本课时对应课堂练习.

【课堂交流、小结与延展】

师 同学们，我们通过本节课的学习，你们都有哪些收获呢？请相互交流、讨论.

生1：通过学习，我知道了不同的燃料燃烧时放出的热量不同，放出的热量的多少与燃料种类、燃烧程度有关.

生2：热值是燃料的一种属性，每种燃料都有自己的热值，它与质量、体积、燃烧状况无关.

生3：根据热值的物理意义，如干木柴的热值q为1.2×10⁷J/kg，即1kg干木柴完全燃烧放出的热量为1.2×10⁷J，那么，质量为mkg的干木柴完全燃烧可以放出的热量为Q_放=mq.

生4：热机的燃料利用率很低，燃料燃烧时释放的能量有多种去向：废气带走、散热损失、机械摩擦损失，而真正用来做有用功的能量只占很少一部分.

……

【教师结束语】

同学们，我们通过本节课的学习，收获了不少知识.我们认识了燃料的热值、燃料的利用率和热机的效率，我们进一步学习了提高热机效率的方法，知道了环境保护的重要意义.为了人类生存环境的健康持续和谐发展，我们必须树立节能和环保意识，倡导低碳生活.好，谢谢大家！

课后作业

完成本课时对应课后练习.

1.在帮助学生理解热值概念时，可以课前让学生做社会实践调查：家庭（农村）炉灶的变化及燃料使用的变化，体会相同质量的不同燃料在燃烧时释放的热量有明显差异.认识不同燃料的热值不同，并由此引导学生分析、讨论如何有效提高燃料的利用率.

2.有效利用燃料是节约能源、保护环境的重要措施，讲解这个问题是为了强调节约能源、注意环保的重要性，对学生进行节能教育，关于保护环境问题，通过这部分内容的学习，一方面是为了提高学生的环保意识，另一方面要让学生辩证地看待科学进步对人类社会的影响，使学生初步认识到事物都是一分为二的，培养学生初步的辩证唯物主义的观点，养成辩证看问题的良好习惯.