第12講 熱機(jī)效率（原卷版）【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.知道熱值的概念；2.會(huì)進(jìn)行熱值的簡(jiǎn)單計(jì)算；3.了解熱機(jī)效率的概念以及提高熱機(jī)效率的途徑；4.會(huì)進(jìn)行熱機(jī)效率的簡(jiǎn)單計(jì)算。【基礎(chǔ)知識(shí)】知識(shí)點(diǎn)一、燃料的熱值1.燃料（1）燃料的種類燃料是指可燃燒的物質(zhì)，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，燃料可分為不同的種類，最常見的是按其物理狀態(tài)分類。（2）燃料燃燒時(shí)能量轉(zhuǎn)化燃料在燃燒時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2.燃料的熱值燃料種類很多，由于其燃燒成分不同，相同質(zhì)量的不同燃料完全燃燒時(shí)放出的熱量不同，在物理學(xué)上用“熱值”來(lái)表示燃料燃燒的放熱本領(lǐng)。（1）熱值：某種燃料完全燃燒放出的熱量，與其質(zhì)量的比值叫這種燃料的熱值；用“q”表示。（2）熱值單位：J/kg。（3）熱值的物理意義：一、1kg某種燃料完全燃燒放出的熱量就等于該燃料的熱值；二、熱值反映的是某種物質(zhì)的一種燃燒特性，同時(shí)反映出不同燃料燃燒過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能的本領(lǐng)大小；也就是說，它是燃料本身的一種特性，只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的形態(tài)、質(zhì)量、體積等均無(wú)關(guān)。（4）燃料燃燒放出的熱量：熱量：Q放  ＝qm；（Q放 是燃料放出的熱量，單位是J；q是熱值，單位是J/kg；m 是質(zhì)量，單位是kg）特別提醒固體燃料、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Q放  ＝qm一般用于固體燃料和液體燃料放熱的計(jì)算；Q放  ＝Vq一般用于氣體燃料放出熱值的計(jì)算，其中V為氣體燃料的體積。（5）對(duì)燃料熱值的透析熱值是燃料的一種固有性質(zhì)熱值反映的是某種物質(zhì)的一種燃燒特性，同時(shí)反映出不同燃料燃燒過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能的本領(lǐng)大小；也就是說，它是燃料本身的一種特性，只與燃料的種類有關(guān)，與燃料的形態(tài)、質(zhì)量、體積等均無(wú)關(guān)對(duì)完全燃燒的理解對(duì)于熱值的概念，要注重理解三個(gè)關(guān)鍵詞：“1kg”、“某種燃料”、“完全燃燒”。1kg是指燃料的質(zhì)量，如果燃料的質(zhì)量不是1kg，那么該燃料完全燃燒放出的熱量就不等于熱值的數(shù)值；某種燃料是指熱值與燃料的種類有關(guān)；完全燃燒意思是燃料要完全燒盡，否則1kg燃料燃燒過程中，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能就不是該熱值所確定的值熱值的作用燃料熱值的高低是衡量燃料優(yōu)劣的主要指標(biāo)特別提醒（1）不是任何物質(zhì)都有熱值。熱值是燃料的固有性質(zhì)，如石塊、鐵塊等非燃料物質(zhì)沒有熱值；（2）只有燃料放熱時(shí)，才能用Q放  ＝qm或Q放  ＝Vq進(jìn)行計(jì)算，不要將其與溫度降低時(shí)的放熱公式Q放=cm△t混淆。常用燃料的熱值見下表：2.熱機(jī)的效率（1）燃料的有效利用：用煤氣灶、鍋爐、煤爐等燒水時(shí)，燃料不能完全燃燒利用，具體原因是多樣的。例如，燃料不能完全燃燒而損失了一部分能量，裝水的容器吸收了一部分能量、灶體本身也會(huì)吸收一部分能量，高溫的煙氣帶走了一部分能量，還有一部分能量直接散失掉了，水吸收的熱量只占燃料燃燒放出熱量的一部分，只有水吸收的熱量才是有效利用的部分。如圖所示：（2）鍋爐的效率1）鍋爐是利用燃料或其他熱源把水加熱成熱水或蒸汽的設(shè)備。鍋爐包括鍋和爐兩部分，鍋是指盛水的容器，爐是燃料燃燒的裝置。2）提高鍋爐燃料利用率的途徑：一、讓燃料盡可能充分燃燒，如將煤研磨成粉狀，加大進(jìn)風(fēng)量等；二、減少熱量損失，如加大有效受熱面積等。（3）內(nèi)燃機(jī)中熱量燃燒的能量流向圖（4）熱機(jī)效率1）定義：用來(lái)做有用功的熱量與燃料完全燃燒放出的熱量的比值。2）計(jì)算公式：對(duì)熱機(jī)而言，其中用來(lái)做有用功的能量Q有用等于熱機(jī)對(duì)外的有用功W有用，故熱機(jī)的效率公式又可寫成：。3）物理意義：熱機(jī)的效率表示使用熱機(jī)時(shí)對(duì)燃料的利用率的高低，因此熱機(jī)的效率是熱機(jī)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。4）常見熱機(jī)效率：蒸汽機(jī)6%-15%，汽油機(jī)20%-30%，柴油機(jī)30%-45%。特別提醒：熱機(jī)效率總小于1的原因因?yàn)闊釞C(jī)中用于做有用功的能量只是燃料完全燃燒所放出的總能量的一部分，由于各種能量的損失和燃燒條件的限制，這部分能量一定小于完全燃燒放出總能量，所以有用功的能量與燃燒放出的總能量的比值必然小于1，即熱機(jī)的效率一定小于1。（5）提高熱機(jī)效率的主要途徑①改善燃燒的條件，使燃料盡可能充分燃燒（將煤磨成煤粉，用空氣吹進(jìn)爐膛，使之更充分燃燒）；②減少各種熱量損失（I. 加大受熱面積，以減少煙塵廢氣帶走的熱量；II. 使用較好的保溫材料，減少熱損失）； ③在熱機(jī)設(shè)計(jì)和制造上，采用先進(jìn)的技術(shù)；④保障良好的潤(rùn)滑，減少機(jī)械摩擦。廢棄能量的利用在熱機(jī)的能量損失中，廢氣帶走的能量最多，所以設(shè)法利用廢氣的能量，是提高燃料利用率的主要措施。例如，人們將發(fā)電廠蒸汽輪機(jī)排除的廢氣送入熱電站進(jìn)行供熱，將廢氣中的能量甲乙利用，大大提高了熱量的利用率。【考點(diǎn)剖析】考點(diǎn)一：熱值及其計(jì)算角度1:對(duì)熱值的理解關(guān)于熱機(jī)效率和熱值描述正確的是（　　）。A．燃料燃燒越充分，燃料熱值越大；B．使用熱值大的燃料，可以提高熱機(jī)效率；C．額定功率越大的機(jī)械，其發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高；D．燃料燃燒越充分，熱機(jī)效率越大角度2:熱值的有關(guān)計(jì)算氫能源具有熱值高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。氫氣的熱值為1.4×108 J/kg，完全燃燒0.2kg的氫氣可放出______J的熱量；若一罐氫氣用去了一半，則剩余氫氣的熱值是______J/kg。考點(diǎn)二：熱機(jī)的效率角度1：對(duì)熱機(jī)效率的理解下列關(guān)于熱機(jī)效率的說法中正確的是（　?。?/span>。A ．蒸汽機(jī)的效率比內(nèi)燃機(jī)高；B ．熱機(jī)的功率越大，它的效率也一定越高；C ．用來(lái)做有用功的那部分能量跟燃料燃燒放出的能量之比叫熱機(jī)效率；D ．用來(lái)做有用功的那部分能量跟燃料完全燃燒所放出的能量之比叫熱機(jī)效率角度2：熱機(jī)效率的有關(guān)計(jì)算某品牌無(wú)人駕駛汽車在一段平直公路上勻速行駛6.9km，用時(shí)5min45s，消耗燃油1.5kg，已知汽車的牽引力是2000N，燃油的熱值為4.6×107J/kg，假設(shè)燃油完全燃燒．通過計(jì)算可知，下列結(jié)果正確的是（　?。?/span>。①汽車行駛速度是20km/h         ②消耗的燃油完全燃燒放出的熱量是6.9×107J③汽車牽引力做功的功率是30kW    ④汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率是20%A．只有①和②   B．只有②和③    C．只有①和④   D．只有②和④角度3：效率與功率甲乙兩臺(tái)柴油機(jī)，甲的效率低于乙的效率，意義是（　?。?/span>。A．甲的功率大于乙的功率；B．甲消耗的燃料多于乙消耗的燃料；C．乙將燃料燃燒放出的能變成有用功的那部分能的比例比甲大；D．工作相同時(shí)間甲消耗的燃料一定比乙少考點(diǎn)三：熱值、比熱容與熱效率綜合已知天然氣的熱值為3.8×107J/m3，水的比熱容為4.2×103J/（kg·℃）。求：（1）完全燃燒1.4×10-2m3天然氣放出多少熱量?（2）若某天然氣灶的效率為60%，則這些天然氣可將質(zhì)量為3.8kg，初溫為25℃的水加熱到多少℃?（當(dāng)?shù)氐拇髿鈮簭?qiáng)為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）【真題演練】1．（2021·黑龍江中考真題）下列說法正確的是（  ）。A．內(nèi)燃機(jī)消耗的燃料越多，其效率越高；B．物體吸收熱量，其溫度一定升高；C．外界對(duì)物體做功，物體內(nèi)能可能增加；D．在熱傳遞過程中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體2．（2021·湖南郴州市）小明用酒精燈將質(zhì)量為100g、初溫為20℃的水加熱到90℃（未沸騰），共燃燒了7g酒精[c水=4.2103J/（kg℃，酒精的熱值為q=3107J/kg]。則（  ）。A．水吸收的熱量是2.94×107J，效率為14%；B．水吸收的熱量是2.94×104J，效率為14%；C．水吸收的熱量是2.94×107J，效率為1.4%；D．水吸收的熱量是2.94×104J，效率為1.4%3．（2021·四川成都市）小帆在老師指導(dǎo)下，用如圖所示的同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置分別加熱100g的甲、乙兩種液體（其中一種是水），用測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制了溫度隨時(shí)間變化圖像如圖，乙從20℃加熱至沸騰剛好消耗了4g酒精（）。若單位時(shí)間內(nèi)甲吸收的熱量與乙吸收的熱量相等，，則下列說法中正確的是（  ）。A．；B．乙的吸熱能力大于甲的吸熱能力；C．0~8min乙吸收的熱量為；D．該酒精燈的加熱效率為28%4．（2020?呼倫貝爾）西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭，于2019年4月20日將第44顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功送上太空。下列說法中正確的是（  ）。A．火箭升空過程中，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；B．燃料燃燒時(shí)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；C．火箭使用液氫燃料，主要是利用了液氫的比熱容較大；D．火箭使用液氫燃料，主要是利用了液氫的熱值較大5.（2020·四川甘孜州）下列關(guān)于熱值和熱機(jī)效率說法，正確的是（　　）。A. 使燃料燃燒更充分，可以增大熱值；B. 使燃料燃燒更充分，可以提高熱機(jī)效率；C. 柴油機(jī)的熱機(jī)效率通常為100%；D. 燃料燃燒釋放的熱量越大，熱值越大6．（2021·內(nèi)蒙古通遼市）用液化氣灶燒水，把1.5kg初溫為20℃的水加熱到100℃，需要吸收的熱量為_____J．若上述過程中完全燃燒了0.021kg液化氣，且只有60%的熱量被水吸收，則液化氣的熱值為_____J/kg．[c水＝4.2×103J/（kg?℃）]7．（2021·貴州黔東南苗族侗族自治州）如圖所示，用力將活塞迅速下壓，玻璃筒內(nèi)硝化棉燃燒起來(lái)，該過程能量是由______能轉(zhuǎn)化為______能，這一特點(diǎn)與汽油機(jī)______沖程相同。完全燃燒0.5kg的汽油，放出的熱量是______J（已知汽油的熱值為4.6107J/kg）。8．（2021·湖北荊州市）使用清潔能源天然氣有助于國(guó)家提出的2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。小明同學(xué)用他家的天然氣灶將質(zhì)量為2kg，初溫為15℃的水加熱到95℃，水吸收的熱量是_______J：若此過程的熱效率為40%，則此過程消耗天然氣_______m3。（水的比熱容為4．2103J/（kg·℃），天然氣熱值為4.2107/m3）9．（2021·湖北十堰市）如圖所示，小明在空氣壓縮引火儀玻璃筒的底部放一小團(tuán)硝化棉，用力將活塞迅速下壓，棉花被點(diǎn)燃，此過程的能量轉(zhuǎn)化方式與柴油機(jī)的______沖程相同。小明參加了一次長(zhǎng)跑，身體消耗的能量約為8.4×106J，這些能量相當(dāng)于完全燃燒______m3的天然氣，若天然氣完全燃燒放出的熱量有50%被水吸收，則在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下這些熱量可將______kg20℃的水燒開。（c水＝4.2×103J/（kg?℃）；q天燃?xì)?/span>＝4×107J/m3）【過關(guān)檢測(cè)】1.下列有關(guān)熱學(xué)知識(shí)的說法中正確的是（  ）。A．固體和液體很難被壓縮是因?yàn)榉肿娱g沒有間隙；B．物體吸收熱量，溫度不一定升高；C．燃料燃燒越充分，其熱值越大；D．比熱容與物體吸收熱量的多少有關(guān)2.面點(diǎn)師傅炸油條時(shí)，用天然氣將油加熱至沸騰，把和好的面拉成長(zhǎng)條放入油中炸至金黃。關(guān)于涉及的物理知識(shí)，下列說法正確的是（  ）。A．油沸騰過程中繼續(xù)加熱，內(nèi)能不變，溫度升高；B．面被拉長(zhǎng)未斷，說明分子間存在引力；C．剛出鍋的油條燙手，是由于油條含有的熱量多；D．天然氣燃燒越充分，放出的熱量越多，熱值越大3.下列有關(guān)說法正確的是（  ）。A．以天然氣為燃料，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可以達(dá)到100%；B．內(nèi)能小的物體可以將熱量傳給內(nèi)能大的物體；C．熱值越大的燃料，完全燃燒時(shí)放出的熱量一定越多；D．的水比的水含有的熱量多4.關(guān)于內(nèi)燃機(jī)，下列說法正確的是（  ）。A．四個(gè)沖程中只有一個(gè)沖程發(fā)生內(nèi)能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化；B．壓縮沖程主要是通過做功的方式增大缸內(nèi)氣體的內(nèi)能；C．汽油機(jī)和柴油機(jī)都是通過火花塞點(diǎn)火的；D．只要技術(shù)進(jìn)步，內(nèi)燃機(jī)的效率可以達(dá)到100%5.一杯酒精用掉一半，剩下一半的酒精的質(zhì)量、密度、比熱容和熱值的情況是（ ）。A．質(zhì)量.密度.比熱容和熱值不變；B．質(zhì)量和密度變?yōu)樵瓉?lái)的一半，比熱容和熱值不變；C．質(zhì)量和熱值變?yōu)樵瓉?lái)的一半，密度和比熱容不變；D．質(zhì)量變?yōu)樵瓉?lái)的一半，密度.比熱容和熱值不變6.質(zhì)量為1.4kg的干木柴完全燃燒，所放出的熱量為______J，木材燃燒后通過______方式將水加熱，如果這些熱量的50%被質(zhì)量為50kg的水吸收，則水的溫度升高_(dá)_____℃（已知：干木柴的熱值為1.2×107J/kg，水的比熱4.2×103J/（kg?℃）7.用天然氣燒水，水燒沸騰時(shí)，壺蓋不斷向上跳動(dòng)，此過程中能量轉(zhuǎn)化與四沖程汽油機(jī)的______沖程的能量轉(zhuǎn)化相同；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下用天然氣把3kg的水從20℃加熱至剛沸騰時(shí)，水的比熱容______（填“增大”“減小”或“不變”），水吸收了______J的熱量。[c水=4.2×103J/(kg·℃)]8.物體的內(nèi)能與物體質(zhì)量、溫度、形態(tài)______（選填“有”或“無(wú)”）關(guān)，與物體運(yùn)動(dòng)速度及位置高度無(wú)關(guān)。改變物體內(nèi)能的方法有做功和熱傳遞。它們?cè)诟淖兾矬w內(nèi)能上是______的；提高燃料利用率的途徑：一是讓燃料盡可能地完全燃燒；二是要減少熱量______。9.川人愛吃辣，色香味俱佳的紅油辣子是川人家常必備。紅油辣子制作關(guān)鍵是對(duì)油溫的控制，用菜油制作紅油辣子的最佳溫度為150℃。用沼氣將0.1kg菜油從室溫17℃加熱到制作紅油辣子的最佳溫度，則菜油吸收了_______J的熱量，燃燒了________m3的沼氣。已知沼氣燃燒釋放的熱量有50%被菜油吸收，沼氣熱值取1.9×107Ｊ/m3，取ｃ菜油=2.0×103J·（kg·℃ ）-1。10.總長(zhǎng)55km的港珠澳大橋進(jìn)行通車測(cè)試時(shí)，一輛小汽車以某速度勻速通過大橋（ 看成直線運(yùn)動(dòng)），遠(yuǎn)動(dòng)過程中受到的阻力恒為車重的0.08倍，全程消耗了5kg的汽油，耗時(shí)50min。已知汽車的總質(zhì)量為1.5t，q汽油=4.6×107J/kg，g取10N/kg，由此可計(jì)算： （1）假設(shè)每個(gè)輪胎與橋面的接觸面積為0.025m2，則汽車靜止時(shí)對(duì)橋面的壓強(qiáng)是多少？（2）汽車牽引力所做的功和功率各是多少？（3）汽油機(jī)的效率是多少？（結(jié)果精確到0.1%）

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