人教版九年级物理第十四章-第2节-热机的效率（提升版）辅导教学案

第十四章第2节热机的效率

辅导科目物理年级九年级教材版本人教版

讲义类型提升版（适用于考试得分率在60%——80%以内的学员）

1.知道热值的概念，能简单计算燃料燃烧放出的热量。

教学目的2.能说出热机工作时燃料释放能量的主要流向。

3.知道热机效率，能说出提高机械效率采取的措施。

重点：燃料热值的概念和计算燃料燃烧放出的热量。

重、难点

难点：热机中的能量转化及损失，提高热机效率的具体措施。

授课时长建议授课时长2小时

教学内容

【课程导入】

热机把内能转化为机械能，那么内能来自于哪里？

r

J»

为什么.发射!k箭上天要用氢做燃料？

【新知讲解]

（知识点一热方几的效率

-、燃料的•热值

我们知:道，外去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

X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。

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.

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？

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.

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.

1.概念: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.用q表示.

2.单位：

(1)固体、液体燃料热值的单位:J/kg；

(2)气体燃料热值的单位:J/m3.

3.计算公式：

(1)固体、液体燃料的燃烧放热公式:Q=mq;

(2)气体燃料的燃烧放热公式:Q=Vq.

4.燃料热值表

请同学们阅读教材23页的小资料,了解一些燃料的热值，并回答下列问题：

一些燃料的热值

燃料热值燃料热值

干木柴约1.2XIO,J/kg柴油4.3x107J/kg

烟煤约2.9XIO7J/kg煤油4.6x107J/kg

无烟煤约3.4xl(fj/kg汽油4.6x107J/kg

焦炭3.0x107J/kg氢1.4x108J/kg

木炭3.4x107J/kg煤气约3.9x⑹J/n?

酒精3.0x107J/kg沼气约1.9xUM

问题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？

回答1:表中热值最大的是氢(1.4xlO8J/kg),热值最小的是干木柴(1.2xlO7J/kg).

问题2:火箭上为什么用液态氢作燃料？

回答2:火箭上用液态氢作燃料是因为氢的热值大.

问题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？

热值是燃料的一种属性，不同的燃料有不同的热值.

【拓展延伸】热值是物质本身的一种性质，它与物体的质量、形状、体积、位置、温度、吸

收或放出热量的多少等因素都无关，是反映燃料优劣的重要指标.

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，利用燃料燃烧产生的内能过程中，能量有损失，下面我们来学习热机的效率.

二、热机的效率

1.讨论:在内燃机中燃料燃烧释放的能量都到哪里去了？

结论:热机工作时，并不能将燃料燃烧释放的内能全部用来对外做有用功，有很大一部分能量在

工作过程中损耗掉了.

2.分析能流图：

燃料燃烧放出

的热量(100%)

输、冷却水(30%)

出

有摩擦与辐射(7%)

用

功

总结:由图可知，真正能转变为对外做有用功的能量只是燃料燃烧时所释放能量的一部分.热机

工作时能量的损失由以下几部分构成：

(1)燃料没有完全燃烧；

⑵排出废气带走部分能量；

⑶克服摩擦，消耗能量(由于机械传动等要克服摩擦消耗能量)；

⑷热机本身发热带走一部分能量.

1.定义:用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧所释放的能量之比称为热机的效率.

2.计算公式:热机的效率：片区xlOO%;其中W有用指用来做有用功的能量,Q总指燃料完全燃

烧释放的能量.

一些热机的效率

蒸汽机4%-8%

蒸汽轮机25%-30%

汽油机20%-30%

柴油机30%-45%

喷气式发动机50%-60%

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.

3.提高热机效率的主要途径：

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.

热机在运行过程中，机器间的摩擦消耗了部分能量，使用时注意保养，保证良好的润滑.

选用优良的润滑材料减小机器零部件之间的摩擦，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的功，以减

少机械能损失.

尽可能地使燃料充分燃烧.

比如内燃机要掌握好火花塞点火或喷油嘴喷油的最佳时间;蒸汽类热机,常将煤研磨成粉状用

风吹入锅炉内燃烧.这些措施都可以使燃料燃烧得更充分一些.

总结:提高热机的效率，并非易事，需要解决的问题还很多,甚至每前进一步都要付出艰苦的努

力.不过我们相信，随着科学技术的飞速发展，以及新能源的不断开发，热机的性能一定会得到较

大提高.我们也期待现在的青年中能涌现出更多瓦特式的人才，为人类研制出更新更好的热机.

小组讨论:热机的效率能达到100%吗?为什么？

结论:不能.因为热机在工作过程中一定有能量损失.

［拓展延伸］“功率”和“效率”是两个意义不同的概念，功率是表示物体做功快慢的物理量，而

热机效率是表示热机性能好坏的，是指用来做有用功的那部分能量跟燃料完全燃烧放出的能

量之比，反映的是能量利用率的问题.

◎例题

【例1】一辆汽车，总重为L2X104N,四个轮胎与地面接触的总面积为012m2,该车在平直

公路上匀速行驶lh,消耗汽油10L,汽油完全燃烧放出的热量有30%转化为机械能。（汽油

的热值为4.6x107j/kg,密度为0.7xl（）3kg/n?,g=10N/kg）求:

（1）该车静止在水平路面上时，对路面的压强是多少？

（2）10L汽油完全燃烧放出的热量是多少？

（3）汽车行驶过程中所受的牵引力是多大？

□练习

1、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

2、氢能源具有来源广、热值高、无污染等优点.氢气的热值为14.3xl07J/kg,完全燃烧0.5

kg的氢气可放出J的热量；若一罐氢气用去了一半，则剩余氢气的热值_______（大于

/等于/小于）14.3X107J/kg.

3、关于燃料的热值下列说法正确的是（）

A.燃料的热值与燃料.的燃烧情况有关

B.容易燃烧的燃料的热值一定大

C.煤的热值比干木柴的大，煤燃烧放出的热量比干木柴放出的热量多

D.0.5kg煤油和1.5kg煤油的热值一样大

§知识小结

【课堂检测】

1.（2019四川巴中）下列关于内燃机说法正确的是（）

A.柴油机吸气冲程吸人的是柴油和空气的混合物B.汽油机气缸顶部有喷油嘴

C.做功冲程中内能转化为机械能D.内燃机功率越大，效率越高

2.（2019山东泰安）某载重汽车自重12t,车轮与地面的总接触面积为0.5m2,汽车以72km/h

的速度在平直公路上匀速行驶时，柴油发动机的功率为210kW,每行驶43s消耗柴油700g,

柴油的热值为4.3xlC）7j/kg。下列说法中（）

①完全燃烧700g柴油放出的热量为3.01xl09J

②该柴油发动机效率为30%

③汽车的牵引力为1.05X104N

④若公路所能承受的最大压强为8xl05Pa,汽车最多能装载40t的货物

A.只有①②正确B.只有③④正确C.只有①③正确D.只有②③正确

3.（2019四川省巴中市）为了减少大气污染，可对秸秆进行回收加工制成精秆煤，完全燃烧

2kg秸秆煤可放出J热量；若这些热量完全被水吸收，可使kg水温度由20℃

*23

升高到60℃.[已知q秸秆煤=2.1xl07j/kg,C<=4.2X10J/（kg℃）]0

4.（2019年广州市）（1）完全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的

倍，0.7g酒精完全燃烧释放的热量是2.1X104J。这些热量全部被100g的液体A吸收，液体的

温度升高了50℃；完全燃烧1.4g酒精释放的热量全部被200g的液体A吸收，液体的温度升

高了At=℃（不考虑散热）。

（2）现用图如图所示装置加热200g的液体A,燃烧了1.4g酒精，液体升高的温度小于At,

有哪些原因会导致这个结果？______________________________

5.（2109四川绵阳）一个标准大气压下，将质量1.0kg的水从20℃加热到沸腾，水吸收的热量

是J。小明家天然气热水器的热效率是84%,他某次洗澡，耗水40kg,自来水进热水器

的温度是24℃,出热水器的温度是40℃,小明这次洗澡消耗天然气nA已知水的比

热容是4.2x103J/（kg℃）,天然气的热值是3.2xl07J/m3o

6.（2019湖北荆州市）2018年4月25日上午，习近平总书记来到荆州港码头乘船，沿江察看

荆江两岸生态环境和发展建设情况，强调长江经济带建设要“共抓大保护，不搞大开发”。合

理分类和利用垃圾可以保护环境、变废为宝。在一定条件下，It生活垃圾能“榨”出140kg燃

料油。若燃料油的热值为4.0xl（）7j/kg,某城镇每天产生50t生活垃圾，则这些垃圾“榨”出的

燃料油完全燃烧释放出的热量为J.在一个标准大气压下，这些热量的30%被

500m330℃的水吸收，则水温能升高℃.[c水=4.2xl（）3j/（kg℃）,p*=1.0x103kg/m3]

7.（2019苏州市）如图所示，在空气压缩引火仪玻璃筒的底部放一小团干燥的棉花，用力将活

塞迅速下压，棉花被点燃，此过程的能量转化方式与汽油机的冲程相同；某效率为

25%的汽油机在一次工作中消耗了体4kg汽油，该汽油机对外做的机械功为（汽

油热值为46xlO7J/kg）

8.（2019山东德州）在“探究水沸腾时温度变化的特点”实验中，烧杯中加入200g的水，测得

初始温度为45C.如图所示，用酒精灯加热一段时间后温度计的示数为℃,则水吸

收的热量为J,这些热量相当于完全燃烧g酒精放出的热量。（水的比热容c水

=4.2X103J/（kg℃）,酒精热值q=3.0xl（）7j/kg）

9.（2019山东聊城市）2019年5月6日，聊城首批30辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢

燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是22世纪最理想的能源，［c氢=4.2xl07j/（kg℃）；

q氢=1.4xl（）8j/kg）求：

（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量；

（2）若这些热量全部被质量为200kg,温度为15℃的水吸收，则水升高的温度；

（3）某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得

热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。

10.（2019广东省）阅读下列短文，回答问题。

可燃冰

可燃冰是一种新型能源，主要成份是甲烷和水，分布在深海沉积物里或陆域的永久冻土中，

如图所示，可燃冰形似冰块却能燃烧，燃烧后几乎不产生任何残渣，In?的可燃冰分解后可

释放出约O.8m3的水和164nl3的天然气，天然气中甲烷的含量占80%~99.9%。

可燃冰的生成有三个基本条件：首先要求低温，可燃冰在0~10℃时生成，超过20℃便会分解,

海底温度一般保持在2~4℃左右；其次是高压，可燃冰在0℃时，只需海水产生29个标准大

气压即可生成，而以海洋的深度，此高压容易保证；最后是充足的气源，海底的有机物沉淀,

其中丰富的碳经过生物转化，可产生充足的气源。在温度、压强、气源三者都具备的条件下，

可燃冰就会生成。

请回答下列问题：[1个标准大气压取lxl()5pa,海水的密度取lxl()3kg/m3,g取10N/kg,c水

=4.2xlO3J/(kg-℃),甲烷的热值取4.2xlO7J/m3]

(1)可燃冰的主要成份是.o

(2)若要在0℃的海底生成可燃冰，海水的深度至少要mo

(3)如图所示，海底上有一块体积为lOOn?且底部与海底紧密相连的可燃冰A,其受到海水

的浮力为^_______No

(4)0.5加的可燃冰分解后，其中的甲烷完全燃烧放出的热量，在标准大气压下，至少可以

将质量为kg温度为20℃的水加热至沸腾。

【答案】

1.C

【解析】

A选项中，柴油机在吸气冲程中，将空气吸入气缸，故A错误；

B选项中，汽油机顶部有火花塞，柴油机顶部有喷油嘴，故B错误；

C选项中，汽油机的做功冲程中，将内能转化成了机械能，故C正确；

D选项中，功率是物体做功快慢的物理量，与热机效率是两个完全不同的概念，故D错误。

2.D

【解析】：

①完全燃烧700g干木柴放出的热量：Q放=m柴油qMO^kgxSxKrj/kgnB.oixKTj,故①错误；

②柴油发动机做功：W=Pt=210xl03Wx43s=9.03xl06J,柴油发动机的效率：州=略xlOO%

=9.03X1[<100%=30%,故②正确；

3.01X107J

③汽车速度：v=72km/h=72x，m/s=20m/s,由P=4=四=Fv得，汽车的牵引力：F=-

3.6tlt।v

故③正确；

^210X10WL105X104N;

20m/s

④由p=£得，公路所能承受的最大压力：F=pS=8x105Pax0.5m2=4x105N,汽车与货物的

质量之和：m总=£^.=4=N；=4xl()4kg=40t,汽车最多能装载货物质量：m=m总-

g|g10N/kg

m车=40t-12t=283故④错误。综上，①④错误，②③正确。

3.4.2X107；250o

【解析】

秸秆煤完全燃烧释放的热量：

Q放=111秸秆煤q=2kgx2.1xIO,j/kg=4.2x107j。

由题意可知，水吸收的热量为：Q吸=(3放=4.2乂1()71，

由QiRucmzXt可得，水的质量:

Q吸_4.2X107!C6

m=-7---r------7--------•,=25Okgo

c(t-to)4.2X1o3j/(kg•匕)X(601C-200

4.2；50；酒精没有完全燃烧。

【解析】(1)根据Q=qm,在热值一定的情况下，燃料完全燃烧释放的热量跟其质量成正比,

所以完全燃烧1.4g酒精释放的热量是完全燃烧0.7g酒精释放热量的2倍；设0.7g酒精完全

燃烧放出的热量为Qi-吸收热量的液体A的质量为mi,升高的温度为Ati,则有Qi=CAni]Ati

①；设完全燃烧1.4g酒精放出的热量为Q2,吸收热量液体A的质量为m2,则有Q2=cAm2At

_QQcAm0AtAt1

②；由题意及上面分析知，Q2=2QI,m2=2mi,则②：①即才"=/得工即

At=At1=50℃o(2)实际燃烧1.4g酒精，液体A升高的温度小于At,原因可能有：酒精没

有完全燃烧、酒精燃烧放出的热量没有全部被液体吸收、液体A边吸收热量边蒸发带走了热

里寺。

5.(1),3.36X105(2).0.1

【解析】

一个标准大气压下水的沸点是100℃,则将质量1.0kg的水从20℃加热到沸腾需要吸收的热

量是Q=cmkZ=4.2xl03J/(kg℃)xlkgx(100℃-20℃)=3.36xl05J；初温为24℃,质量为40kg

的自来水温度升到40℃需要吸收的热量为。吸=刖4Z=4.2xl03J/(kg℃)x40kgx(40℃-24℃)

=2.688x106j,因天然气热水器的热效率是84%,根据片等，则天然气需要放出的总热量为

2放

叱午胃产再根据燃料放热公式0』，则消耗天然气为

3.2xl()6j

=0.1m3

3.2xIO'J/n?o

6.2.8x10“；40o

【解析】

解：(1)50t生活垃圾“榨”出的燃料油完全燃烧释放出的热量:

711

Q放=mq=50x140kgx4.0xl0J/kg=2.8xl0J；

(2)由p=■1得，水的质量：

m'=pV=1.0x103kg/m3x500m3=5x105kg,

水吸收的热量：

Q吸=30%Q放=30%x2.8xl0iiJ=8.4xl0i°J,

由Q吸=cm△t得，水升高的温度：

Q吸_________8.4X1010J

△t=―=40℃o

cm，36

4.2X10J/(kg'lC)X5X10kg

7.压缩;4.6X107.

【解析】

用力将活塞迅速下压，棉花被点燃，是此过程是机械能转化为内能，相当于汽油机的压缩冲

程；燃烧4kg的汽油释放的热量为Q7kgx4kg=L84xlO8j；

汽油机的热效率为25%即被汽油机吸收的热量来做机械功的能量占总消耗能量的25%,所以

被汽油机吸收的热量Q吸=1.84xl08jx25%=4.6xl07j.

8.95；4.2xl04；1.4o

【解析】

解：(1)由图可知，温度计的分度值为1℃,示数为95℃；

(2)水吸收的热量：

34

Q吸=bkm(t-to)=4.2xlOJ/(kg℃)x0.2kgx(95℃-45℃)=4.2xl0Jo

(3)由题知，Q放=Q^=4.2xl()4j,

,

由Q^=mq得，需要完全燃烧酒精的质量：m=0.0014kg=1.4go

9.【解析】

解：(1)0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量：

Q=mq=0.3kgx1.4x10盯/kg=4.2xlO7J；

(2)水吸收的热量：Q吸

由Q吸=cmat得水升IWJ温度：

△-.......i^XXOLl--------|=50C

cm4.2X103J/(kg-lC)X2000kg

(3)公交车所做的功：W=Q放=4.2xl07j,

由「=/得公交车行驶时间：

4.2X10^

t=1=300so

P1.4X10叫

答：(1)质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出4.2X107J热量；

(2)若这些热量全部被质量为200kg,温度为15℃的水吸收，则水升高50℃；

(3)这些热量能让该公交车匀速行驶300s。

10.(1)甲烷和水(2)290(3)0(4)8.2X103

【解析】(1)由短文知，可燃冰的主要成份是甲烷和水；(2)若要在0℃的海底生成可燃冰,

需要海水产生29个标准大气压，即海水的压强为p=29xlxl05Pa=2.9xl06Pa,由P=Qg/z得需

。29x1O6Pa

要的海水的深度为h=S3；,3=290m；(3)由于可燃冰A的底部与海底紧

pg1x10kg/mx10N/kg

密相连，所以海水对其底部没有向上的压力，故可燃冰A受到的浮力为0N；(4)由短文知,

1m3的可燃冰分解后可释放出约0.8m3的水和164m3的天然气，天然气中甲烷的含量占

80%~99.9%o可见，0.5m3的可燃冰分解后，至少可以分解出甲烷为0.5xl64x0.8m3=65.6m3,

这些甲烷完全燃烧释放出的热量为：(2放=4丫，

由Q吸=Q放得：c水〃加=qV,

qV4.2xl07J/m3x65.6m3.,

即m=------=---------------------------------------=8o.o2x1in0kg。

c水Af4.2x103J/(kg-℃)x(10(fC-20C)

【课堂总结】

【家庭作业】

1.【云南省昆明市2014年初中学业水平考试物理试卷】如图是汽油机工作的四个冲程，其中

表

械

转

为

能

冲

是

)

ABCD

2、（多）在内燃机工作的四个冲程中，靠飞轮.惯性完成的是（）

A.吸气冲程B.压缩冲程C.做功冲程D.排.气冲程

3、一台单缸四冲程柴油机飞轮转速为1200r/min,则柴油机Is有（）

A.完成20个冲程，做功20次B.完成40个冲程，做功40次

C.完成40个冲程，做功10次D.完成20个冲程，做功10次

4、下列说法中正确的是（）

A.燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多

B.燃料的热值越小，完全燃烧单位质量的该燃料放出的热量越少

C.燃料的热值越小，放出相等的热量时，燃料用量越少

D.燃料燃烧的越充分，其热值就越大

5、要提高热机的效率，下列做法不可行的是（）

A.尽量减少废气带走的热量。

B.尽量保持机械部件之间有良好的润滑。

C.尽量减少曲轴传递给飞轮的机械能。

D.尽量减少散热损失。

4、汽油机工作时，活塞在气缸内做一次单向运动叫做一个冲程,在压缩冲程中，通过方

式使缸内混合气体内能增