13.4热机效率与环境保护

能源与环境
1、环境污染： （1）大气污染：热机燃烧的过程中放出大量的有 毒气体和烟尘，造成大气污染。 （2）噪声污染：大量的交通运输工具和由热机做 动力的机械工作时产生的噪声污染，影响人类的 正常生活，甚至危害人类健康。 2、保护环境: （1）改进燃烧设备，消烟除尘。 （2）提高燃料的综合利用，采取集中供热。 （3）充分开发利用无污染的能源。 （4）在内燃机排气管上安装消音器，减小噪声污 染。
解：（1）煤气完全燃烧放出的热量 Q放 = m煤气q煤气 = 0.5kg×4.2×107J/kg = 2.1×107J （2）水由20℃升温到70℃所吸收的热量 Q吸= C水m水Δt = 4.2×103J/(kg∙℃)×50kg×50℃ =1.05×107J
五、燃料替代的计算
例题： 有一种太阳能热水器，在晴天气温 为28℃时，每天可以将200kg的水加热到46℃， 那么每天至少能节约多少煤气？（煤气热值 q=1.8×107J/m3）
某研究小组为测量垂直于太阳光的面积为1米2 表面上，每秒钟接受到的太阳能，用自制太阳能 热水器做实验。经多次试验得到自制太阳能热水 器吸收太阳能的效率为50%。控制太阳能热水器 接受太阳光垂直照射的面积始终是2米2，太阳能 热水器内的水的质量为100千克，水的初温为 200C，经8750s时间后上升到450C【C水 =4.2×103)/(kg· ℃)】。请计算： (1)、在上述过程中太阳能热水器内的水吸收热 量是多少焦耳？ (2)、垂直于太阳光的1米2表面上，每秒钟接受 到的太阳能是多少焦耳？
十三、提高热机效率的途径
例题：关于提高热机效率的途径，下列说 法中错误的是（ ） A、尽量使燃料完全燃烧
B、尽量减少输出功率
C、尽量减小摩擦 D、尽量减少热量损失
十四、识别热机能流图
例题：一汽油机在工作时的能流图如图 所示。根据图中的数据计算该汽油机的 效率。
十五、新能源新燃料
例题：“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 放出的热量达到煤气的数十倍，说明“可燃冰” 的 热值 很大．以10倍的关系粗略计算，1kg“可 燃冰”完全燃烧放出的热量为 ，可以 使 Kg的水从20℃加热至60℃ （c=4.2×103J/Kg℃，q煤气=4.2×l07J/Kg）
D、较大的热值
十一、超过沸点的计算
例题：把0.5Kg的木炭，完全燃烧后有25% 的热量被50Kg。温度为90º C的水吸收，求 水温升高多少？（q=3.4×107J/Kg）（在 1标准大气压下）
十二、太阳辐射热计算
例题:太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备之能 热水器每小时平均接收4.2×106J的太阳能，在5小时 的有效照射时间内，将热水器中质量为100kg、初温为 20℃的水温度升高到40℃．求： (1)热水器 中的水吸收的热量Q；[水的比热容 C=4.2×103J/(kg．℃)] (2)热水器5小时内接收到的太阳能E； (3)热水器的效率η； (4)若改用煤气来加热这些水，需要完全燃烧多少千克 煤气？（煤气的热值q=4.2×107J/kg，假设煤气燃烧 放出的热量全部被水吸收） 答案：(1)8.4×106J (2)2.1×107J (3)40% (4)0.2kg
十六、地热资源
例题：地热资源越来越被人们所重视，并得到 广泛利用，例如宜春的“温汤”很早就被开发 和利用，若该处地下热水每日开采量为 3×105kg，平均水温为66℃。问：（1）如果 改用锅炉燃烧无烟煤来供热水，则每日将等量 的冷水有16℃加热到66℃。，水需要吸收多少 热量？（2）若无烟煤完全燃烧放出的热量全 部被水吸收，则每日需要多少无烟煤？〔已知 水的比热容为4.2×103J/（kg· ℃），无烟煤的 热值为3.4×107J/kg〕 （1）6.3×1010kg （2）1.85×103kg。
例题：由于国际原煤价格上涨，少数不法 商人把一种黑色石头掺在优质煤中高价出 售，辨别煤中是否掺杂了石头的最恰当方 法是检测（ ） A质量 B温度 C热值 D比热容
十、航天燃料的选择
例题：航天工业中的火箭是用液态氢作 为燃料的，这是因为液态氢具有（ ） A、较小的质量
B、较小的密度
C、较大的比热容
0.84m3
六、效率的意义
热机效率的高低决定于（ ） A热机功率的大小，功率大的效率高 B热机燃料的热值，热值大放出热量多，效率就高 C热机对燃料的利用率，利用率越高，热量损失越小， 效率就越高 D热机做功的本领，本领越大的效率就越高 例题：甲柴油机的效率比乙柴油机的效率低，这表明 （） A、甲的功率比乙小 B、甲做的功比乙少 C、甲消耗的柴油多 D、甲柴油机将内能转化为机械能的百分比小
热机真 正转变为 对外做功 的部分
锅炉 燃烧不完全 损失的能量
蒸气轮机 废气带走 的能量
发电机 电流通过导 线时发热损 失的能量
火 电 站 能 流 图
化学能 （100﹪ ）
内能
机械能
电能（30﹪）
散热损失 的能量
散热损失 的能量
克服摩擦损 失的能量
克服摩擦损 失的能量
由图可见，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。 热机效率公式 热机效率：
例题：把5kg 40℃的水烧开，需要完全燃烧 多少kg的干木柴？（已知干木柴的热值为 1.2×107J/kg，外界为标准大气压，并且燃 料完全燃烧放出的热量全部被水吸收） 解： Q吸=cm（t-t0） =4200J/(kg· ℃)×5kg×60 ℃ =1.26 ×106J；
Q放＝Q吸
m1=Q放/q = 1.2×106J/(1.2×107J/kg)=0.1kg
请同学们通过查看课本中的热值表，回答以下 问题： １．哪种燃料的热值最大？
２．哪种燃料的热值最小？ ３．火箭为什么用液态氢做燃料？ ３．计算： Ｑ＝q m
例：3kg的酒精完全燃烧可放出多少热量？ 已知：q=3.0×107J/kg m=3kg 求：Q=？ 解：Ｑ＝q m=3.0x107J/kgX3Kg=9.0x107J 答： 3Kg的酒精完全燃烧可放出9.0x107J热量．
三、热机效率
热机工作时，并不能将燃料所蕴藏的化学能 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。
讨论交流：热机工作时，能不能将燃料所
蕴藏的化学能全部用来对外做有用功呢？
热 机 燃 料 的 能 量 走 向 示 意 图
燃料很难全部燃烧， 燃料的化学能不能 全部释放
由于机械传动 等，克服摩擦 所消耗的能量
常考题型讲解
一.热值的特性
例题：一桶汽油用掉一半后，剩下的一半汽 油与原来的一桶汽油相比较（ ） A、质量变为原来的一半 B、比热容变为原来的一半 C、热值变为原来的一半 D、密度变为原来的一半
二、热值的物理意义
例题：焦炭的热值q=3.0×107J/kg，它的物 1kg焦炭完全燃烧放出的热量 理意义是： 。
为3.0×107J
三、燃料燃烧直接放热计算
例题：完全燃烧140克焦炭（焦炭的热值为 3.0×107J/kg)能放出多少热量？
四、燃料燃烧烧水的计算
例题： 用燃气灶烧水，燃烧0.5kg的煤气，使 50kg的水从20℃升高到70℃，已知水的比热容 为4.2×103J/(kg∙℃)，煤气的热值为4.2×107J/kg， 求： （1）0.5kg煤气完全燃烧放出的热量； （2）水吸收的热量。
4、燃料燃烧释放热量计算公式：
Q放=q m 或 Q放=q V
理解:三个关键词：1kg、某种燃料、完全燃烧 （1）“1kg”是指燃料的质量，如果燃料的质量不是 1kg，那么完全燃烧时放出的热量就不等于热值的数 值。 （2）“某种燃料”是指热值与燃料的种类有关，确 定了燃料的种类才能确定热值，不同的燃料有不同的 热值。 （3）“完全燃烧”是一种理想的燃烧状态，是指燃 料烧完烧尽，1kg的某种燃料只有完全燃烧放出的热 量在数值上才等于燃料的热值。 （4）热值是燃料的一种特性，只与燃料的种类有关 （5）燃料燃烧的过程是化学能转化为内能的过程
议一议 怎样提高热机的效率？
•使燃料充分燃烧;煤磨成粉末壮吹进炉膛燃烧 •尽量减少各种热量损失； •在热机的设计和制造上采用先进的技术； •注意保养，保证良好的润滑，减少因克服摩 擦阻力而额外消耗的能量。
四、环境保护
热机为人类的 发展做出了重大贡献，但也带来了许多环境污染问题。
燃料燃烧对环境的影响
例题：小明的爸爸新买了一辆小汽车，这辆汽 车的功率为20KW，小明驾驶它的时间为2h。在 这段时间内，汽车消耗的汽油为10kg，请计算： 汽车发动机的效率是多少？
（q汽油=4.6×107J/kg）
31.3%
九、利用热值鉴别物质是否掺假
例题：液化石油气的热值高达4.6×107J/ kg，一些不 法商贩为谋取暴利，常将液化石油气与价格低廉、热 值仅为2.9×107J/ kg的二甲醚混合装入钢瓶内销售给 客户．常州市质监局对某液化石油气站销售的瓶装燃 气进行检测：将质量为100kg、初始温度为31℃的水 装入容器内，用高效炉灶燃烧瓶内燃气加热容器中的 水直至100℃恰好沸腾，瓶内燃气消耗了0.84kg．通过 高效炉灶，水能吸收燃气完全燃烧释放热量的75 %． 已知水的比热容为c水=4.2×103J/(kg· ℃），问： (1）瓶内燃气的热值是多少？ (2）该液化石油气站销售的瓶装液化石油气有无掺混 二甲醚？
酸雨的危害
1.对人体健康的直接危害,硫酸雾和硫酸盐雾的毒 性比二氧化硫大得多,可以侵入肺的深部组织,引 起肺水肿等疾病而使人致死. 2.引起河流、湖泊的水体酸化,严重影响水生动植 物的生长. 3.破坏土壤、植被、森林.
4.腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料.
5.渗入地下,使水中铝、铜、锌、镉的含量比中性 地下水中高很多倍.
热机运转中，对外做的有用功与燃料完全燃烧所 W 有用 释放的能量的比值称为热机效率。