12.4 热机效率和环境保护
课前自我构建
1.燃料是宝贵的能源.五十万年前，我们的祖先就用木柴燃烧取暖、照明，用火把驱赶野兽，后来用火煮熟食物．当今社会，人们对燃料的燃烧利用得更加广泛，利用它可以炒菜做饭，利用它可以航海、航天．燃料如此重要，那么，你知道哪些物质可以做燃料吗?不同的燃料燃烧时释放的能量相同吗?
[预习课本回答](1)把 某种燃料 放出的能量，叫做这种燃料的热值．它的符号是 ，单位
是 ，气体燃料的热值单位是 。
(2)公式Q＝mq中，Q代表 ,m代表 ，q代
表 .
(3)汽油的热值是 ，它表示 ·
2．热机是把燃料燃烧释放的内能转化为机械能的装置．可是燃料燃烧释放的能量并不能完全有效地用来推动活塞做功，这是怎么回事呢?
[预习课本回答](1)热机 的能量与 的能量的比值称为热机效率
(2)为合理利用能源，人们一直在努力提高热机效率，其主要途径
是 ．首先要 ．其次
要 。
(3)各种热机效率是不同的，蒸汽机效率只有 ，汽油机效率约是 ,柴油机效率约是 ，飞机上的喷气发动机效率能达到 ．
3．酸雨是近几十年来由于工业的发展形成的对动植物非常有害的自然现象．它是怎么形成的呢?
[预习课本回答]燃料燃烧排放的 ，使大气十分混浊；排放的 、 和 还会形成酸雨．
教材知识类析
一、燃料的热值
1．燃料燃烧时能的转化
现代社会中，人类使用的能量绝大部分是从燃料的燃烧中获得的，燃料的燃烧是一种化学变化，在燃烧过程中，燃料的化学能转化为内能，也就是常说的释放能量．
2．燃料热值的意义
燃料的种类很多，由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料在完全燃烧时放出热量不同．在物理学中就用燃料的热值来表示燃料在完全燃烧时放热本领的大小.也就是我们俗语中的，燃料顶烧不顶烧．
3．定义
1 kg的某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值(heat value)．
由定义可知热值的单位是“焦／千克”，符号“J／kg”，气体燃料的热值单位通常用J／m．
4．热值的物理意义
表示一定质量的燃料在完全燃烧时所放出热量的多少．如木炭的热值为3．40×10J／kg，它表示：1kg的木炭完全燃烧时所放出的热量是3．40×10J．同种燃料的热值相同，不同燃料的热值不同．
5.放出热量的计算
如果用m表示完全燃烧燃料的质量，用q表示该种燃料的热值，用Q放表示燃料完全燃烧时所放出的热量，则：
Q放=／m·q 其中：m的单位是kg，q的单位是J／kg，Q放的单位是J．
6．正确理解燃料的热值
(1)理解热值的意义是本节的重点，对于热值的定义，我们要抓住其中的三个关键词：1 kg；某种燃料；完全燃烧．
“1 kg”指出热值是针对一定质量的燃料而言的，这一定质量是1 kg．如果燃烧的不是1 kg燃料，那么，完全燃烧时放出的热量值与热值的数值便不同
“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，不同燃料有不同的热值．由此可见，热值反映了燃料燃烧的特性，热值大，反映1 kg的这种燃料完全燃烧放出的热量多，或者说，化学能转化成的内能多．
“完全燃烧’’的含义是烧完、烧尽．1 kg的某种燃料，只有在完全燃烧时放出的热量才是这种燃料的热值，如果没有完全燃烧放出的热量就比热值小． 773
(2)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．
二、热机效率
1．热机能量的损失
(1)燃料未能完全燃烧
由于燃料的优劣，内燃机气缸与活塞的密封程度等原因，热机不可能将燃料完全燃烧，这必将有一部分能量损失．不过，这里损失的能量很小．
(2)废气带走很大一部分能量
四冲程内燃机的一个工作循环，排气冲程将气缸中的废气排放掉，但此时废气的温度仍很高，内能较大．
(3)一部分能量消耗在散热上
热机大部分是由金属组成的，金属是热的良导体，传递了部分燃料燃烧所释放的热量，所以散热也是能量损失的一个方面．
(4)克服摩擦做功
活塞和曲轴在运动时要克服摩擦做功，这部分能量也要靠燃料燃烧的内能来提供．
2．热机的效率
(1)定义：热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量的比值称为热机效率．
(2)公式
：
注意：由于热机在工作过程中，总有能量损失，所以热机的效率总小于1，汽油机的效率为20％一30％，柴油机的效率为30％～45％．柴油机的效率比汽油机的效率高，这主要是因为柴油机的构造和工作过程与汽油机有所不同，因为柴油机在压缩冲程中的压缩比比汽油机更大．
3．提高热机效率的主要途径
(1)使燃料充分燃烧． (2)尽量减少各种热损失． (3)在热机的设计和制造上，采用先进的技术．
(4)使用时，注意保养，保证良好的润滑，合理调整运动零件之间的间隙，减少因克服摩擦阻力而额外消耗的功．
4．想想议议
热机的效率能达到100％吗?为什么?
不能达到100％．
因为热机中可用于做有用功的能量只是燃料完全燃烧所放出的能量的一部分，因为各种热损失以及燃烧条件的限制，这部分能量远远小于总能量，所以其与燃料完全燃烧所放出总能量的比值必然小于甚至远远小于1，即热机效率总小于100％．
三、环境污染和环境保护
1．废气污染
热机燃料在燃烧过程中能放出一定量的有毒气体和粉尘，这些气体和粉尘都会污染空气，有害于人类的健康和动植物的正常生长，产生的酸雨有害于农、林、渔业．
导致城市污染的主要原因是各种车辆排放的废气；导致环境污染的主要原因是燃料燃烧后的废气、废渣，以及各种废液的排放．
2．噪声污染
热机以及热机带动的机器产生的噪声是环境污染的又—方面．
3．内能的利用与环境的关系
既要有效地利用能源，又要很好地控制和消除污染，人类有能力开发和利用自然资源，也必然有能力保护环境，创造一个更加美好的生存环境．
4．燃煤产生的主要有害物质及其对人类的危害
综合例题剖析
题型一 燃料的热值
例1 关于燃料的热值，以下说法正确的是( )
A．热值大的燃烧放出热量一定
多 B．燃料的热值与燃料的燃烧情况无关
C.容易燃烧的燃料，热值一定
大 D．选用热值大的燃料可以提高燃料的利用率 分析：燃料的热值是1 kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，它只与燃料种类有关，而与燃料的质量、燃料是否燃烧、燃料是否完全燃烧等因素无关．A中没有涉及燃料的质量问题，C中容易燃烧不能代表热值的情况，D中燃料利用率的提高在于对某一种燃料放出能量的利用好坏；与热值无关．
答案：B
例2 (2004·内江)已知烟煤的热值是2．9×10J／kg，那么( )
A．2 kg烟煤燃烧时—定放出5．8×10J的热量 B．1 kg烟煤完全燃烧时一定能放出2．9×10 J的热量
C．1 kg烟煤温度降低1℃释放出2．9×10J的热量 D．10kg烟煤的热值2．9×10J的热量
分析：这道题考查燃料的热值的概念，选项A缺“完全”；选项C把热值的含义与比热的含义搞混了；选项D没有认识到热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃料的燃烧放出热量的多少无关，正确答案选择B．
答案：B
题型二 热机的效率
例3 (2004·天津) 一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽抽屉散热损失占25％，废气带走的能量占30％.摩擦等机械损耗占10％，则它的机械效率
为 .
分析：内燃机的机械效率是用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出的能量的比例．由题意可知，n=1—25％一30％一10％、=35％．
答案：35%
例4 (2004·成都课改区)以下提高热机效率的方法，错误的是( )
综合例题剖析
题型一 燃料的热值
例1 关于燃料的热值，以下说法正确的是( )
A．热值大的燃烧放出热量一定
多 B．燃料的热值与燃料的燃烧情况无关
C.容易燃烧的燃料，热值一定
大 D．选用热值大的燃料可以提高燃料的利用率 分析：燃料的热值是1 kg某种燃料完全燃烧时放出的热量，它只与燃料种类有关，而与燃料的质量、燃料是否燃烧、燃料是否完全燃烧等因素无关．A中没有涉及燃料的质量问题，C中容易燃烧不能代表热值的情况，D中燃料利用率的提高在于对某一种燃料放出能量的利用好坏；与热值无关．
答案：B
例2 (2004·内江)已知烟煤的热值是2．9×10J／kg，那么( )
A．2 kg烟煤燃烧时—定放出5．8×10J的热量 B．1 kg烟煤完全燃烧时一定能放出2．9×10 J的热量
C．1 kg烟煤温度降低1℃释放出2．9×10J的热量 D．10kg烟煤的热值2．9×10J的热量
分析：这道题考查燃料的热值的概念，选项A缺“完全”；选项C把热值的含义与比热的含义搞混了；选项D没有认识到热值只与燃料的种类有关，与燃料的质量、燃料的燃烧放出热量的多少无关，正确答案选择B．
答案：B
题型二 热机的效率
例3 (2004·天津) 一台内燃机运行时各种能量损耗大致为：汽抽屉散热损失占25％，废气带走的能量占30％.摩擦等机械损耗占10％，则它的机械效率
为 .
分析：内燃机的机械效率是用来做有用功的那部分能量占燃料完全燃烧放出的能量的比例．由题意可知，n=1—25％一30％一10％、=35％．
答案：35%
例4 (2004·成都课改区)以下提高热机效率的方法，错误的是( )
A．尽量减小热机功率 B.尽量使燃烧充分燃料 C.保证传动部分良好的润滑 D．尽量减少各种热散失
分析：功率与效率无关．A错.B、C、D、所述方法都能减少能量损耗，提高热机效率，故本题选A．
答案：A
例5 —辆汽车牵引力是4×103N,行驶10km消耗3kg汽油，这辆汽车的效率是多少?
分析：本题是力、热综合问题．两部分知识联系的桥梁是能量转化的数量及功、热量数值的计算，同时考查热机效率等概念．
汽车所做有用功W=Fs=4×10N×104m＝4×10J
∴有用机械功Q有=W=4×10J
汽油完全燃烧产生的热量 Q总＝qm＝4．6×10J/kg×3 kg=1．38×10J
根据热机效率的定义可得78737
答案：29％
题型三 环境污染和环境保护
例6 联系实际谈谈在环境保护方面应采取的措施．
(1)改进燃烧设备，消除烟
尘． (2)提高燃料的综合利用，采取集中供热．
在北方的取暖设备中,就是采用锅炉烧的水蒸气供给各家各户的散热管,这样减少了大气污染;
在城市使用的管道煤气和液化气,提高了燃料的利用率,也改善了环境.
(3)充分开发利用污染少和无污染的能源，如太阳能的利用． (4)在内燃机排气管上安装消音器，以减少噪声污染．
(5)大力开展植树、种草使空气得到净化．
例7 下列供热方式最有利于环境保护的是( )
A．用煤做燃料供热 B．用石油做燃料供热 C.用天然气或煤气做燃料供热 D.用太阳能供热
分析：煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有的粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气.而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广．
答案：D
例8 (2004·成都课改区)农作物的秸秆是一种宝贵的资源，但不少农民在收割后为了方便，在农田里大量焚烧秸秆，其害处是(举出两个)：
分析：这样浪费了能源，生成的烟尘、气体又污染了环境．
答案：浪费资源 污染空气
创新实践应用
一、物理与生活
例1 学校在室温20℃时，每天向学生供100 kg开水．烧这些水若分别用干木柴、烟煤、汽油三种燃料，在完全燃烧的情况下，需多少kg干木柴?多少kg烟煤?多少kg汽油?(设燃料完全燃烧放出的热量全部被水吸收)
分析：本题考查了热量计算公式Q＝cm△t，由此公式可求出100kg、20℃的水升高到100℃时吸收的热量，即燃料完全燃烧放出的热量，依据Q＝mq求出燃料的质量．
100 kg水从20℃加热到100℃吸收的热量为 Q吸=cm△t＝4．2×103J／(kg·℃)×100 kg×(100℃一20 ℃)
Q吸=3．36×10J
燃料完全燃烧放出热量 Q放＝Q水吸＝
3．36×10J 77
由公式Q＝mq
，推得
77 由热值表中查得干木柴的热值q1＝1．2×10J／kg，烟煤的热值q2＝2．9×10J／kg，
汽油的热值q3＝4．6×10J／kg 7
答案：需2．8 kg：干木柴，1．16 kg烟煤，0．73 kg汽油．
例2 关于提高热机效率的途径，下列说法中错误的是( )
A．尽量使燃料充分燃烧 B．尽量减少输出功
率 C．尽量减少摩擦 D．尽量减少热量的损失
分析：热机的效率和热机的功率是两个不同的概念且无直接联系．内燃机工作过程中．由于存在各种能量损失，热机效率总小于1，损失的主要途径是：燃料燃烧不充分，废气带走内能，散热损失部分内能及克服摩擦做功的机械能损失，减少能量损失
是提高热机效率的直接方法．所以A、C、D选项是正确的，B是错误的．
答案：B
二、开放与创新
例3 如图12—23所示是锅炉工作时的外景，存在的主要问题是什么?
分析：善于观察，并对观察的现象进行分析和概括是学习和理解知识的重要方法，即要求同学们能透过现象看本质．
由图中的浓烟滚滚，想到燃料燃烧的不充分，废气中含有粉尘造成大气污染．
答案：(1)燃料燃烧不充分，且烟气带走大量热量，造成
能量损失．(2)造成大气污染，导致“温室效应”和“酸雨”．
例4 天然气是一种清洁能源,国家“西气东输”重点工程的建设已于2002年国庆期间部分投入使用.对保
护环境和解决内地省区能源问题都有重大意义．天然气的热值约为8.7×10J／m， 从新疆吐—哈油田往上海每输送100m3的天然气，相当于输送
了 的能量．
分析：天然气的热值约为8．7×10J／m，现要求100m的天然气完全燃烧放出的能量．由Q=mq可得，此式中的质量m应为体积v＝100m，则Q＝Vq＝100m×8．7×10J／m=8．7×10J． 答案：8．7×10J
三、学科渗透
例5 酸雨是怎样形成的?它有什么主要危害?
答案：因为内能的来源主要由燃料的燃烧获得，而燃烧一种氧化反应，反应生成的二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳以及氮氧化合物都是酸性气体，这些气体与高空水蒸气结合就形成酸或酸性液体，落到地面形成酸雨．它的主要危害是对人呼吸道、皮肤裸露部分有强烈的刺激和腐蚀作用，且对农作物、水生动植物有严重的危害，使这些动植物大量死亡或退化、减产等，现已引起人们的高度重视．
例6 报载，在南美一些国家的原始丛林中发现大量奇怪的青蛙、蚂蚁等动物，有些甚至有剧毒且会攻击人类，这是怎么回事?
答案：由于这些国家近几年来加快了工业化的进程，国民经济发展迅速，但同时由于大量地使用燃料获取内能，造成十分严重的大气污染，从而导致许多野生动、植物发生变异，所以出现上述现象．
四、探究学习
例7 (2003·甘肃)某校每天需将10kg、20 ℃的水烧开供师生饮用．
(1)试计算每天烧开水所需的热量是多少?
(2)若分别使用煤炭、煤气、天然气做燃料，根据课本中的知识和你的生活经验，简述使用哪种燃料对大气污染程度最重以及它对大气的污染物主要是什么?
分析：本题既考查了水的比热容、热量计算公式Q＝cm△t又考查了环境污染问题，煤和石油的燃烧会产生二氧化硫，空气在高温下参加反应会产生氮氧化物，燃烧不完全会产生粉尘和一氧化碳，而煤气、天然气等气体燃料的洁净的燃烧、低污染的排放能减少大气污染，保护环境． 答案：(1)Q＝cm△t＝4．2×10J／(kg。℃)×10kg×(100℃一20℃) ＝3．36×10J 937973
(2)煤炭对大气污染最严重，它对大气的主要污染物是粉尘、二氧化硫等．
中考信息链接
1．命题方向
本节重点考查燃料热值的概念和单位，对燃烧过程能量转化的理解，热机效率在中考中偶尔出现，主要是热机效率的定义，提高热机效率的途径．随着人们环保意识的提高，环境保护在近年的中考中也开始涉及了，今后的考试很有可能向理论联系实际方向发展。通常采用的题型有填空、选择、计算等．
2．热点考题举例
例l (2004·昆明)热机是将 能转化为机械能的机器；图12—24所示是热机的 冲程；热机工作时对环境造成的污染有 (填一种污染)．
分析：由图知，两气门关闭，活塞向下运动，符合做功冲程特点；热机对环境的污染有两种：大气污染、噪声污染．
答案：内 做功 噪声污染．
例2 (2003·吉林)在我国实施的“西气东输”工程中，西部地区的天然气被输送到缺乏能源的东部地区．天然气与煤相比，从热学角度分析它突出的优点
是 。从环保角度分析它突出的优点是 。(天然气、煤的热值分别为1．14×10J／kg、3×10J／kg)
分析：环保意识的增强，使人们开始注意燃料热值的大小，污染的大小等等． 答案：热值大(或完全燃烧相同质量的燃料放出的热量多) 污染小(或无污染) 在线课本作业
1．完全燃烧5 kg无烟煤，能释放出多少热量?
分析：查燃料热值表知，无烟煤的热值 q＝3．4×10J/kg。
由公式Q＝mq可求出完全燃烧5 kg无烟煤释放的热量Q=mq=5 kg×3．4×10J／kg＝1．7×10J
答案：1．7×10J
2．完全燃烧200g煤油放出的热量相当于完全燃烧多少干木柴放出的热量?
分析：查燃料热值表知，q煤油＝4．6×10J／kg，q木＝1．2×10J／kg由题意知，欲使干木柴放出的热量等于煤油放出的热量，则Q煤油=Q木
m煤油q煤油=m木q木
答案：0．77 kg
3．热机(如汽车、拖拉机的发动机等)是将燃料的内能转化为机械能的装置,热机的发展和应用推动了社会的快速发展．热机在能的转化过程中不可避免地要损失一部分能量，并且会对环境造成—定程度的污染．请指出热机工作过程中存在的各种形式的能量损失，同时指出可能造成哪些环境污染．
答案：热机工作过程中，排出的废气要带走一部分内能，机械传动等克服摩擦要消耗机械能，间接消耗燃料燃烧放出的内能，燃料很难全部燃烧，其化学能不能全部释放，机械本身是热的良导体，把一部分内能向外界散失，这些是热机能量损失的主要途径．
热机造成的环境污染主要是废气污染和噪声污染．
发散思维演练
1．关于燃料的热值，下列说法中正确的是( )
A．燃料的热值越大，燃烧时达到的温度就越高 B．燃料的热值越大，燃烧时放出的热量就越多
C．燃料燃烧越充分，则燃料的热值就越大 D．燃料的热值与燃料的质量以及燃烧情况无关
2．有—箱木炭，它的质量为10 kg，其热值为3．4×10J／kg．若用掉一半，剩下的木炭的热值为 ，半箱木炭燃烧最多放出的热量
是 .
3．酒精的热值是3．0×10J／kg，比热容是2．4×10J／(kg·℃)；蓖麻油的比热容是
1．6×10J／(kg·℃)，以上说法中正确的是( )
A．1 kg酒精温度升高1℃吸收的热量是
3．0×10J B．1 kg酒精完全燃烧放出的热量是2．4×10J
C.1kg酒精完全燃烧放出的热量等于5/3kg蓖麻油温度降低10℃放出的热量 D．以上都不对
4．减少大气污染的措施是：(1)改
进 ;
(2)采
取 ;
(3)城市普
及 和 .
5．(2004·海口课改区)能源开发和利用都有积极和消极的因素，仔细阅读下面的表格，并将其补充完整．
6．(2004·河北)目前，化石燃料是人类生产、生活的主要能源，随着全球能量需求的增长，化石燃料等不可再生能源将日趋枯竭．世界各国人民的节能意识正在日趋增强(图12—25是我国节能标志)，科学家也在开发新能源、研制节能产品、提高化学能的转化效率等方面，做着积极的努力，请回答：
(1)有待继续开发、利用的能源有哪些(至少答3种)?
(2)生产、生活中存在着化学能和电能的相互转化，请你举—个在使用中由化学能转化为电能的例子