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热机的效率

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在上一节《14.2热机》中,我们讲到了热机:利用内能对外做功的机械设备。我们今天要讲的热机的效率,反映的是热机对燃料内能的利用率。

王尚老师录制了6段视频,供同学们免费学习

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热机的效率

燃料很难完全燃烧,放出的热量往往比按热值计算出的要小,而且有效利用的热量又比放出的热量要小。

显然,类似于研究《12.3机械效率》,我们非常有必要来研究《14.2热机的效率》。

燃料的热值

人类在原始社会就知道利用燃烧木柴来取暖、烧饭。

在当代社会,人类所需要的能量中有相当比例依然来源于燃料的燃烧。

燃烧相同质量的不同燃料,放出的热量是不同的。例如,燃烧1kg煤放出的热量,是燃烧1kg木柴放出热量的两倍多。

我们把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某种燃料完全燃烧放出的热量。

 

热值的公式与单位

我们把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。热值常用符号q表示。

热量与热值之间满足公式:Q=mq;

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,字母符号是J/kg。

氢的热值是1.4×108J/kg   汽油的热值是4.6×107J/kg

木柴的热值是1.2×107J/kg  无烟煤的热值是3.4×107J/kg

根据燃料的热值,我们能计算岀燃料完全燃烧时放出的热量。

燃料能量难以完全利用

燃料很难完全燃烧,放出的热量往往比按热值计算出的要小,而且有效利用的热量又比放出的热量要小。

例如用煤烧水,有效利用的热量只是被水吸收的热量。高温的烟气带走了相当一部分热量,还有一部分热量直接散失掉了。

通常的锅炉,燃料利用率比较低,因此在节约能源上改造的潜力很大。例如,取暖用的小型锅炉,如果把煤磨成煤粉或煤粒,从而加大与氧气的

接触面积,再把空气吹进炉膛,就会比煤块燃烧得更充分,从而提高燃料的利用率。

热机的效率

对于热机而言,燃料释放的能量只有一部分用来做有用功,还有相当一部分能量散失了。

热机工作时,用来做有用功的那部分能量,与燃料完全燃烧放出的能量之比,叫做热机的效率

热机的效率越高,表示热机对燃料的能量利用率越高。反之则相反。

蒸汽机的效率很低,只有6%-15%。内燃机是燃料在汽缸内充分燃烧的,因此内燃机的效率比蒸汽机要高。

汽油机的效率为20%-30%,柴油机的效率为30%-45%;

热机的效率提升

热机的效率是热机性能的重要评价指标。热机效率高,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,要不断改进和创新,以减少各种能量损失,提高效率。

在热机的能量损失中,废气带走的能量最多。设法利用废气的能量,是提高燃料利用率的重要措施。大型发电机常常用蒸汽轮机推动,为了提高燃料的利用率,人们利用蒸汽轮机排出的废气来供热,这就是热电站。这种既供电又供热的热电站比起一般的火电站来,燃料的利用率大大提高。

《热机的效率》基础知识巩固题

1、热值定义:       ,叫做这种燃料的热值。单位       。公式       。(1)酒精的热值是3.0×107J/kg,它表示       ,(2)煤气的热值是3.9×107J/m3,它表示       

2、热机的效率定义:       。公式       。提高热机效率的途经:                    

3、汽油的热值是4.6×107J/kg,其物理意义是       ,完全燃烧       克汽油所放出的热量为2.3×106J。

4、生产中要用水来作为机器的冷却剂,这是因为水的       大;火箭的材料要用液氢,是因为液氢的       大,沿海地区的气候比沙漠地区的气候更宜人,是因为水的比热容比沙子的比热容       

5、一个燃料的热值,是一个        (填固定或不固定)的值,与燃料的质量和燃料燃烧放出的热量       (填有关或无关)。

6、用无烟煤来做饭时,热量大部分是通过       方式传递给锅;若无烟煤的热值是3.4×107J/kg,完全燃烧0.5kg无烟煤能放出       J的热量;饭菜做好时,厨房弥漫着饭菜的香味,说明       

7、由热值的定义可知       

A、燃料完全燃烧时放出的热量越多,热值越大

B、相同质量的不同燃料,完全燃烧时放出的热量越多的燃料,其热值越大

C、燃料完全燃烧时,温度升的越高,该燃料的热值越大

D、单位质量的燃料燃烧时,放出的热量越多,其热值越大

8、下列现象中,最能说明燃料燃烧时放出的热量与燃料的种类有关的是       

A、5g的汽油完全燃烧比2g的汽油完全燃烧时放出的热量多

B、4g的木炭完全燃烧比4g的汽油完全燃烧时放出的热量少

C、5g的汽油完全燃烧比5g的汽油不完全燃烧时放出的热量多

D、5g的汽油完全燃烧比1g的酒精完全燃烧时放出的热量多

9、甲、乙两种汽油机,甲的效率比乙的高,则       

A、甲每秒钟做的功比乙每秒钟做的功多

B、甲消耗的汽油比乙消耗的汽油少

C、消耗同样多的汽油,甲做的有用功比乙做的有用功多

D、做同样多的有用功,甲消耗的汽油比乙消耗的汽油多

10、甲、乙两台柴油机,甲的效率低于乙的效率,意义是       

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、乙将燃料燃烧放出的能变成有用功的那部分能的比例高于甲

D、工作相同时间,甲消耗的燃料一定比乙少

《热机的效率》基础知识巩固题答案

1、某种燃料完全燃烧放出的热量与其质量之比   焦耳/千克   Q=mq(q为热值)。   1kg酒精完全燃烧时放出的热量是3.0×107J   1m3煤气完全燃烧时放出的热量是3.9×107J

2、热机用来做有用功的那部分能量和完全燃烧放出的能量的比叫做热机的效率   η=W有用/Q=W有用/mq   使燃料充分燃烧   尽量减少各种热量损失   机件间保持良好的润滑,减小摩擦

3、1kg汽油完全燃烧时放出的热量是4.6×107J   50

4、比热容   热值   大

5、固定   无关

6、热传递   1.7×107   分子在不停地做无规则运动

7、B

8、B

9、C

10、C

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