DOC《第四节 热机效率和环境保护》

第四节 热机效率和环境保护

一、课前知识准备 1.

热机工作时把 转化为 . 2.热机工作时会产生 污染和 污染. 答案:1.内能;

机械能 2.废气;

噪声

二、名师解读点拨 知识点1:燃料的热值 【思考】人类在原始社会就知道燃烧柴薪来取暖、烧饭.燃料的燃烧是一种化学反应,燃烧过程中,储藏在燃料中的化学能被释放,转变成周围物体的内能.在现代社会,人类所用能量的绝大部分依然是从燃料的燃烧中获得的.人类能使用的燃料有哪些?这些燃料有什么不同? 【点拨】不同燃料燃烧释放能量的能力是不同的,1kg某种燃料完全燃烧放出的热量,叫做这种燃料的 .热值用q表示,单位是J/kg. 答案: 热值 【注意】气体燃料的热值单位通常用J/m3. 【明确】热值是反映相同质量的不同燃料燃烧,放出的热量是不同的这一特性的物理量,不同燃料的热值不同,同种燃料的热值与燃料的质量无关.热值也是反映燃料燃烧时化学能转化为内能的本领大小的物理量. 【想一想】热值的物理意义 【点拨】查燃料热值表,柴油的热值是3.3*107J/kg,其物理意义是:1kg柴油完全燃烧释放出3.3*107J的热量. 计算4kg柴油完全燃烧释放的热量. Q=mq=4kg*3.3*107J/kg=1.32*108J. 【想一想】提高燃料利用率的途径. 【点拨】①改善燃烧条件,使燃料尽可能燃烧充分;

②尽可能减少各种热量损失. ③城市集中供热:城市集中供热,是指在城市的一个较大的区域内,利用集中的热源,向该区域内的工厂及民用建筑供应生产、生活用热.由于用大型或较大型的高效锅炉取代分散的小锅炉,使锅炉的热效率达80%~90%以上. ④热电联产:热电联产,是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起,简称CHP.热电联产将普通电厂本来废弃的热量加以利用,为工业和家庭提供廉价的取暖用热,这样可大大提高热效率. 通常的火力发电,其效率约为30%~35%.这意味着每产出1*106J的电能,就有2*106J的热量白白浪费掉.将这部分热量重新用来加热水,完全可以满足电厂附近区域的工厂和住宅区的取暖需要. 热电联产通常采用蒸汽轮机驱动发电机发电,而将废气用来对现有的锅炉装置补充加热,其总效率可达80%. 知识点2:热机效率 【思考】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? 【点拨】由热机工作时能量走向图可知,真正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.热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为 ,即η=W有/(mq). 答案:热机效率 【明确】提高热机效率的主要途径 使燃料充分燃烧;

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,减小因克服摩擦阻力而额外消耗的能量. 【辨析】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,因为各种热量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的总能量的比值必然小于1,即热机效率总小于100%. 知识点3:环境保护 【思考】燃料燃烧以及热机工作时对环境的影响 【点拨】①燃料燃烧排放的烟尘使大气十分浑浊;

②排放的二氧化硫会形成酸雨;

③排放大量二氧化碳会加剧温室效应;

④汽车尾气中的氮氧化物还会造成光化学污染;

⑤热机工作时还会产生噪声污染. 【明确】环境保护措施 ①改进燃烧设备,加装消烟除尘装置;

②集中供热;

③改用气体燃料,普及煤气和天然气;

④充分开发利用污染少和无污染的新能源.

三、拓展整合创新 类型之一:热值 【例1】干木材的热值是1.2*107J/kg,它的物理意义是_要放出3.6 * 107J的热量,需要完全燃烧_kg的干木材. 解析:其物理意义是:1kg干木柴完全燃烧放出1.2*107的热量.由Q放=qm得: 【变式题】已知酒精的热值为q,质量为m的酒精完全燃烧一半放出的热量为 ,剩余酒精的热值为 . 解析:同中燃料的热值相同,不同燃料的热值一般不同.它反映的是燃料的特性,其大小和燃料质量多少、是否完全燃烧、放出的热量大小无关. 答案:qm/2;

q 类型之二:热效率 【例2】学习了电学和热学知识后,小华通过实验得知:用电热壶将20℃、15kg的水加热到100℃,需要1.05元电费.用煤气灶做同样的实验,则需要消耗0.42元的煤气.已知水的比热容为4.2*103J/(kg .℃). (1)如果使用煤炉做同样的实验,已知煤炉燃烧所用无烟煤的热值为3.4*107J/kg,假设煤炉的热能利用率为20%,无烟煤的价格是0.34元/kg.则需花费多少钱? (2)如果某地区可以同时提供电、煤气和煤,从经济和环保等角度综合分析,你会建议使用哪种燃料?请阐明理由. 解析:(1)Q吸= cmΔt=4.2*103 J/ kg・℃*15*103kg*80℃=5.04*107J Q=Q吸/20%=2.52*107J m=Q/q=5.04*107J/3.4*107=0.741kg n=0.741*0.34=0.252(元) (2)建议选择煤气,因为煤气价格适中,且污染小. 点评:无烟煤烧水的价钱,涉及到热量计算和热值的概念的理解.面对第二问的问题,不可能只是从经济角度考虑,还要综合考虑是否方便、卫生、安全、环保等.本题要求用科学知识来进行决策和判断,渗透了节约能源和保护环境的思想. 类型之三:热机效率及环保 【例3】内燃机的大量使用,促进了社会的进步,使人们享受了现代文明,但在使用内燃机的同时又给人类带来了污染,这主要是指________污染和________污染.在内燃机工作过程中,由图3所示的内燃机能流图可以看出,它的能量损失所占的百分比是:废气内能35%,散热损失30%,机械损失10%,则内燃机的热机效率是_我们在高效利用能源的同时,也必须重视保护环境. 解析:内燃机排放的废气和烟尘造成了大气污染;

工作时还会产生噪声污染.热机转变为有用功的能量与燃料完全燃烧释放的能量的比值称为热机效率,即η=W有/(mq).即1-35%-30%-10%=25%. 答案:大气;

噪声;

25% 类型之四:综合应用创新 【例4】一辆轿车在平直的高速公路上匀速行驶1.8km,轿车上的速度表如图所示,在此过程中 (1)轿车速度为多少km/h?合多少m/s? (2)若轿车行驶过程中发动机的功率为40kW,则该车行驶中 所受阻力多大? (3)这段过程中轿车消耗汽油0.25kg,其发动机的效率多 大?(q汽油=4.6*107J/kg) 解析:这是一道力学与热学的综合试题,涉及了速度、平衡力、功、功率、热量、热值、效率等许多知识点.计算发动机的效率可根据热机的效率公式,W有即为发动机牵引力对汽车所做的功,mq等于汽油完全燃烧放出的热量. (1)轿车的速度为90km/h (2)由得: 因轿车匀速运动,受力平衡 所以阻力f=F=1600N ⑶汽油燃烧释放的热量为: 牵引力做功为: ∴发动机效率为:

四、当堂检测反馈 1.四口之家分别单独使用不同种类的燃料时的平均月消耗量分别为:木柴约200 kg,烟煤约80kg,液化石油气约30kg;

煤气约60kg.这四种燃料中哪一种燃料的热值最高? ( ) A.液化石油气 B.煤气 C.烟煤 D.木柴 答案:A 2.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 D.较大的热值 答案:D 3.柴油机是工农业生产中常用的热机,已知某型号柴油机的效率是30%,在柴油机内完全燃烧2kg柴油能放热 J,这些热通过该柴油机的转化能对外做有用功 J.(柴油的热值为3.3*107J/kg) 答案:6.6*107;

1.98*107 4.焚烧生活垃圾放出的热量用来发电,是综合利用垃圾的一种方法,据资料显示,仅2001年全国城市生活垃圾就达 1.5*108t.若焚烧1t垃圾可放出1.5*1010J的热量,如果将 2001年我国的城市生活垃圾全部焚烧,则放出的热量是_J,它相当于________kg煤炭完全燃烧放出的热量(煤炭的热值为3.0*107J/kg). 答案:2.25*1018;

7.5*1010 5.完全燃烧140 g焦炭(焦炭的热值为3.0 *107J/kg)能放出多少热量?若这些热量的30%被水吸收,则能使30kg、20℃的水温升高到多少度?

五、资料链接 温室效应 有的科学家预言,21世纪末,地球上将没有冬天.真会这样吗?现在还不好说,但地球越来越热却是事实.那么地球为什么会越来越热........