解讀熱值和熱效率

熱值和熱效率是初中熱學(xué)中兩個(gè)重要的概念.許多同學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)將熱值誤解為熱量，不能理解熱效率中有效能量與總能量的關(guān)系.下面對(duì)熱值和熱效率這兩個(gè)概念進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期能對(duì)同學(xué)們有所幫助.

一、熱值

（一）概念理解

1.從我們的生活經(jīng)驗(yàn)事實(shí)可知，做一頓飯所需的熱量是一定的，但所需的煤火或燃?xì)獾馁|(zhì)量大小是不同的.這正好表示質(zhì)量相同的不同燃料完全燃燒放出的熱量是不同的.我們把用1kg的某種燃料完全燃燒所放出的熱量叫做這種燃料的熱值.

2.從這個(gè)定義可知，同種燃料的熱值相同，不同種燃料的熱值一般不同.它反映的是燃料的特性，其大小與燃料質(zhì)量大小、是否完全燃燒、放出熱量的多少無(wú)關(guān)，但在數(shù)值上等于一定質(zhì)量的燃料完全燃燒放出的熱量（Q）與其質(zhì)量（m）的比值.熱值通常用字母q來(lái)表示，計(jì)算公式是q=Q／m.熱值的單位是：焦耳每千克（J／kg）.對(duì)于一些氣體燃料，有時(shí)也用單位體積的某種燃料完全燃燒所放出的熱量來(lái)表示這種燃料的熱值，計(jì)算公式是q=Q／V，單位是J／m3.對(duì)于熱值的概念，要注重理解三個(gè)關(guān)鍵詞“1kg”“某種燃料”“完全燃燒”.1kg是針對(duì)燃料的質(zhì)量而言，如果燃料的質(zhì)量不是1kg，那么該燃料完全燃燒放出的熱量就不是熱值.某種燃料：說(shuō)明熱值與燃料的種類有關(guān).完全燃燒：表明要完全燒盡，否則1kg燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能就不是該熱值所確定的值.

3.在工業(yè)中，熱值也叫“發(fā)熱量”，是表示燃料質(zhì)量（好壞）的重要指標(biāo)之一.

（二）例題解析

例1 關(guān)于燃料的熱值，以下說(shuō)法中正確的是（ ）.

A.燃料的熱值與燃料的燃燒情況無(wú)關(guān)

B.容易燃燒的燃料，熱值一定大

C.煤的熱值大于干木柴的熱值，燃燒煤放出的熱量一定比燃燒干木柴放出的熱量多

D.為了提高鍋爐的效率，一定要用熱值高的燃料

解析 熱值是燃料的一種特性，它只與燃料的種類有關(guān)，而與燃料的質(zhì)量、燃燒與否無(wú)關(guān)，故B錯(cuò).燃料燃燒時(shí)放出的熱量與燃料的熱值、燃料的質(zhì)量、燃燒是否完全有關(guān)，選項(xiàng)C中只知道煤的熱值較干木柴的大，兩者的質(zhì)量關(guān)系、燃燒是否完全并不知道，因此不能確定誰(shuí)放出的熱量多.爐子的效率與燃料燃燒的完全程度和熱量散失程度有關(guān)，與燃料的熱值大小無(wú)關(guān)，答案選A.

例2 一桶煤油用掉了一半，則剩下的煤油（ ）.

A.密度和熱值不變，比熱容減為原來(lái)的一半

B.比熱容和密度不變，熱值減為原來(lái)的一半

C.熱值和比熱容不變，密度減為原來(lái)的一半

D.密度、熱值和比熱容都不變

解析 物質(zhì)的密度、熱值和比熱容都是表現(xiàn)物質(zhì)基本屬性的物理量，因此對(duì)于給定的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，這三個(gè)物理量的數(shù)值都不會(huì)發(fā)生變化.答案選D.

例3 完全燃燒2kg汽油放出多少熱量？要放出6.0×106J的熱量，需完全燃燒多少g酒精？（q汽油＝4.6×107J／kg，q酒精＝3.0×107J／kg）

解析 汽油的熱值為4.6×107J／kg，表示完全燃燒1kg汽油放出的熱量為4.6

×107J，完全燃燒2kg汽油放出的熱量Q

=mq=2kg×4.6×107J／kg=9.2×107J.酒精的熱值是3.0×107J／kg，表示完全燃燒1kg酒精放出的熱量為3.0×107J.放出6.0×106J的熱量，需完全燃燒的酒精的質(zhì)量m=Q／q=6.0

×106J／3.0×107J／kg=0.2kg=200g.

例4 賣火柴的小女孩在嚴(yán)寒中只能靠點(diǎn)燃火柴取暖.一根火柴的質(zhì)量約為0.065g，火柴的熱值平均為1.2×107J／kg，求一根火柴完全燃燒能使1m3的空氣溫度升高多少攝氏度？〔已知空氣的密度為1.3kg／m3，比熱容為1×103J／（kg·℃）〕

解析 設(shè)火柴完全燃燒釋放的熱量全部被空氣吸收，即Q吸=Q放，cm1Δt=qm2

所以完全燃燒一根火柴能使1m3的空氣升高的溫度為：

Δt=qm2／cm1=qm2／cρV=1.2×107J／kg

×0.065×10-3kg／［1×103J／（kg·℃）×1.3kg／m3

×1m3］=0.6℃.

小結(jié) 本題把燃料燃燒的放熱公式、熱量的計(jì)算公式與密度知識(shí)結(jié)合起來(lái)，具有一定的綜合性.應(yīng)用公式時(shí)要注意其適用條件和范圍.

例5 對(duì)于氣體燃料（例如煤氣或石油液化氣）來(lái)說(shuō)，其熱值可以定義為：“1m3某種氣體燃料完全燃燒所放出的熱量叫做該氣體燃料的熱值.”某同學(xué)根據(jù)家庭現(xiàn)有的條件，設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)定管道煤氣熱值的實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的：取一定質(zhì)量的水（m水／kg）放入鍋中，用溫度計(jì)測(cè)得水的初溫（t1／℃），讀出煤氣表的示數(shù)（V1／m3）.然后點(diǎn)燃煤氣灶具給水加熱，當(dāng)溫度計(jì)的示數(shù)為（t2／℃）時(shí)關(guān)閉煤氣閥門，讀出煤氣表的示數(shù)（V2／m3）.該同學(xué)先根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水吸收的熱量Q；然后用水吸收的熱量Q和煤氣表的示數(shù)差V（V2-V1，即所用煤氣的體積），根據(jù)q=Q／V計(jì)算出煤氣的熱值q.你認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案是否可行？ ；理由是： .

解析 本題中水吸收熱量通過(guò)公式計(jì)算得出，但水吸收的熱量只是煤氣燃燒放出熱量的一部分，即存在熱量使用率的問(wèn)題.

答案 不可行.理由是給水加熱過(guò)程中，煤氣不可能完全燃燒，同時(shí)放出的熱量也不可能全部被水吸收.

二、熱效率

（一）概念理解

1.在能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，有效利用的能量和提供的總能量的比值即為熱效率，它反映了能量的利用率，是衡量各種爐子或熱機(jī)能量利用率的重要指標(biāo).

2.關(guān)于熱機(jī)的效率

熱機(jī)中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功的熱量與所消耗的熱量的比值.公式η=W有用／Q總.W代表做功，Q代表熱量.也可理解為，你得到的與付出的比值就是效率.熱機(jī)消耗的熱量通常是燃料燃燒放出的熱量，理論上按Q=mq來(lái)計(jì)算.通常汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為30％左右，非直噴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)通常為35％左右，而TDI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油被直接噴射到燃燒室內(nèi)，其燃燒效率可以達(dá)到43％.瓦特對(duì)蒸汽機(jī)的改良就是一個(gè)提高熱效率的過(guò)程.

3.關(guān)于加熱裝置的效率

加熱裝置的熱效率是指，在各種加熱裝置中，有效利用的熱量與燃料完全燃燒放出的熱量之比.公式：η=Q有效／Q總.爐子消耗的熱量通常是燃料燃燒放出的熱量，理論上按Q=mq來(lái)計(jì)算.被有效利用的一般是被水吸收的熱量等.

4.若是太陽(yáng)能熱水器，則其效率可用η

=Q有效／Q總=cmΔt／（Q0St），Q0為單位時(shí)間內(nèi)單位面積上太陽(yáng)輻射的能量，S為熱水器接收太陽(yáng)光的面積，t為太陽(yáng)照射時(shí)間.若是電加熱器，其效率可用η=Q有效／Q總=cmΔt／Pt表示，P為電加熱器的電功率，t為加熱時(shí)間.

（二）例題解析

例1 如圖為汽油機(jī)做功沖程的示意圖.若某型號(hào)單缸四沖程汽油機(jī)的功率為4.6kW.如果此工作狀態(tài)下每分鐘消耗20g汽油，那么汽油機(jī)的效率是多少？（q汽=4.6×107J／kg）

解析 知道汽油的質(zhì)量和汽油的熱值，利用燃料完全燃燒放熱公式Q放=mq求出汽油完全燃燒放出的熱量.汽油完全燃燒放出的熱量：

Q放=mq=0.02kg×4.6×107J／kg=9.2×105J.

而每分鐘內(nèi)汽油機(jī)做功

W=Pt=4.6×103W×60s=2.76×105J，

則效率為

η=Ｗ有用／Q總=2.76×105J／9.2×105J=30%.

例2 用天然氣灶燒水，燃燒0.5m3的天然氣，使100kg的水從20℃升高到70℃.已知水的比熱容c=4.2×103J／（kg·℃），天然氣的熱值q=7.0×107J／m3.求：（1）0.5m3的天然氣完全燃料放出的熱量Q放.（2）水吸收的熱量Q吸.（3）燃?xì)庠畹男师?

解析 第（1）（2）問(wèn)可分別直接利用公式Q放=qV、Q吸=cm（t-t0）代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算即可；第（3）問(wèn)燃?xì)庠畹男示褪侵杆盏臒崃颗c天然氣放出熱量的比值.

解答 （1）Q放=qV=7.0×107J／m3×0.5m3

=3.5×107J；

（2）Q吸=cm（t-t0）=4.2×103J／（kg·℃）

×100kg×（70℃-20℃）=2.1×107J；

（3）燃?xì)庠畹男师?Q吸／Q放=2.1×107J／3.5×107J=60%.

例３ 某品牌太陽(yáng)能熱水器集熱器面積為S=2m2，熱效率為η=40%（即熱水器能將照射到玻璃吸熱管上的太陽(yáng)能的40%轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能），該地點(diǎn)太陽(yáng)能輻射到地面的平均功率為P=1.4×103W／m2（即平均每平方米每秒鐘太陽(yáng)輻射能為1.4×103J）.若使100kg水溫度上升40℃則需要加熱多少小時(shí)？

解析 由題可知水吸收的熱量用公式Q=cm（t-t0）進(jìn)行計(jì)算.理解清楚熱效率的概念，用功率求時(shí)間，注意題中給出的功率是單位面積的功率.

解答 Q=cm（t-t0）=4.2×103J／（kg·℃）×100kg×40℃=1.68×107J

t=W／P=Q／PSη=1.68×107J／（1.4×103W／m2×2m2×40%）=1.5×104s=4.17h.