解讀熱值和熱效率

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

一、熱值

（一）概念理解

1.從我們的生活經(jīng)驗事實可知，做一頓飯所需的熱量是一定的，但所需的煤火或燃氣的質(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來表示，計算公式是q=Q／m.熱值的單位是：焦耳每千克（J／kg）.對于一些氣體燃料，有時也用單位體積的某種燃料完全燃燒所放出的熱量來表示這種燃料的熱值，計算公式是q=Q／V，單位是J／m3.對于熱值的概念，要注重理解三個關(guān)鍵詞“1kg”“某種燃料”“完全燃燒”.1kg是針對燃料的質(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）的重要指標之一.

（二）例題解析

例1 關(guān)于燃料的熱值，以下說法中正確的是（ ）.

A.燃料的熱值與燃料的燃燒情況無關(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、燃燒與否無關(guān)，故B錯.燃料燃燒時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，比熱容減為原來的一半

B.比熱容和密度不變，熱值減為原來的一半

C.熱值和比熱容不變，密度減為原來的一半

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，因此對于給定的物質(zhì)來說，這三個物理量的數(shù)值都不會發(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寒中只能靠點燃火柴取暖.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、熱量的計算公式與密度知識結(jié)合起來，具有一定的綜合性.應(yīng)用公式時要注意其適用條件和范圍.

例5 對于氣體燃料（例如煤氣或石油液化氣）來說，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)計了一個測定管道煤氣熱值的實驗.實驗是這樣進行的：取一定質(zhì)量的水（m水／kg）放入鍋中，用溫度計測得水的初溫（t1／℃），讀出煤氣表的示數(shù)（V1／m3）.然后點燃煤氣灶具給水加熱，當溫度計的示數(shù)為（t2／℃）時關(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)計算出實驗過程中水吸收的熱量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計算出煤氣的熱值q.你認為這個實驗方案是否可行？ ；理由是： .

解析 本題中水吸收熱量通過公式計算得出，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題.

答案 不可行.理由是給水加熱過程中，煤氣不可能完全燃燒，同時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能量利用率的重要指標.

2.關(guān)于熱機的效率

熱機中轉(zhuǎn)變?yōu)闄C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.熱機消耗的熱量通常是燃料燃燒放出的熱量，理論上按Q=mq來計算.通常汽油發(fā)動機熱效率為30％左右，非直噴柴油發(fā)動機通常為35％左右，而TDI發(fā)動機的燃油被直接噴射到燃燒室內(nèi)，其燃燒效率可以達到43％.瓦特對蒸汽機的改良就是一個提高熱效率的過程.

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來計算.被有效利用的一般是被水吸收的熱量等.

4.若是太陽能熱水器，則其效率可用η

=Q有效／Q總=cmΔt／（Q0St），Q0為單位時間內(nèi)單位面積上太陽輻射的能量，S為熱水器接收太陽光的面積，t為太陽照射時間.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為加熱時間.

（二）例題解析

例1 如圖為汽油機做功沖程的示意圖.若某型號單缸四沖程汽油機的功率為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）燃氣灶的效率η.

解析 第（1）（2）問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)計算即可；第（3）問燃氣灶的效率就是指水吸收的熱量與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）燃氣灶的效率η=Q吸／Q放=2.1×107J／3.5×107J=60%.

例３ 某品牌太陽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能的40%轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能），該地點太陽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？

解析 由題可知水吸收的熱量用公式Q=cm（t-t0）進行計算.理解清楚熱效率的概念，用功率求時間，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.