师：同学们，大家好。今天我们学习初中物理沪科版九年级全一册第十三章第四节“热机效率和环境保护”。热机与我们的生活息息相关，现代社会在交通、航天、电力、工业等诸多方面都离不开热机。最早的铁路机车以蒸汽机作为动力，而汽轮机广泛应用于现代大型火力发电厂中。大街小巷随处可见的汽车，大多采用汽油机和柴油机等内燃机。在航空航天领域，则使用了更加高效的喷气发动机和火箭发动机。今天这节课，我们将从仰望星空开始，探究热机工作中的相关问题。
师：三、二，一点火。东风陶玉塔喷淋。神舟十三号暂无航天飞行任务，准备完毕。神舟逐梦，进驻太空，太空漫步，羲和追日，火星探测……火箭搭载着梦想，一次次刷新中国高度、中国速度。火箭升空需要能量，那么火箭升空的能量从哪里来呢？
生：来源于燃料。
师：对，来源于燃料。那么，如何更好、更高效地利用燃料呢？要解决这个问题，首先要找到火箭升空的能量转化线索。火箭升空时，燃料燃烧将化学能转化成内能，再通过做功将内能转化成机械能。从原始人学会用火，到现代的烧水做饭，再到现代科技的汽车、飞机、火箭等，人类获得能量的绝大部分都来自于燃料的燃烧。火箭升空为什么常用氢燃料，而不采用干木柴、煤等呢？你对燃料有多少了解？
生：把能够燃烧并放出热量的物质称为燃料。
师：非常好，我们把能够燃烧并放出热量的物质称为燃料。燃料大致可以分为三类，有固体燃料，如煤、木炭、干木柴等；液体燃料有汽油、柴油、酒精等；还有气体燃料，如煤气、天然气、氢气等。燃料的燃烧是一个发光放热的化学变化。燃料燃烧能将化学能全部释放出来，转化成内能吗？不同燃料燃烧释放热量的能力相同吗？来看一个具体的例子。在20摄氏度的室温下，向同学们提供100千克开水。若用以下燃料——干木柴、烟煤、液化石油气，所需要燃料的质量相同吗？各需要多少？
生：根据经验，烧开相同的水所需燃料的质量可能不同。
师：没错，根据经验我们不难判断，烧开相同的水所需燃料的质量可能是不同的。事实是这样吗？我们来做一个类似的实验。先测量两杯质量为80克的水，初温相同，均为27摄氏度。然后再分别测量出酒精灯和液体石蜡灯燃烧前的质量，都是258克。请大家看视频，水的初温是27摄氏度，开始点燃后水温在上升，等升高到37摄氏度后，分别停止加热。再看酒精和石蜡燃烧后质量的差别。燃烧前酒精和石蜡的质量均为258克，燃烧后酒精灯的质量是256克，说明酒精燃烧了2克。液体石蜡灯是254.5克，说明液体石蜡燃烧了3.5克。从刚才的实验我们发现，在相同的实验条件下，将80克水从27摄氏度升高到37摄氏度，所需酒精和液体石蜡的质量是不同的。这说明了什么呢？
生：酒精和液体石蜡燃烧释放热量的能力是不同的。
师：非常棒。那么如何比较不同燃料燃烧释放热量的能力呢？我们以干木柴和烟煤为例，可以取相同质量的干木柴和烟煤，比较完全燃烧放出热量的多少。完全燃烧放出的热量越多，燃料燃烧放出热量的能力就越强。也可以比较完全燃烧放出相同的热量，所需干木柴和烟煤质量的多少。所需燃料的质量越少，燃料燃烧释放热量的能力越强。质量为M1的干木柴，完全燃烧放出的热量为Q1；质量为M2的烟煤，完全燃烧放出的热量为Q2。那么此时如何比较两种燃料燃烧释放热量的能力呢？
生：可以求出单位质量某种燃料完全燃烧放出的热量，用燃料完全燃烧放出热量与所用燃料质量的比值来进行比较。
师：非常正确。我们把这个比值叫做热值。热值指某种燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料质量之比，用字母q表示。这里的完全燃烧，指燃料燃烧后全部变成不可燃烧物的过程，公式为q = Q放 / m 。这里的Q放指燃料完全燃烧放出的热量，m是燃料的质量，q是燃料的热值。热量的单位是焦耳，质量的单位是千克，因此热值的单位是焦耳每千克。对于气体燃料而言，其热值也可以采用在标准状况下，某种气体燃料完全燃烧放出的热量与所用该燃料体积之比，也用字母q表示。公式为q = Q放 / V ，这里的Q放指气体燃料完全燃烧放出的热量，V是燃料的体积，q是燃料的热值。热量的单位是焦耳，体积的单位是立方米，因此气体燃料热值的单位也可以是焦耳每立方米。不同燃料的热值一般有多大呢？读一读常见燃料的热值表，你发现了什么？
生：不同燃料的热值一般是不同的，其中氢气的热值最大，为1.4×10?焦每千克，干木柴的热值最小为1.2×10?焦每千克。
师：很好。所以，氢气完全燃烧释放热量的能力比干木柴强。火箭常用液态氢作为燃料，也正是因为它的热值大，完全燃烧相同质量的燃料，氢气可以提供更多的热量；或者说在获得相同热量时，燃烧氢的质量和体积都更小。随着科学技术的进步，燃料的使用也在不断地发展。比如在家烧水做饭，从原来的干木柴到煤，再到现在的天然气，不仅有利于环境保护，还减少了燃料的浪费，给我们的生活带来了极大的便利。柴油的热值是多少呢？
生：通过查表，柴油的热值为4.3×10?焦每千克。
师：它表示怎样的物理意义呢？
生：表示1千克柴油完全燃烧释放的热量为4.3×10?焦。
师：非常好。一箱柴油用掉一半，它的热值将如何变化呢？
生：热值将不变，因为热值是燃料本身的一种性质，是衡量燃料优劣的重要标准。热值的大小与燃料的种类有关，与燃料的质量和燃料是否完全燃烧无关。
师：完全正确。请计算4千克柴油完全燃烧释放的热量。
生：由q = Q放 / m可以得到燃料完全燃烧放出热量的公式为Q放 = mq 。代入数据可得Q放 = mq = 4千克×4.3×10?焦耳每千克 = 1.72×10?焦。
师：同样，我们也可以求出气体燃料放热时完全燃烧释放热量的公式。由q = Q放 / V推出Q放 = Vq 。燃料实际上很难完全燃烧，放出的热量往往比按热值计算出的数值要小。靠燃料燃烧获得能量的汽车、飞机、火箭，它们的热机工作时，燃料燃烧释放的能量能全部用来对外做有用功吗？燃料燃烧释放的能量都到哪去了？我们一起来分析热机燃料的能量走向。
生：燃料很难完全燃烧，燃料的化学能不可能全部释放，热机在燃烧过程中要损失一部分能量。机械传动装置对所有的热机都是必不可少的，因此还有一部分能量消耗在使传动装置运转及克服摩擦上，还有机械传热损失的能量，排出的废气也会带走一部分热量，只有一小部分的能量能转化为有用功。
师：原来热机工作时，真正能转化为对外做有用功的能量，只是燃料燃烧所释放能量的一部分。这说明了什么？我们学过类似的概念吗？
生：和我们之前学的机械效率相似。
师：对，机械效率是有用功和总功的比值。因此类似的，我们就把热机运转时对外做的有用功与燃料完全燃烧所释放能量的比值称为热机效率，用字母η表示，公式为η = W有 / Q放×100%。这里的W有指对外做的有用功，Q放指燃料完全燃烧放出的热量，η指热机效率。热机工作时不可避免地会发生能量损耗，因此热机的效率总是小于100%。我们一起来解决实际问题。题中已经给出消耗航空燃油的质量和燃油的热值，因此消耗的航空燃油完全燃烧放出的热量可以直接利用Q放 = mq进行计算。Q放 = mq = 1.35×103千克×4×10?焦每千克 = 5.4×101?焦。要求飞机发动机的效率，我们还需要找到飞机发动机对外做的有用功。本题中飞机发动机对外做的有用功表现为机械功，也就是飞机发动机牵引力所做的功，可以利用公式W = Fs或W = Pt进行计算。题中给出了飞机发动机的功率为2.25×10?瓦，以及航行时间20分钟。我们可以直接利用W = Pt进行求解。