【物理课件】热能的转换与利用课件

热能的转换与利用热能作为人类文明发展的重要动力源，其转换与利用技术贯穿了整个工业革命历程从最初的蒸汽机到现代的核电站，热能转换技术不断革新，推动着社会进步本课程将深入探讨热能转换的基本原理、实际应用以及未来发展趋势，帮助九年级学生建立完整的热能知识体系通过学习热能转换与利用，我们将理解能量守恒定律在实际工程中的体现，掌握各种热机的工作原理，并培养节能环保的科学意识，为未来的学习和生活奠定坚实基础课程提纲1能量的基本类型与转换探索不同形式能量之间的相互关系，理解能量转换的基本规律和守恒原理2热能的产生与转换原理深入了解热能的本质、产生机制以及在分子层面的运动理论基础3热机与热能利用学习各种热机的工作原理、结构特点以及在现代工业中的广泛应用4节能减排与展望了解当前能源利用现状，探讨未来清洁能源发展趋势和环保责任什么是能量？能量的定义常见能量类型能量是物体做功的能力，是衡量物体运动状态和相互作用能力的机械能包括动能和势能，是物体由于运动或位置而具有的能量物理量在物理学中，能量是一个标量，具有相对性和守恒性的电能是电荷在电场中具有的能量化学能是物质在化学反应中释重要特征放或吸收的能量，广泛存在于燃料和电池中能量转换的基本规律能量守恒能量既不能创造也不能消灭相互转换不同形式能量可以相互转化总量不变转换过程中总能量保持恒定热能的基本概念热能本质计量单位热能是构成物质的大量分子无规热能的国际标准单位是焦耳则运动的动能和分子间相互作用（J），在实际应用中还常用千焦势能的总和这种微观粒子的运（kJ）、卡路里（cal）等单动是肉眼无法直接观察到的，但位一卡路里等于

4.18焦耳，这可以通过温度的变化来感知个换算关系在热量计算中经常用到温度关系热能的大小与物体的温度、质量和物质种类有关温度越高，分子运动越剧烈，热能越大不同物质的比热容不同，吸收相同热量时温度变化也不同热能的产生来源化学反应摩擦做功电流通过导体燃烧是最常见的热能产当两个物体相互摩擦电流通过具有电阻的导生方式，如木材燃烧、时，机械能转化为热体时，电能转化为热汽油燃烧等在这些反能汽车刹车时制动片能，这就是焦耳热效应中，化学键断裂和形发热、钻木取火等都是应电热器、白炽灯泡成过程释放大量热能，摩擦产生热能的典型例等电器设备都是利用这为人类提供了重要的能子，这种转换在日常生个原理工作的源来源活中随处可见热能与分子运动低温状态分子运动缓慢，热能较小，物质可能处于固态中温状态分子运动加快，热能增加，物质可能处于液态高温状态分子运动剧烈，热能很大，物质可能处于气态热能如何转换为机械能？加热工质燃料燃烧产生热能，加热水蒸气或其他工质，使其温度和压力升高高温高压的工质具有很大的内能，为后续的能量转换提供动力源气体膨胀高温气体在密闭容器中膨胀，推动活塞运动这个过程中，气体的内能转化为活塞的机械能，实现了热能到机械能的直接转换输出功率活塞的往复运动通过连杆机构转化为旋转运动，驱动机械设备工作这种转换方式在汽车发动机、发电机组等设备中得到广泛应用热机的种类蒸汽机内燃机利用水蒸气推动活塞做功的外燃机燃料在汽缸内燃烧直接推动活塞喷气发动机汽轮机燃气高速喷出产生反推力高温蒸汽推动叶轮旋转发电热机工作原理吸热过程膨胀做功从高温热源吸收热量，工质温度升高，高温气体膨胀推动活塞，热能转化为机为做功准备条件械能输出压缩回归放热冷却外界对工质做功，使其压缩到初始体向低温热源放出热量，工质温度降低回积，完成循环到初始状态四冲程内燃机结构火花塞点燃混合气体气门系统控制进气排气汽缸活塞燃烧室和动力输出曲轴连杆传递动力的核心机构四冲程工作循环解析吸气冲程活塞下行，吸入可燃混合气压缩冲程活塞上行，压缩混合气体做功冲程火花塞点火，燃气推动活塞做功排气冲程活塞上行，排出废气完成循环内燃机类型对比汽油机特点柴油机特点汽油机使用火花塞点火，燃料与空气在进气过程中混合形成可燃柴油机通过高温压缩空气引燃柴油，无需火花塞压缩比高，热混合气点火时刻精确控制，燃烧速度快，适合高转速运行汽效率优于汽油机，燃油经济性好柴油机扭矩大，适合重载运油机结构相对简单，运转平稳，广泛应用于小型车辆输，在大型车辆和船舶中应用广泛火花塞点火压燃点火••压缩比较低压缩比较高••转速高噪音小扭矩大效率高••柴油机结构特征喷油嘴系统高压缩比设计柴油机最重要的特征是用喷油柴油机的压缩比通常在14-22嘴替代火花塞喷油嘴在高压之间，远高于汽油机的8-下将柴油雾化喷入燃烧室，与12高压缩比使空气温度达高温压缩空气混合后自燃这到柴油的自燃点，无需外部点种设计使柴油机具有更高的压火源这种设计提高了燃油利缩比和热效率用效率压缩升温机制活塞压缩冲程中，空气被压缩到原体积的，温度可达1/15-1/22500-℃当柴油喷入这种高温环境时，会立即自燃，推动活塞做功700热能与电能的转换燃料燃烧化石燃料燃烧产生高温蒸汽蒸汽推动高压蒸汽推动汽轮机叶片旋转电磁感应发电机转子切割磁感线产生电流电能输出通过变压器升压后送入电网热能与化学能互转燃烧反应化学能直接转换为热能，如木炭燃烧释放大量热量电化学反应电池中化学能转换为电能，再通过电阻丝转为热能光合作用植物利用太阳能将二氧化碳和水合成有机物储存化学能热能与核能的关系万倍235300铀235能量密度核裂变主要燃料同位素比化学燃料高出的倍数1000°C反应温度核反应堆内部工作温度能量转换的实际例子燃煤电厂煤炭燃烧产生热能，加热水变成蒸汽，推动汽轮机发电这是目前全球最主要的发电方式，展现了化学能-热能-机械能-电能的完整转换链条汽车发动机汽油在发动机内燃烧，产生的热能推动活塞运动，通过曲轴转换为旋转动力现代汽车发动机热效率约30-40%，剩余能量以热量形式散失家用热水器电热水器将电能转换为热能加热水，燃气热水器则是化学能直接转换为热能太阳能热水器利用太阳辐射能直接加热水，是清洁环保的选择传统热能利用案例燃料燃烧过程热量传递机制木材、煤炭或天然气在充足氧气燃烧产生的热量通过传导、对流条件下燃烧，化学键断裂释放储和辐射三种方式传递给容器金存的化学能完全燃烧时产生二属容器导热性好，能快速将热量氧化碳和水蒸气，燃烧效率取决传递给水对流使热量在水中均于燃料种类和燃烧条件匀分布水的相变过程水吸收热量后温度逐渐升高，达到沸点时开始汽化这个过程需要大量汽化潜热，体现了水的高比热容特性蒸汽携带大量热能，可用于供暖或烹饪大型热机工程应用热能的直接利用地热发电原理太阳能热利用地热发电利用地球内部的天然热能，通过深井开采地下热水或蒸太阳能热水器通过集热器吸收太阳辐射能，直接加热水箱中的汽直接推动汽轮机发电这种方式避免了燃料燃烧过程，是清洁水这种技术简单可靠，在中国农村和城市住宅中应用广泛，显的可再生能源利用方式著减少了传统能源消耗地热资源分布不均，主要集中在火山活跃地区和地质构造带冰太阳能热发电则是用反射镜聚焦阳光加热工质，产生高温蒸汽驱岛、意大利等国家地热发电技术较为成熟，为当地提供稳定的清动发电机这种技术在阳光充足的沙漠地区具有巨大发展潜力洁电力辅助设备提升效率余热回收系统高效热交换器保温隔热技术工业生产中大量废热通现代热交换器采用翅片先进的保温材料如气凝过烟囱排放造成能源浪管、板式等高效传热结胶、真空绝热板可以显费余热回收装置可以构，大大增加传热面著减少热量损失在管捕获这些热量，用于预积新型材料如不锈道、容器和建筑物中应热燃烧空气或产生蒸钢、钛合金提高了耐腐用保温技术，能够大幅汽，显著提高整体能源蚀性和传热系数，使热降低能源消耗，提高热利用效率钢铁、水泥交换更加高效可靠能利用效率等高耗能行业广泛采用此技术机械能与热能的互转机械运动摩擦作用物体具有动能或势能等机械能形式相对运动产生摩擦力做负功热量传递温度升高热能通过传导对流向周围环境散失机械能转化为内能，物体温度升高热能在交通运输中的作用高铁制动能量回收电动汽车热管理高速列车制动时，动能通过再电动汽车的热泵系统利用环境生制动系统转换为电能回馈电中的低品位热能为车内供暖，网，而不是全部转化为无用的比传统电阻加热效率高2-3热能这种技术显著提高了能倍智能热管理系统还能预调源利用效率，减少了制动系统节电池温度，提高续航里程的磨损船舶废热利用大型船舶发动机产生的废热可以用于海水淡化、船员生活热水供应等废热发电技术还能为船舶辅助设备提供电力，降低燃油消耗热力学定律基础永动机不可能第一类永动机违反能量守恒熵增原理孤立系统熵总是增加或不变能量守恒系统内能变化等于外界传热减去对外做功绝对零度无法通过有限步骤达到绝对零度热平衡及其应用温度差驱动热量交换达到平衡高温物体向低温物体传热通过传导对流辐射传递热量两物体温度相等时停止传热生活中的能量转换电热水器工作电热水器通过电阻丝将电能转换为热能，加热水箱中的水温控器监测水温，达到设定温度时自动断电保温层减少热量散失，提高能效比冰箱制冷循环冰箱压缩机消耗电能，驱动制冷剂在系统中循环蒸发器吸收冰箱内热量，冷凝器向外界放热这个过程将冰箱内的热能转移到外界，实现制冷效果空调热泵系统空调既能制冷也能制热，通过改变制冷剂流向实现功能切换夏季从室内吸热向室外放热，冬季反之热泵技术比电阻加热效率高3-4倍热能利用中的效率问题影响热机效率的因素机械损失优化热损失控制摩擦、振动等机械损失降低输出功率采热源温度差实际热机中存在传导、对流、辐射等多种用高品质润滑油、精密加工工艺、先进材高温热源与低温热源的温度差越大，理论热损失良好的保温措施、密封设计和高料等技术手段，可以显著减少机械损失，最高效率越高卡诺循环效率公式η=1-效材料能够减少无用的热量散失，提高实提升整机效率T₂/T₁清晰地表明了这一关系，这是热际运行效率力学第二定律的直接体现工程节能途径技术改进措施材料科学进步采用变频调速、智能控制、高效新型超导材料、纳米材料、复合电机等技术改造传统设备优化材料在热能设备中的应用高温工艺流程，减少不必要的能量转合金提高燃气轮机工作温度，陶换环节引入人工智能和大数据瓷涂层减少热损失，超轻材料降分析，实现设备运行的精确控制低设备能耗和预测性维护系统集成优化通过能源梯级利用、热电联产、分布式能源等系统性方案，实现多种能源形式的协调利用建立能源管理系统，监控和优化整个工厂的能源消耗模式世界能源结构概览天然气煤炭资源占全球能源消费的占全球能源消费的24%27%俄罗斯储量最丰富中国美国储量较大••石油资源可再生能源清洁度高于煤炭石油污染严重但储量丰富••约占全球一次能源消费的占全球能源消费的32%17%主要分布在中东地区水能风能太阳能快速发展•••可采储量约

1.7万亿桶•未来能源转型重点方向2中国能源利用现状57%煤炭占比中国能源消费结构中煤炭比重19%石油比重交通运输主要依赖石油能源8%天然气清洁能源使用比例逐年提升16%非化石能源水电核电风电太阳能等占比低碳能源与节能核能发展第三代核电技术安全性大幅提升，小型模块化反应堆技术逐渐成熟，为清洁能源提供稳定基荷电力水电建设大型水电站和抽水蓄能电站建设，不仅提供清洁电力，还能调节电网负荷，支撑新能源大规模并网风能利用海上风电技术突破，风机单机容量不断增大，发电成本持续下降，成为最有竞争力的清洁能源之一太阳能应用光伏发电效率提升，储能技术进步，分布式光伏在建筑一体化应用中展现巨大潜力典型能量转换流程图一次能源自然界中天然存在的能源转换加工通过技术手段转换为便于使用的形式输送分配通过管网电网等基础设施输送终端利用在工业商业居民等领域最终使用未来能源利用趋势技术创新方向系统变革趋势氢能技术将在重工业和长途运输中发挥重要作用，燃料电池效率分布式能源系统兴起，每个建筑都可能成为微型发电站区域能不断提升先进储能技术如液流电池、压缩空气储能解决新能源源互联网构建多能互补的综合能源体系间歇性问题电气化水平大幅提升，交通、工业、建筑等领域逐步替代直接燃人工智能优化能源配置，智能电网实现供需精确匹配碳捕获利烧化石燃料能源消费模式向低碳化、智能化方向发展用与封存技术使化石能源使用更加清洁实验水的比热测定1准备阶段准确称量水的质量，测量初始温度，确保量热器密封良好加热过程用电加热器对水加热，记录加热功率和时间，计算输入热量温度监测连续监测水温变化，绘制温度时间曲线，确定稳态温升-数据处理根据公式计算比热容，分析实验误差来源Q=cmΔT实验摩擦生热演示2摩擦生热实验直观展示了机械能转化为热能的过程通过手摇装置使两个物体快速摩擦，用红外温度计测量温度变化实验中可以观察到摩擦表面温度迅速升高，证明了能量转换定律现代汽车制动系统就是这一原理的典型应用，刹车时动能转化为热能通过制动盘散发热能转换中的能量损失不可逆性原理传热损失根据热力学第二定律，任何实实际工程中的传热损失包括传际的热能转换过程都是不可逆导、对流和辐射三种形式高的高品质的机械能可以完全温部件向周围环境散热，管道转化为低品质的热能，但热能和容器的热损失，以及不完全无法100%转化为机械能，总燃烧造成的化学能损失都会降有一部分能量以无用热的形式低系统效率散失机械损失摩擦损失、振动损失、泄漏损失等机械损失将有用功转化为无用热轴承摩擦、密封不良、部件变形等都会产生额外的能量消耗，影响整体效率空气能与热泵技术压缩升温冷凝放热压缩机将低温制冷剂压缩成高温高压气高温制冷剂在室内换热器中冷凝放热，体，消耗电能提升温度品位为室内提供热量蒸发吸热节流降压低温制冷剂在室外换热器中蒸发，从环通过节流阀降低制冷剂压力，为下一步境空气中吸收热量蒸发做准备热管理与储能技术相变储热材料石蜡、熔盐等相变材料在固液转换过程中能够储存大量潜热这类材料在太阳能热发电、建筑节能等领域应用广泛，能够平衡热量供需的时间差异，提高能源利用效率长距离热输送热管技术利用工质的相变循环实现高效传热，在电子散热、太阳能集热等方面效果显著集中供热管网通过保温管道将热电厂余热输送到千家万户，是城市节能的重要基础设施热电联产系统燃气轮机发电的同时产生高温烟气，可用于供热或制冷，综合能源利用效率达到80%以上分布式热电联产系统在工业园区、医院、酒店等场所应用效果良好前沿案例超级火电新能源电站/1350°C蒸汽温度超超临界机组最高蒸汽温度47%发电效率世界最先进火电机组效率水平1000MW单机容量大型火电机组典型装机容量90%脱硫效率现代环保设备污染物去除率新型热能材料相变储能材料纳米导热材料新型相变材料如脂肪酸、糖醇类化合物具有储热密度高、相变温碳纳米管、石墨烯等纳米材料具有极高的导热系数，添加到传统度可调的优点微胶囊相变材料解决了液态泄漏问题，在建筑材材料中可显著提升传热性能纳米流体在太阳能集热器、电子冷料中添加后可实现墙体自动调温功能却等方面应用效果突出形状稳定型相变材料通过多孔载体固载，避免了相变过程中的形气凝胶材料结合了超低密度和极低导热系数，是理想的保温材状改变这类材料在纺织品、包装材料等领域展现出广阔应用前料在航空航天、建筑节能等高端应用中，气凝胶正在替代传统景保温材料节能小妙招家电使用技巧建筑保温措施合理设置空调温度，夏季26℃冬加装双层玻璃窗户，减少室内外季20℃最节能使用变频空调比热交换在墙体和屋顶增加保温定频节能及时清洁空调滤层，可降低采暖能耗以上30%50%网，保持良好的通风换热效果合理利用自然采光，减少照明用选择合适容量的热水器，避免频电选择浅色屋顶和墙面，减少繁加热造成能耗增加夏季制冷负荷生活习惯改善洗澡时间控制在分钟以内，选择淋浴而非盆浴使用节能灯具，10LED灯比白炽灯节能合理规划出行路线，选择公共交通或共享出行方80%式及时关闭不用的电器设备，避免待机耗电热能转换与可持续发展2030年碳达峰中国承诺年前实现碳排放达峰，非化石能源占一次能源消2030费比重达到左右25%2060年碳中和全面建成清洁低碳、安全高效的能源体系，实现碳排放与吸收的动态平衡循环经济发展建立资源循环利用体系，推动废热回收、余压利用等技术普及应用热能转换与环保挑战排放控制技术超低排放技术将燃煤电厂污染物排放降至天然气电厂水平脱硫脱硝除尘一体化设备大幅减少大气污染物碳捕获封存技术为化石能源清洁利用提供新途径清洁生产工艺氢能冶金技术用氢气替代焦炭，从源头减少二氧化碳排放电解制氢、生物制氢等绿色制氢技术快速发展工业余热利用技术将废热转化为有用能源生态修复工程植树造林增加碳汇能力，湿地保护维护生态平衡新能源开发与生态保护并重，风电光伏项目注重环境影响评估绿色建筑推广被动式节能技术课堂小结核心概念理解掌握热能本质和转换规律热机工作原理理解各种热机结构和效率节能环保意识培养可持续发展理念科学知识基础建立完整的热力学知识体系典型例题1题目分析一辆汽车发动机每小时消耗汽油8升，汽油热值为

4.6×10⁷J/kg，密度，发动机功率，求发动机效率

0.8kg/L60kW数据计算汽油质量总热量m=8L×

0.8kg/L=

6.4kgQ=

6.4kg×

4.6×10⁷J/kg=

2.944×10⁸J有用功W=60kW×3600s=

2.16×10⁸J效率求解发动机效率η=W/Q=

2.16×10⁸J/

2.944×10⁸J≈73%这个结果明显偏高，实际汽车发动机效率约30-40%结果分析检查计算过程，理解理论效率与实际效率的差异，分析影响发动机效率的各种因素。