Question

目前，“節能減排”已引起全球的關注．如何減少能耗，提高汽車發動機的效率越來越受到人們的重視，大多數家用汽車的發動機均為汽油機，它把汽油燃燒產生的內能部分轉化成機械能，再通過傳動機構將動力傳給車輪使汽車行駛，小明的爸爸新買了一輛小汽車，如圖所示，小明坐著這輛汽車勻速行駛144km，用時2h，消耗汽油9kg，其發動機的功率為23kW．請運用所學的知識解答下列問題．（汽油的熱值為4.6×10⁷J/kg）
（1）汽車效率比較低，原因是什么？指出兩點即可．
（2）汽車勻速行駛時所受的牽引力是多大？
（3）汽車發動機的效率是多少？
（4）觀察小汽車的外型，判斷小汽車在水平路面高速行駛和靜止時，對地面壓力哪一個大？為什么？

Answer 1

分析：（1）熱機的工作過程是燃料燃燒，將化學能轉化為內能，然后由內能轉化為機械能．因此轉化出來的機械能是有效利用的能量，轉化成的其它能量都是損耗掉的能量．從熱機的工作過程入手即可分析出汽油機效率低的原因．
（2）求出汽車的速度，利用P=Fv求牽引力大小；
（3）利用W=Fs求有用功，利用Q_放=mq求汽油完全燃燒放出的熱量（總能量），利用效率公式求汽油機的效率；
（4）靜止時對地面的壓力等于汽車自身的重力，高速行駛時，用流體壓強與流速的關系可以解釋這個問題．

解答：解：
（1）汽油機工作時的能量損失：
①燃料在氣缸內燃燒時，有一部分燃料沒有完全燃燒，就隨著廢氣被排到空氣中，帶走一部分能量；
②排氣沖程中排出的廢氣溫度很高，帶去一部分熱能；
③熱機工作時，氣缸機件散熱，消耗一部分內能；
④熱機內相對運動的機件間摩擦做功消耗能量．由于以上能量的損失，導致了汽油機的效率比較低．
（2）汽車的速度：
v=

s

t

=

144km

2h

=72km/h=20m/s，
∵P=Fv，
∴牽引力大小：
F=

P

v

=

23000W

20m/s

=1150N；
（3）汽車行駛兩小時做的有用功：
W=Fs=1150N×144000m=1.656×10⁸J，
9kg汽油完全燃燒放出的熱量：
Q_放=mq=9kg×4.6×10⁷J/kg=4.14×10⁸J，
汽油機的效率：
η=

W

Q放

=

1.656×108J

4.14×108J

=40%；
（4）靜止時對路面的壓力大，因為高速行駛時，汽車上表面的空氣流速大，對汽車的壓強小，使汽車有一個向上托的力．
答：（1）汽車效率比較低，原因是①燃料在氣缸內燃燒時，有一部分燃料沒有完全燃燒，就隨著廢氣被排到空氣中，帶走一部分能量；②排氣沖程中排出的廢氣溫度很高，帶去一部分熱能．
（2）汽車勻速行駛時所受的牽引力是150N；
（3）汽車發動機的效率是40%；
（4）靜止時對路面的壓力大，因為高速行駛時，汽車上表面的空氣流速大，對汽車的壓強小，使汽車有一個向上托的力．

點評：本題考查了速度、做功、牽引力、能量、效率等的計算，主要是公式及其變形的靈活運用，還考查了流體壓強與流速的關系．熱機的效率低，說明能量的損耗大，結合熱機的工作過程，從能量的損耗角度去分析熱機效率低的原因．