1、专题06 机械能与化学能的转化模型1“运20”是我国自主研发的大型运输机，它的发动机是一种热机，通过航空煤油在气室中燃烧，从喷口向后高速喷出气体，使发动机获得向前的推力，若“运20”在高空中飞行时，在恒定的水平推力F作用下，以200m/s的速度沿水平方向匀速航行1h，需要燃烧航空煤油4800kg，已知飞机发动机提供的机械功率是3.2107W，航空煤油的热值为q4.0107J/kg。则在这1h内：（1）航空煤油完全燃烧放出的热量是多少？（2）该发动机的热机效率是多大？【答案】（1）1.921011J；（2）60%【详解】解（1）由题干已知消耗航空煤油的质量为4800kg，航空煤油的热值为4.01
2、07J/kg，则航空煤油完全燃烧放出的热量是为Q放mq4800kg4.0107J/kg1.921011J（2）飞机发动机所做的有用功为WPt3.2107W13600s1.1521011J该发动机的热机效率为答：（1）航空煤油完全燃烧放出的热量是1.921011J；（2）该发动机的热机效率是60%。2随着重视环境，新能源车开始普及。某品牌纯电动汽车续航里程约为500km，电池容量为。普通家用充电桩充电功率为7kW。另一品牌燃油车油箱容积为80L，匀速行驶时能提供的牵引力大约是2000N，加满一箱汽油大约能匀速行驶400km。（1）若使用普通家用充电桩，给上述纯电动汽车充满一次电需要多长时间？（2
3、）上述燃油车加满一箱油，油的质量是多少？（汽油密度取0.7103kg/m3）（3）上述燃油车一箱汽油完全燃烧能释放多少热量？（汽油的热值取4.5107J/kg）（4）上述燃油车的热机效率大约是多少？（小数点后保留1位小数）【答案】（1）；（2）；（3）；（4）【详解】解：（1）根据可得，使用普通家用充电桩，给上述纯电动汽车充满一次电需要的时间（2）燃油车加满一箱油，油的质量是（3）油车一箱汽油完全燃烧能释放的热量（4）燃油车烧完一箱油做的有用功燃油车的热机效率大约是答：（1）使用普通家用充电桩，给纯电汽车充满一次电需要；（2）上述燃油车加满一箱油，油的质量是；（3）上述燃油车一箱汽油完全燃烧能
4、释放的热量为；（4）上述燃油车的热机效率大约是。3新能源汽车取代传统燃油汽车已是发展趋势。某品牌纯电汽车续航里程约为500km，电池容量为76kWh。普通家用充电桩充电功率为8kW。同类型号的燃油车油箱容积为60L，匀速行驶时能提供的牵引力大约是500N，加满一箱汽油能匀速行驶800km。（汽油密度取0.7103kg/m3，汽油的热值为4.5107J/kg）（1）若使用普通家用充电桩，给上述纯电汽车充满一次电需要多长时间？（2）上述燃油车的热机效率大约是多少？（3）计算两种汽车的百公里能耗，并说明能耗不同的主要原因。【答案】（1）9.5h；（2）21.2%；（3）纯电汽车百公里能耗5.4721
5、07J、燃油车百公里能耗2.3625108J，电动汽车的效率高于燃油汽车【详解】解：（1）纯电汽车充满一次电需要的时间为（2）燃油车加满一箱油的质量m=V=0.7103kg/m36010-3m3=42kg一箱汽油完全燃烧释放的热量Q放=mq=42kg4.5107J/kg=1.89109J消耗一箱汽油燃油车做的功W=Fs=500N800103m=4108J燃油车的热机效率 （3）纯电汽车百公里能耗 燃油车百公里能耗 能耗不同的主要原因是电动汽车的效率高于燃油汽车。答：（1）若使用普通家用充电桩，给上述纯电汽车充满一次电需要9.5h；（2）上述燃油车的热机效率大约是21.2%；（3）纯电汽车百公里
6、能耗5.472107J、燃油车百公里能耗2.3625108J，电动汽车的效率高于燃油汽车。4如图所示为某种型号的多功能洒水车，它空载时的质量为3t，配备了一个内深为1m的大容量水箱，底部有一个面积为0.003m2的放水孔。若多功能洒水车在水平地面上匀速行驶时受到的阻力恒为总重的0.08倍，某次该车满载（装满）后由静止开始在水平面上启动，在启动（加速）过程中，发动机消耗100g柴油。测得汽车牵引力的功率及其瞬时速度随时间的变化情况分别如图甲和图乙所示。已知g=10N/kg，水=1.0103kg/m3，q柴油=4.0107J/kg，燃油完全燃烧。求：（1）该洒水车满载时，若用质量不计的小钢片从外部
7、堵住放水孔，则需对小钢片施加的外力至少是多少N？（2）该洒水车在启动（加速）过程中热机效率是多少？（3）该洒水车水箱的容积是多少m3？【答案】（1）30N；（2）45%；（3）7m3【详解】解：（1）水对小孔的压强为若用质量不计的小钢片从外部堵住放水孔，则需对小钢片施加的外力至少是（2）该洒水车在启动（加速）过程中所做的有用功为柴油燃烧放出的热量为该洒水车在启动（加速）过程中热机效率是（3）多功能洒水车在水平地面上匀速行驶时受到的阻力等于牵引力，则阻力为则满载时的总重力为满载时的总质量为则水的质量为水的体积等于水箱的容积，则水箱的容积为答：（1）该洒水车满载时，若用质量不计的小钢片从外部堵住放
8、水孔，则需对小钢片施加的外力至少是30N；（2）该洒水车在启动（加速）过程中热机效率是45%；（3）该洒水车水箱的容积是7m3。5如图所示是利用5G网络实现远程驾驶的汽车，其质量为1.5t，车轮与地面接触的总面积为750cm2，该车在水平路面上匀速直线行驶13.8km，用时10min，消耗汽油2kg，这一过程中汽车发动机的输出功率为46kW，求：（汽油热值为q汽4.6107J/kg，g取10N/kg）（1）汽车在该路段的速度；（2）汽车静止在水平地面上时，对地面的压强；（3）在这一过程中汽车受到的阻力；（4）在这一过程中汽车发动机的效率。【答案】（1）23m/s；（2）2105Pa；（3）20
9、00N；（4）30%【详解】解：（1）汽车在该路段的速度为（2）汽车静止在水平地面上时，对地面的压力为则对地面的压强为（3）汽车匀速行驶时受到的牵引力为汽车在水平公路上匀速直线行驶时受到的阻力和牵引力是一对平衡力，大小相等，所以，在这一过程中汽车受到的阻力为2000N。（4）牵引力做的有用功为汽油完全燃烧放出的热量为在这一过程中汽车发动机的效率为答：（1）汽车在该路段的速度为23m/s；（2）汽车静止在水平地面上时，对地面的压强为2105Pa；（3）在这一过程中汽车受到的阻力为2000N；（4）在这一过程中汽车发动机的效率为30%。6如图所示是庆祝中华人民共和国成立70周年的阅兵式，我国自主研
10、发的具有世界先进水平的99A式主战坦克通过天安门广场接受检阅时的画面。已知一辆99A式坦克的质量为52t，其静止在地面上时履带与地面的接触面积为4m2。若坦克以5m/s的速度匀速在天安门广场上通过500m的距离时，坦克发动机的功率为1000kW。（柴油的热值q取4107J/kg，g取10N/kg，发动机的效率为40%）求：（1）坦克静止时对水平地面上的压强？（2）坦克受到的阻力是多少？（3）坦克消耗柴油的质量是多少？【答案】（1）1.3105Pa；（2）2105N；（3）6.25kg【详解】解：（1）坦克静止时对水平地面上的压力FGmg52103kg10N/kg5.2105N坦克静止时对水平地
11、面上的压强（2）若坦克以5m/s的速度匀速在天安门广场上通过500m的距离时，坦克发动机的功率为1000kW，根据所以，坦克的牵引力由于坦克匀速直线行驶时处于平衡状态，受到的阻力和牵引力是一对平衡力，所以，坦克受到的阻力fF2105N（3）坦克牵引力做的功WFs2105N500m1108J由知道，所消耗的柴油完全燃烧释放的热量由Q放mq知道，坦克消耗柴油的质量答：（1）坦克静止时对水平地面上的压强为1.3105Pa；（2）坦克受到的阻力是2105N；（3）坦克消耗柴油的质量是6.25kg。7我国自主研发的某品牌汽车进行技术测试，已知汽车的总质量为2t，该车在某段长1.2km的水平路面做匀速直线
12、运动，用时40s，汽车在行驶过程中受到的阻力为车重的0.2倍，汽车在此过程中消耗的汽油产生了1107J热量。（g取10N/kg）求在该段测试过程中：（1）汽车的行驶速度；（2）汽车受到的重力；（3）汽车的牵引力做的功；（4）汽车发动机的热机效率。【答案】（1）30m/s；（2）20000N；（3）4.8106J；（4）48%【详解】解：（1）已知该汽车运动时间为t=40s，行驶距离为s=1.2km=1200m因此，汽车的行驶速度（2）汽车受到的重力为G=mg=2000kg10N/kg=20000N（3）因汽车匀速行驶时处于平衡状态，受到的牵引力F和阻力f是一对平衡力，则牵引力为F=f=0.2G
13、=0.220000N=4000N则此过程中汽车牵引力做的功W=Fs=4000N1200m=4.8106J（4）汽油燃烧的热量为Q=1107J，牵引力做功为W=4.8106J，则发动机的效率为答：（1）汽车的行驶速度为30m/s；（2）汽车受到的重力为20000N；（3）汽车的牵引力做的功为4.8106J；（4）汽车发动机的热机效率为48%。8一台推土机的推力为，匀速推着土总行程达800m，共消耗2kg柴油，求该推土机装的柴油机的热机效率。柴油热值（），求：（1）推土机做的有用功；（2）柴油完全燃烧放出的热量；（3）柴油机效率。【答案】（1）；（2）；（3）【详解】解：（1）推土机做的有用功（2
14、）柴油完全燃烧放出的热量（3）柴油机的效率答：（1）推土机做的有用功是；（2）柴油完全燃烧放出的热量是；（3）柴油机效率是。9氢气动力汽车环保、高效，一辆氢气动力试验汽车的总质量为，2min内汽车在水平路面上匀速行驶了，消耗了30g的氢气此过程汽车发动机产生的牵引力为。（氢气的热值取，水的比热容为，g取（）求：（1）氢气完全燃烧放出的热量可以使的水升高多少；（2）汽车牵引力做功的功率；（3）汽车发动机的效率。【答案】（1）；（2）；（3）【详解】解:（1）30g氢气完全燃烧释放的热量水吸收的热量为由得，升高的温度为（2）牵引力做的功牵引力的功率（3）汽车发动机的效率答：（1）30g氢气完全燃烧
15、放出的热量可以使100kg的水升高10；（2）汽车牵引力做功的功率为；（3）汽车发动机的效率为。10中国首次火星探索任务“天问一号”探测器的成功发射，是我国综合国力和创新能力提升的重要标志，如图所示是某火箭发射时的场景，目前运载火箭一般使用液体氢作为燃料，液态氧作为助燃剂，氢的热值为1.4108J/kg。（1）某火箭发射时携带6104kg液态氢燃料，这些燃料完全燃烧最多能将多少千克初温为20的水加热至沸腾？【c水=4.2103J/（kg），当地大气压为1标准大气压】（2）氢能源车的发动机工作时将液态氢转化为氢气在气缸中燃烧，某次测试中，一辆氢能源车以70kW的功率匀速行驶20min，消耗了2k
16、g燃料，求该发动机的效率。【答案】（1）2.5107kg；（2）30%【详解】解：（1）氢的热值q=1.4108J/kg，质量m=6104kg，完全燃烧释放的热量为Q=qm1=1.4108J/kg6104kg=8.41012J初温为20的水加热至沸腾温度的变化量为t=100-20=80由Q=cmt可知能够加热的水的质量为（2）汽车行进时功率P=70kW=7104W用的时间t=20min=1200s则汽车做的有用功W有=Pt=7104W1200s=8.4107J消耗燃料的质量m2=2kg可知工作过程总功为Q2=qm2=1.4108J/kg2kg=2.8108J可知发动机效率答：（1）可将2.51
17、07kg的水加热至沸腾；（2）发动机的机械效率为30%。11在山区一般喜欢买大排量的车子，为了节能减排，我们内地一般不必要买太大排量的车。一款新型汽车以某一速度在一段平直的公路上匀速行驶一段距离，消耗了汽油，其发动机的效率为，则在这段运动过程中，已知：汽油的热值为求：（1）汽油完全燃烧放出的热量；（2）该汽车发动机做的有用功；（3）该车在高速路上匀速行驶时平均牵引力为，则燃烧汽油行驶的距离。【答案】（1）；（2）；（3）【详解】解：（1）汽油完全燃烧放出的热量（2）发动机的效率为，由可知，该汽车发动机做的有用功为（3）由可知，该车燃烧汽油行驶的距离答：（1）汽油完全燃烧放出的热量为；（2）该汽
18、车发动机做的有用功为；（3）该车在高速路上匀速行驶时平均牵引力为，则燃烧汽油行驶的距离为。12随着人们生活水平的提高，小汽车已经成为一种普遍的代步工具，小伟家新买了一辆小汽车。国庆节他和家人准备前往青青草原吃手抓羊肉，在出发前到加油站加了40L的汽油，假设他们一直以90km/h的速度匀速行驶，汽车受到的平均阻力为1150N，汽油的密度约为0.7103kg/m3，汽油的热值为4.6107J/kg。（1）小汽车匀速行驶时，牵引力的功率是多少？（2）若这次旅游全程往返400km，所加的汽油也刚好用完（假设汽油能完全燃烧），求这辆小汽车发动机的热机效率（结果保留1位小数）。【答案】（1）28750W；（2）35.7%【详解】解：（1）已知汽车受到的平均阻力为f1150N，汽车匀速行驶，由二力平衡的条件可知汽车的牵引力为Ff1150N汽车的行驶速度为v90km/h25m/s则汽车牵引力的功率为（2）已知汽油的体积V40L40dm30.04m3汽油的质量为mV0.7103kg/m30.04m328kg汽油完全燃烧放出的热量为Q放qm4.6107J/kg28kg1.288109J汽车全程往返400km做的功为WFs1150N400103m4.6108J则汽车发动机的热机效率为答：（1）小汽车匀速行驶时，牵引力的功率是28750W；（2）这辆小汽车发动机的热机效率为35.7%。
