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15. 据统计，每燃烧1 kg燃油会排放约3.3 kg二氧化碳。为实现“碳达峰 碳中和”目标，氢能作为一种绿色低碳的清洁能源在我国交通领域的应用场景不断扩大，使用氢燃料电池的交通工具不断丰富，其应用流程如图14-7所示。
(1)氢燃料电池将化学能直接转化为
(2)当储氢瓶内气体压强为$3.5× 10^7$ Pa时，求瓶内壁$1\ \mathrm{cm}^2$的面积上受到的压力。
(3)以氢燃料电池卡车为例，若卡车在水平路面上匀速行驶72 km用时1 h，功率为172 kW。①求卡车的行驶速度。②求卡车所受牵引力。③与燃油卡车相比，氢燃料电池卡车行驶72 km可减少排放二氧化碳的质量为多少？（燃油机的效率取36%，燃油的热值$q$取$4.3× 10^7$ J/kg）
图14-7
(1)氢燃料电池将化学能直接转化为
电
能。(2)当储氢瓶内气体压强为$3.5× 10^7$ Pa时，求瓶内壁$1\ \mathrm{cm}^2$的面积上受到的压力。
(3)以氢燃料电池卡车为例，若卡车在水平路面上匀速行驶72 km用时1 h，功率为172 kW。①求卡车的行驶速度。②求卡车所受牵引力。③与燃油卡车相比，氢燃料电池卡车行驶72 km可减少排放二氧化碳的质量为多少？（燃油机的效率取36%，燃油的热值$q$取$4.3× 10^7$ J/kg）
图14-7
答案
15.(1)电 (2)$3.5×10^3\ \mathrm{N}$ (3)①$20\ \mathrm{m/s}$ ②$8.6×10^3\ \mathrm{N}$ ③$132\ \mathrm{kg}$
解析
【分析】
第(1)问：根据氢燃料电池的功能定位，其核心是发电，对应能量转化为化学能转电能；
第(2)问：利用压强公式$F=pS$计算压力，需先将面积单位换算为国际单位制，再代入已知压强求解；
第(3)问①：速度公式为$v=\frac{s}{t}$，需统一路程和时间的单位后代入计算；
②：功率公式$P=Fv$变形可得牵引力$F=\frac{P}{v}$，代入功率和速度计算；
③：先计算卡车行驶做的功，结合燃油效率算出燃油燃烧需放出的热量，再由热值算出燃油质量，最后乘以每千克燃油排放的二氧化碳质量，得到减少的二氧化碳总质量。
【解析】
(1) 氢燃料电池的作用是发电，将化学能直接转化为电能，故答案为电；
(2) 已知压强$p=3.5×10^7\ \mathrm{Pa}$，受力面积$S=1\ \mathrm{cm}^2=1×10^{-4}\ \mathrm{m}^2$，根据压强公式$p=\frac{F}{S}$，得压力：
$F=pS=3.5×10^7\ \mathrm{Pa}×1×10^{-4}\ \mathrm{m}^2=3.5×10^3\ \mathrm{N}$；
(3) ① 路程$s=72\ \mathrm{km}=72000\ \mathrm{m}$，时间$t=1\ \mathrm{h}=3600\ \mathrm{s}$，行驶速度：
$v=\frac{s}{t}=\frac{72000\ \mathrm{m}}{3600\ \mathrm{s}}=20\ \mathrm{m/s}$；
② 功率$P=172\ \mathrm{kW}=172000\ \mathrm{W}$，由$P=Fv$得牵引力：
$F=\frac{P}{v}=\frac{172000\ \mathrm{W}}{20\ \mathrm{m/s}}=8.6×10^3\ \mathrm{N}$；
③ 卡车行驶72 km做的功：
$W=Pt=172000\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}=6.192×10^8\ \mathrm{J}$，
燃油效率$\eta=36\%$，则燃油完全燃烧需放出的热量：
$Q_{\mathrm{放}}=\frac{W}{\eta}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{0.36}=1.72×10^9\ \mathrm{J}$，
由$Q_{\mathrm{放}}=mq$得燃油质量：
$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{1.72×10^9\ \mathrm{J}}{4.3×10^7\ \mathrm{J/kg}}=40\ \mathrm{kg}$，
减少排放的二氧化碳质量：$40\ \mathrm{kg}×3.3=132\ \mathrm{kg}$。
【答案】
(1) 电
(2) $3.5×10^3\ \mathrm{N}$
(3) ① $20\ \mathrm{m/s}$；② $8.6×10^3\ \mathrm{N}$；③ $132\ \mathrm{kg}$
【知识点】
能量转化、压强计算、功率应用、热值与效率计算
【点评】
本题结合氢能应用的实际场景，综合考查了能量转化、压强、速度、功率、热值效率等知识点，要求学生熟练掌握相关公式并注意单位换算，难度适中，注重理论联系实际。
【难度系数】
0.6
第(1)问：根据氢燃料电池的功能定位，其核心是发电，对应能量转化为化学能转电能；
第(2)问：利用压强公式$F=pS$计算压力，需先将面积单位换算为国际单位制，再代入已知压强求解；
第(3)问①：速度公式为$v=\frac{s}{t}$，需统一路程和时间的单位后代入计算；
②：功率公式$P=Fv$变形可得牵引力$F=\frac{P}{v}$，代入功率和速度计算；
③：先计算卡车行驶做的功，结合燃油效率算出燃油燃烧需放出的热量，再由热值算出燃油质量，最后乘以每千克燃油排放的二氧化碳质量，得到减少的二氧化碳总质量。
【解析】
(1) 氢燃料电池的作用是发电，将化学能直接转化为电能，故答案为电；
(2) 已知压强$p=3.5×10^7\ \mathrm{Pa}$，受力面积$S=1\ \mathrm{cm}^2=1×10^{-4}\ \mathrm{m}^2$，根据压强公式$p=\frac{F}{S}$，得压力：
$F=pS=3.5×10^7\ \mathrm{Pa}×1×10^{-4}\ \mathrm{m}^2=3.5×10^3\ \mathrm{N}$；
(3) ① 路程$s=72\ \mathrm{km}=72000\ \mathrm{m}$，时间$t=1\ \mathrm{h}=3600\ \mathrm{s}$，行驶速度：
$v=\frac{s}{t}=\frac{72000\ \mathrm{m}}{3600\ \mathrm{s}}=20\ \mathrm{m/s}$；
② 功率$P=172\ \mathrm{kW}=172000\ \mathrm{W}$，由$P=Fv$得牵引力：
$F=\frac{P}{v}=\frac{172000\ \mathrm{W}}{20\ \mathrm{m/s}}=8.6×10^3\ \mathrm{N}$；
③ 卡车行驶72 km做的功：
$W=Pt=172000\ \mathrm{W}×3600\ \mathrm{s}=6.192×10^8\ \mathrm{J}$，
燃油效率$\eta=36\%$，则燃油完全燃烧需放出的热量：
$Q_{\mathrm{放}}=\frac{W}{\eta}=\frac{6.192×10^8\ \mathrm{J}}{0.36}=1.72×10^9\ \mathrm{J}$，
由$Q_{\mathrm{放}}=mq$得燃油质量：
$m=\frac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\frac{1.72×10^9\ \mathrm{J}}{4.3×10^7\ \mathrm{J/kg}}=40\ \mathrm{kg}$，
减少排放的二氧化碳质量：$40\ \mathrm{kg}×3.3=132\ \mathrm{kg}$。
【答案】
(1) 电
(2) $3.5×10^3\ \mathrm{N}$
(3) ① $20\ \mathrm{m/s}$；② $8.6×10^3\ \mathrm{N}$；③ $132\ \mathrm{kg}$
【知识点】
能量转化、压强计算、功率应用、热值与效率计算
【点评】
本题结合氢能应用的实际场景，综合考查了能量转化、压强、速度、功率、热值效率等知识点，要求学生熟练掌握相关公式并注意单位换算，难度适中，注重理论联系实际。
【难度系数】
0.6
