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任务一 热机效率
如图所示是某汽油机内汽油燃烧时能量的流向图,请回答下列问题。
问题1:汽油完全燃烧放出的热量是否都能被利用?
问题2:被有效利用的机械能怎样计算?等于多少?如果热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机的效率,这台汽油机的热机效率是多少?表示的物理意义是什么?
问题3:要想提高有效利用的机械能,写出你的做法。
知识归纳
1. 热机效率:把热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机的效率。
2. 计算公式: $\eta=\frac{W}{Q_{放}} × 100\%$。
应用迁移
如图所示是某汽油机内汽油燃烧时能量的流向图,请回答下列问题。
问题1:汽油完全燃烧放出的热量是否都能被利用?
问题2:被有效利用的机械能怎样计算?等于多少?如果热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机的效率,这台汽油机的热机效率是多少?表示的物理意义是什么?
问题3:要想提高有效利用的机械能,写出你的做法。
知识归纳
1. 热机效率:把热机所做有用功与所用燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机的效率。
2. 计算公式: $\eta=\frac{W}{Q_{放}} × 100\%$。
应用迁移
答案
问题1 不能。
问题2 用汽油完全燃烧释放的能量减去克服摩擦耗能、机械散热耗能和废气带走热量的总和；28%；28%；被有效利用的热量占总热量的28%。
问题3 减小被损耗的各种能量。
问题2 用汽油完全燃烧释放的能量减去克服摩擦耗能、机械散热耗能和废气带走热量的总和；28%；28%；被有效利用的热量占总热量的28%。
问题3 减小被损耗的各种能量。
解析
【分析】
本题围绕热机效率展开，解题思路为：首先通过能量流向图明确汽油完全燃烧释放的总能量及各部分损耗的能量；问题1判断能量是否全部被利用，需看是否存在能量损耗；问题2计算有效机械能，用总能量减去所有损耗能量，再依据热机效率定义计算效率并理解其物理意义；问题3提高有效机械能，核心是减少各类能量损耗。
【解析】
问题1：从能量流向图可知，汽油完全燃烧释放的能量中，有6%用于克服摩擦、30%用于机械散热、36%被废气带走，存在大量能量损耗，因此汽油完全燃烧放出的热量不能都被利用。
问题2：被有效利用的机械能 = 汽油完全燃烧释放的总能量 - 克服摩擦耗能 - 机械散热耗能 - 废气带走的热量，即$100\% - 6\% - 30\% - 36\% = 28\%$；根据热机效率的定义，这台汽油机的热机效率$\eta = 28\%$；其物理意义是：汽油机所做的有用机械能占汽油完全燃烧释放总热量的28%。
问题3：要提高有效利用的机械能，需减小被损耗的各种能量，具体做法如：给机械部件加润滑油减小摩擦、改进散热结构减少机械散热、优化发动机设计降低废气带走的热量等。
【答案】
问题1：不能。
问题2：被有效利用的机械能等于汽油完全燃烧释放的能量减去克服摩擦耗能、机械散热耗能和废气带走热量的总和；等于28%；这台汽油机的热机效率是28%；表示的物理意义是汽油机所做有用机械能占汽油完全燃烧释放总热量的28%。
问题3：减小被损耗的各种能量（如给部件加润滑油减小摩擦、改进散热减少机械散热、优化发动机减少废气带走热量等）。
【知识点】
热机效率、能量损耗
【点评】
本题结合能量流向图考查热机效率的基础概念与计算，属于初中物理热学部分的基础题型，重点考查学生对能量流向的分析能力和热机效率定义的掌握，整体难度较低。
【难度系数】
0.7
本题围绕热机效率展开，解题思路为：首先通过能量流向图明确汽油完全燃烧释放的总能量及各部分损耗的能量；问题1判断能量是否全部被利用，需看是否存在能量损耗；问题2计算有效机械能，用总能量减去所有损耗能量，再依据热机效率定义计算效率并理解其物理意义；问题3提高有效机械能，核心是减少各类能量损耗。
【解析】
问题1：从能量流向图可知，汽油完全燃烧释放的能量中，有6%用于克服摩擦、30%用于机械散热、36%被废气带走，存在大量能量损耗，因此汽油完全燃烧放出的热量不能都被利用。
问题2：被有效利用的机械能 = 汽油完全燃烧释放的总能量 - 克服摩擦耗能 - 机械散热耗能 - 废气带走的热量，即$100\% - 6\% - 30\% - 36\% = 28\%$；根据热机效率的定义，这台汽油机的热机效率$\eta = 28\%$；其物理意义是：汽油机所做的有用机械能占汽油完全燃烧释放总热量的28%。
问题3：要提高有效利用的机械能，需减小被损耗的各种能量，具体做法如：给机械部件加润滑油减小摩擦、改进散热结构减少机械散热、优化发动机设计降低废气带走的热量等。
【答案】
问题1：不能。
问题2：被有效利用的机械能等于汽油完全燃烧释放的能量减去克服摩擦耗能、机械散热耗能和废气带走热量的总和；等于28%；这台汽油机的热机效率是28%；表示的物理意义是汽油机所做有用机械能占汽油完全燃烧释放总热量的28%。
问题3：减小被损耗的各种能量（如给部件加润滑油减小摩擦、改进散热减少机械散热、优化发动机减少废气带走热量等）。
【知识点】
热机效率、能量损耗
【点评】
本题结合能量流向图考查热机效率的基础概念与计算，属于初中物理热学部分的基础题型，重点考查学生对能量流向的分析能力和热机效率定义的掌握，整体难度较低。
【难度系数】
0.7
【应用1】一辆正在匀速行驶的汽车速度是72 km/h，所受阻力为1 500 N，从甲地到乙地100 km，已知该汽车这种情况下每百公里耗油10 L。（已知汽油的热值为$4.2×10^7$ J/kg，汽油的密度为0.75 g/cm³）
(1)该车从甲地到乙地克服阻力做了多少功？
(2)在这个过程中消耗的汽油释放的热量是多少？
(3)汽车的效率是多少？（结果精确至0.1%）
特别提醒:(1)计算汽油的质量时,需要将L换成$\mathrm{m}^3$;(2)热机效率没有单位,结果用百分数表示。
(1)该车从甲地到乙地克服阻力做了多少功？
(2)在这个过程中消耗的汽油释放的热量是多少？
(3)汽车的效率是多少？（结果精确至0.1%）
特别提醒:(1)计算汽油的质量时,需要将L换成$\mathrm{m}^3$;(2)热机效率没有单位,结果用百分数表示。
答案
1. 汽车从甲地到乙地克服阻力做的功
$W=fs=1\ 500\ \mathrm{N}×100×10^3\ \mathrm{m}=1.5×10^8\ \mathrm{J}$。
2. 汽车从甲地到乙地百公里耗油
$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，
由$\rho=\frac{m}{V}$可得，消耗的汽油的质量
$m=\rho V=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7.5\ \mathrm{kg}$，
这些汽油完全燃烧放出的热量
$Q_{\mathrm{放}}=mq=7.5\ \mathrm{kg}×4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.15×10^8\ \mathrm{J}$。
3. 汽车的效率
$\eta=\frac{W}{Q_{\mathrm{放}}}×100\%=\frac{1.5×10^8\ \mathrm{J}}{3.15×10^8\ \mathrm{J}}×100\%≈47.6\%$。
$W=fs=1\ 500\ \mathrm{N}×100×10^3\ \mathrm{m}=1.5×10^8\ \mathrm{J}$。
2. 汽车从甲地到乙地百公里耗油
$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，
由$\rho=\frac{m}{V}$可得，消耗的汽油的质量
$m=\rho V=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7.5\ \mathrm{kg}$，
这些汽油完全燃烧放出的热量
$Q_{\mathrm{放}}=mq=7.5\ \mathrm{kg}×4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.15×10^8\ \mathrm{J}$。
3. 汽车的效率
$\eta=\frac{W}{Q_{\mathrm{放}}}×100\%=\frac{1.5×10^8\ \mathrm{J}}{3.15×10^8\ \mathrm{J}}×100\%≈47.6\%$。
解析
【分析】本题分三小问，解题思路如下：
1. 求克服阻力做功：汽车匀速行驶时，牵引力与阻力是平衡力，大小相等，即$F=f$；克服阻力做功公式为$W=Fs$，需将路程$s$的单位换算为米，代入数值计算即可。
2. 求汽油释放的热量：先确定消耗汽油的体积（题目中每百公里耗油10L，路程100km，故耗油10L），将体积单位换算为立方米，利用密度公式$\rho=\frac{m}{V}$算出汽油质量，再根据$Q_{放}=mq$计算完全燃烧释放的热量。
3. 求汽车效率：热机效率公式为$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$，代入前两问的结果计算，结果精确至0.1%。
【解析】
解：
(1) 汽车匀速行驶，牵引力与阻力平衡，故$F=f=1500\ \mathrm{N}$，
甲乙两地距离$s=100\ \mathrm{km}=100×10^3\ \mathrm{m}=1×10^5\ \mathrm{m}$，
克服阻力做功：$W=Fs=1500\ \mathrm{N}×1×10^5\ \mathrm{m}=1.5×10^8\ \mathrm{J}$。
(2) 消耗汽油体积$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，
由$\rho=\frac{m}{V}$得，消耗汽油的质量：
$m=\rho V=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7.5\ \mathrm{kg}$，
汽油完全燃烧释放的热量：
$Q_{放}=mq=7.5\ \mathrm{kg}×4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.15×10^8\ \mathrm{J}$。
(3) 汽车的效率：
$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{1.5×10^8\ \mathrm{J}}{3.15×10^8\ \mathrm{J}}×100\%≈47.6\%$。
【答案】
(1) $1.5×10^8\ \mathrm{J}$；(2) $3.15×10^8\ \mathrm{J}$；(3) $47.6\%$
【知识点】
功的计算、密度公式应用、热机效率
【点评】
本题是力学与热学结合的基础应用题，主要考查功、密度、热值及热机效率的公式应用，需注意单位换算，难度适中，适合巩固基础知识点。
【难度系数】
0.7
1. 求克服阻力做功：汽车匀速行驶时，牵引力与阻力是平衡力，大小相等，即$F=f$；克服阻力做功公式为$W=Fs$，需将路程$s$的单位换算为米，代入数值计算即可。
2. 求汽油释放的热量：先确定消耗汽油的体积（题目中每百公里耗油10L，路程100km，故耗油10L），将体积单位换算为立方米，利用密度公式$\rho=\frac{m}{V}$算出汽油质量，再根据$Q_{放}=mq$计算完全燃烧释放的热量。
3. 求汽车效率：热机效率公式为$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%$，代入前两问的结果计算，结果精确至0.1%。
【解析】
解：
(1) 汽车匀速行驶，牵引力与阻力平衡，故$F=f=1500\ \mathrm{N}$，
甲乙两地距离$s=100\ \mathrm{km}=100×10^3\ \mathrm{m}=1×10^5\ \mathrm{m}$，
克服阻力做功：$W=Fs=1500\ \mathrm{N}×1×10^5\ \mathrm{m}=1.5×10^8\ \mathrm{J}$。
(2) 消耗汽油体积$V=10\ \mathrm{L}=10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3$，
由$\rho=\frac{m}{V}$得，消耗汽油的质量：
$m=\rho V=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3×10×10^{-3}\ \mathrm{m}^3=7.5\ \mathrm{kg}$，
汽油完全燃烧释放的热量：
$Q_{放}=mq=7.5\ \mathrm{kg}×4.2×10^7\ \mathrm{J/kg}=3.15×10^8\ \mathrm{J}$。
(3) 汽车的效率：
$\eta=\frac{W}{Q_{放}}×100\%=\frac{1.5×10^8\ \mathrm{J}}{3.15×10^8\ \mathrm{J}}×100\%≈47.6\%$。
【答案】
(1) $1.5×10^8\ \mathrm{J}$；(2) $3.15×10^8\ \mathrm{J}$；(3) $47.6\%$
【知识点】
功的计算、密度公式应用、热机效率
【点评】
本题是力学与热学结合的基础应用题，主要考查功、密度、热值及热机效率的公式应用，需注意单位换算，难度适中，适合巩固基础知识点。
【难度系数】
0.7
