4. (2024·辽宁)汽油机在______冲程中将内能转化为机械能。若某汽车的汽油机在一段时间内所做的有用功为$2.3×10^{7}J,$效率为25%,则该汽油机在这段时间内消耗______kg的汽油(汽油的热值取$4.6×10^{7}J/kg)。$

做功 2

5. 油电混合动力汽车是新能源汽车的一种。汽车启动或低速行驶时,内燃机不工作,蓄电池向车轮输送能量,当需要高速行驶或蓄电池电能过低时,内燃机启动,既可以向车轮输送能量,又可以给蓄电池充电,车速与阻力的关系如图所示。在某次测试中,蓄电池储存的电能为$1×10^{8}J。$由内燃机提供能量,汽车以50km/h的速度匀速行驶了10km,同时蓄电池的电能增加了5%。求:
(1) 汽车测试过程中牵引力做的功。
(2) 所用燃料的热值为$4.5×10^{7}J/kg,$测试过程中消耗2.5kg燃料,则燃料燃烧放出的总热量是多少(假设燃料完全燃烧)?
(3) 汽车测试过程中,内燃机的效率是多少?

(1) 当速度为 50 km/h 时，汽车受到的阻力为 4 000 N，由于汽车做匀速直线运动，汽车受到的牵引力 $ F $ 大小与汽车受到的阻力 $ f $ 大小相等，即 $ F = f = 4000 \, \text{N} $，汽车牵引力做的功 $ W_{\text{机}} = Fs = 4000 \, \text{N} \times 1 \times 10^{4} \, \text{m} = 4 \times 10^{7} \, \text{J} $ (2) 完全燃烧 2.5 kg 燃料放出的热量 $ Q_{\text{放}} = mq = 2.5 \, \text{kg} \times 4.5 \times 10^{7} \, \text{J/kg} = 1.125 \times 10^{8} \, \text{J} $ (3) 有效利用的能量等于汽车牵引力做的功与转化成电能的能量之和，即 $ W_{\text{有}} = W_{\text{机}} + W_{\text{电}} = 4 \times 10^{7} \, \text{J} + 1 \times 10^{8} \, \text{J} \times 5\% = 4.5 \times 10^{7} \, \text{J} $，内燃机工作时的效率 $ \eta = \frac{W_{\text{有}}}{Q_{\text{放}}} \times 100\% = \frac{4.5 \times 10^{7} \, \text{J}}{1.125 \times 10^{8} \, \text{J}} \times 100\% = 40\% $

6. 发动机是汽车的核心部件,发动机的质量决定了整车的性能和品质。某辆以92号汽油为燃料的汽车,其发动机的相关数据如下表所示。表中空燃比指的是气缸内空气和燃油的质量比。

(1) 汽车以120km/h的速度匀速运动时发动机的输出功率最大,此时汽车1min内做的有用功是多少?
(2) 汽车完成一个工作循环时,汽缸内吸入的汽油和空气混合气体的质量是多少? 汽油完全燃烧放出的热量是多少?
(3) 当汽车以120km/h的速度匀速行驶时,发动机的效率是多大(结果保留1位小数)?

(1) 发动机的最大输出功率 $ P = 92 \, \text{kW} = 9.2 \times 10^{4} \, \text{W} $，时间 $ t = 1 \, \text{min} = 60 \, \text{s} $，汽车 1 min 内做的有用功 $ W_{\text{有}} = Pt = 9.2 \times 10^{4} \, \text{W} \times 60 \, \text{s} = 5.52 \times 10^{6} \, \text{J} $ (2) 汽缸内汽油和空气混合气体的体积等于汽缸的工作容积，即 $ V = V_{\text{容}} = 2 \, \text{L} = 2 \times 10^{-3} \, \text{m}^{3} $，汽油和空气混合气体的质量 $ m = \rho V = 1.3 \, \text{kg/m}^{3} \times 2 \times 10^{-3} \, \text{m}^{3} = 2.6 \times 10^{-3} \, \text{kg} $，已知空燃比是 12:1，则吸入汽油的质量 $ m_{\text{汽油}} = \frac{1}{13}m = \frac{1}{13} \times 2.6 \times 10^{-3} \, \text{kg} = 2 \times 10^{-4} \, \text{kg} $，完成一个工作循环时，汽油燃烧释放的热量 $ Q_{\text{放}} = m_{\text{汽油}} q = 2 \times 10^{-4} \, \text{kg} \times 4.6 \times 10^{7} \, \text{J/kg} = 9.2 \times 10^{3} \, \text{J} $ (3) 飞轮的转速是 3 600 r/min，则 1 min 内完成的工作循环数是 1 800 个，则 1 min 内汽油燃烧释放的热量 $ Q_{\text{放}}' = 1800Q_{\text{放}} = 1800 \times 9.2 \times 10^{3} \, \text{J} = 1.656 \times 10^{7} \, \text{J} $；发动机的效率 $ \eta = \frac{W_{\text{有}}}{Q_{\text{放}}'} \times 100\% = \frac{5.52 \times 10^{6} \, \text{J}}{1.656 \times 10^{7} \, \text{J}} \times 100\% \approx 33.3\% $