Question

目前，“节能减排”已引起全球的关注．如何减少能耗，提高汽车发动机的效率越来越受到人们的重视，大多数家用汽车的发动机均为汽油机，它把汽油燃烧产生的内能部分转化成机械能，再通过传动机构将动力传给车轮使汽车行驶，小明的爸爸新买了一辆小汽车，如图所示，小明坐着这辆汽车匀速行驶144km，用时2h，消耗汽油9kg，其发动机的功率为23kW．请运用所学的知识解答下列问题．（汽油的热值为4.6×10⁷J/kg）
（1）汽车效率比较低，原因是什么？指出两点即可．
（2）汽车匀速行驶时所受的牵引力是多大？
（3）汽车发动机的效率是多少？
（4）观察小汽车的外型，判断小汽车在水平路面高速行驶和静止时，对地面压力哪一个大？为什么？

Answer

（1）热机的工作过程是燃料燃烧，将化学能转化为内能，然后由内能转化为机械能．因此转化出来的机械能是有效利用的能量，转化成的其它能量都是损耗掉的能量．从热机的工作过程入手即可分析出汽油机效率低的原因．
（2）求出汽车的速度，利用P=Fv求牵引力大小；
（3）利用W=Fs求有用功，利用Q放=mq求汽油完全燃烧放出的热量（总能量），利用效率公式求汽油机的效率；
（4）静止时对地面的压力等于汽车自身的重力，高速行驶时，用流体压强与流速的关系可以解释这个问题．
【解析】

（1）汽油机工作时的能量损失：
①燃料在气缸内燃烧时，有一部分燃料没有完全燃烧，就随着废气被排到空气中，带走一部分能量；
②排气冲程中排出的废气温度很高，带去一部分热能；
③热机工作时，气缸机件散热，消耗一部分内能；
④热机内相对运动的机件间摩擦做功消耗能量．由于以上能量的损失，导致了汽油机的效率比较低．
（2）汽车的速度：
v===72km/h=20m/s，
∵P=Fv，
∴牵引力大小：
F===1150N；
（3）汽车行驶两小时做的有用功：
W=Fs=1150N×144000m=1.656×108J，
9kg汽油完全燃烧放出的热量：
Q放=mq=9kg×4.6×107J/kg=4.14×108J，
汽油机的效率：
η===40%；
（4）静止时对路面的压力大，因为高速行驶时，汽车上表面的空气流速大，对汽车的压强小，使汽车有一个向上托的力．
答：（1）汽车效率比较低，原因是①燃料在气缸内燃烧时，有一部分燃料没有完全燃烧，就随着废气被排到空气中，带走一部分能量；②排气冲程中排出的废气温度很高，带去一部分热能．
（2）汽车匀速行驶时所受的牵引力是150N；
（3）汽车发动机的效率是40%；
（4）静止时对路面的压力大，因为高速行驶时，汽车上表面的空气流速大，对汽车的压强小，使汽车有一个向上托的力．