12.4 热机与社会发展 练习题（含解析）

12.4　热机与社会发展 　　　　　　　　　　 　　　　 　　　
题组1　热机及其冲程判断　　　　　　　
1.热机的种类很多,除了内燃机以外,还有蒸汽机、汽轮机、喷气发动机等,从能量转化的角度来看,不论哪类热机都是把　　　　能转化为　　　　能。?
2.我国将面向2030年部署一批与国家战略长远发展和人民生活紧密相关的重大科技项目和重大工程。其中,航空发动机和燃气轮机专项已经启动,下列我国“陆、海、空、天”装备中的动力机械不属于热机的是 (　　)
A.中国高铁交流异步牵引电动机
B.052D型导弹驱逐舰燃气轮机
C.歼-20战机涡扇15煤油发动机
D.“长征五号”火箭液氢液氧发动机
3.如图1所示为四冲程内燃机工作时的示意图,一个工作循环的正确顺序为 (　　)
图1
A.甲、乙、丙、丁 B.丁、丙、乙、甲
C.甲、丁、乙、丙 D.甲、丙、乙、丁
4.关于汽油机与柴油机的说法中,不正确的是 (　　)
A.汽油机与柴油机使用的燃料不同
B.柴油机气缸顶部有个喷油嘴,汽油机气缸顶部有个火花塞
C.柴油机与汽油机除使用的燃料不同外,在构造上完全相同
D.柴油机采用压燃式点火,汽油机采用点燃式点火
题组2　内燃机的能量转化　　　　　　　
5. 如图2所示,用力将空气压缩引火仪的活塞迅速下压,玻璃筒底部的硝化棉冒烟燃烧,下压过程中将机械能转化为　　　　能,此过程与汽油机的　　　　　冲程能量转化形式相同。?

图2 图3
6. 扣动步枪扳机,射出一颗子弹。弹壳内火药燃烧将　　　　能转化为燃气的内能,燃气推动子弹在枪膛中运动,该过程相当于内燃机的　　　　冲程。?
7.汽车已成为现代生活中不可缺少的一部分。汽油机的四个冲程中,使汽车获得动力的冲程是 (　　)
A.吸气冲程
B.压缩冲程
C.做功冲程
D.排气冲程
8.如图3所示,给试管里的水加热,水沸腾后,水蒸气推动橡皮塞冲出试管口,这个过程与图4四冲程汽油机工作示意图中,哪一个冲程的能量转化过程是相同的 (　　)
图4
9.关于汽油机的压缩冲程的说法中正确的是 (　　)
A.气缸中的工作物质压强增大,温度降低
B.气缸中的工作物质压强减小,温度升高
C.气缸中的工作物质内能增大,温度升高
D.气缸中的工作物质内能减小,温度降低
题组3　与热机有关的计算　　　　　　　
10. 一台四冲程汽油机正常工作时曲轴和飞轮的转速是2400 r/min, 它每秒完成　　　　个冲程,对外做功　　　　次。?
11.一台四冲程汽油机,其中　　　　冲程将机械能转化为内能;已知所用汽油的热值是4.6×107 J/kg,完全燃烧2 g汽油所释放的热量是　　　　J。若热机效率为42%,燃烧2 g汽油转化的机械能是　　　　J,若这些机械能全部转化为热量,能使质量为1 kg的水温度升高　　　　℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]?
12.如图5甲所示,小明在吹气球时,被吹大了的气球没能用手握住,呼啸着飞了出去,若他及时捡拾起气球,将会感觉到它喷气的嘴部温度和原来相比　　　　(选填“变高”“变低”或“没有变化”),此过程发生的能量转化与图乙中　　　　的能量转化是一致的。若一台四冲程柴油机,飞轮转速为3000 r/min,气缸在做功冲程中,每次做功400 J,柴油机的效率为40%,则每分钟消耗柴油的质量为　　　　kg。(柴油的热值为4.0×107 J/kg)?
图5
13.关于热机效率,下列说法正确的是 (　　)
A.因为能量是守恒的,所以热机的效率可以达到100%
B.采用热值高的燃料一定能提高热机的效率
C.效率越高的热机功率越大
D.热机效率越高,它将内能转化为机械能的比例越大
14.百公里油耗指的是汽车在道路上行驶时每百公里的平均燃料消耗量,是汽车耗油量的一个衡量指标。由于多数车辆在90 km/h接近经济车速,因此大多对外公布的理论油耗通常为90 km/h的百公里匀速油耗。某品牌汽车以90 km/h的速度行驶100 km油耗为8 L,汽车发动机的输出功率为25 kW(已知汽油的密度为0.75×103 kg/m3,热值为4.5×107 J/kg)。试求:
(1)8 L汽油完全燃烧放出的热量。
(2)行驶100 km发动机所做的功。
(3)该品牌汽车发动机的热机效率。
【能力提升】
15.图6甲为四缸发动机工作原理:内燃机通过连杆把四个气缸的活塞连在一根曲轴上,并使各气缸的做功过程错开,在飞轮转动的每半周里,都有一个气缸在做功,其他三个气缸分别在做吸气、压缩和排气工作。
图6
(1)发动机在做功冲程里,高温、高压的燃气推动活塞向下运动,对外做功,同时将　　　　能转化为　　　　能。?
(2)图乙为发动机在做功冲程中的示意图。下面给出公式W=pV的证明,请将推导过程补充完整(要求各表达式均用S、L或p表示):设活塞的横截面积为S,冲程长为L,燃气对活塞的压强为p,则燃气对活塞的压力F=　　　　,燃气对活塞所做的功W=　　　　,又根据数学知识可知发动机的单缸排量V=　　　　,故 W=pV。?　　　　　　　　　　 　　　　 　　
答案
1.内　 机械
[解析] 蒸汽机、汽轮机、喷气发动机在工作过程中,都是将燃料燃烧产生的内能转化为机械能,都属于热机。
2.A　3.C　4.C
5.内　压缩
6.化学　做功
7.C
8.C　[解析] 水沸腾后,水蒸气推动橡皮塞冲出试管口,是水蒸气的内能转化为机械能,与做功冲程中的能量转化相同;图A中,两气门都关闭,活塞上行,气缸容积变小,是压缩冲程,此冲程将机械能转化为内能;图B中,排气门开启,活塞上行,气体流出气缸,是排气冲程;图C中,两气门都关闭,活塞下行,气缸容积变大,是做功冲程,此冲程将内能转化为机械能;图D中,进气门开启,活塞下行,气体流入气缸,是吸气冲程。
9.C　
10.80　20
[解析] 飞轮转速是2400 r/min,合40 r/s,表示每秒钟飞轮转动40圈,因为一个工作循环完成四个冲程,活塞往复运动2次,曲轴和飞轮转动2周,对外做功1次,所以,该汽油机每秒完成80个冲程,对外做功20次。
11.压缩　9.2×104　3.864×104　9.2
[解析] (1)内燃机的四个冲程中,压缩冲程将机械能转化为内能。
(2)2 g汽油完全燃烧放出的热量:Q=qm=4.6×107 J/kg×0.002 kg=9.2×104 J。
(3)燃烧2 g汽油转化的机械能为W=ηQ=42%×9.2×104 J=3.864×104 J。
(4)Q吸=W=3.864×104 J,由Q吸= cmΔt可知,水升高的温度:Δt=Q吸cm'=3.864×104 J4.2×103 J/(kg·℃)×1kg=9.2 ℃。
12.变低　A　0.0375
[解析] (1)气球内的气体向外喷出,气体对外做功,内能转化为气球的机械能,所以气球内气体的温度降低,此过程发生的能量转化与汽油机的做功冲程的能量转化相同。图乙中,图A的进气门和排气门都关闭,高温高压的燃气推动活塞做功,将内能转化为机械能,是做功冲程,即与图A中的能量转化相同。
(2)飞轮每转两圈,对外做功一次,1 min飞轮转动3000 r,则1 min柴油机对外做功1500次,
每分钟柴油机做的功:W=1500×400 J=6×105 J,
由η=WQ×100%得,柴油完全燃烧放出的热量:
Q放=Wη=6×105 J40%=1.5×106 J,
由Q=mq得,每分钟消耗柴油的质量:
m=Q放q=1.5×106 J4.0×107J/kg=0.0375 kg。
13.D　[解析] 热机在工作时,不可避免会有能量损失,所以效率不可能达到100%,A错误;选用热值高的燃料,其利用率不一定高,所以不一定能提高热机的效率,B错误;热机的效率与热机功率无关,二者是两个不同的概念,C错误;热机效率越高,热机用来做有用功的能量与燃料完全燃烧产生的能量之比越大,将内能转化为机械能的比例越大,D正确。
14.(1)汽车百公里耗油的体积:V=8 L=8×10-3 m3,
汽油的质量:m=ρV=0.75×103 kg/m3×8×10-3 m3=6 kg,
汽油完全燃烧放出的热量:Q=mq=6 kg×4.5×107 J/kg=2.7×108 J。
(2)汽车的速度:v=90 km/h=25 m/s,
行驶100 km发动机做的功:
W=Pt=P×sv=2.5×104 W×1×105 m25m/s=1×108 J。
(3)发动机的效率:η=WQ×100%=1×108 J2.7×108 J×100%≈37.04%。
15.(1)内　机械　(2)pS　pSL　SL
[解析] (1)发动机在做功冲程中,高温、高压的燃气推动活塞向下运动,对外做功,同时将内能转化为机械能。
(2)由p=FS可得,活塞受到的压力:F=pS;在做功冲程,活塞移动的距离为L,发动机的单缸排量V=SL,故燃气对活塞所做的功:W=FL=pSL=pV。