热机 热机效率 经典练习题

热机热机效率经典练习题一、热机：能量转化的核心装置在现代工业与日常生活中，热机扮演着不可或缺的角色。从驱动汽车的内燃机到发电站的汽轮机，热机的本质是一种将燃料燃烧时释放的内能转化为机械能的装置。其工作原理基于能量的转化与守恒定律，但更深刻地受到热力学第二定律的制约。热机的工作过程通常涉及工质（如燃气、蒸汽）从高温热源吸收热量，部分转化为有用功，其余部分向低温热源（如大气环境）释放。常见的热机类型包括蒸汽机、内燃机（汽油机、柴油机）、燃气轮机和喷气发动机等。尽管它们的结构和应用场景各异，但其核心功能——能量形式的转化——是一致的。以汽油机为例，燃料在气缸内燃烧，产生高温高压燃气，推动活塞做功，进而通过曲柄连杆机构将往复运动转化为旋转机械能。二、热机效率：衡量性能的关键指标热机效率是评价热机性能最为重要的指标之一，它反映了热机将燃料化学能转化为有用机械能的有效程度。从能量转化的角度看，热机效率定义为热机对外输出的有用功（W）与燃料完全燃烧所释放的总能量（Q总，或称为输入热量Q吸）之比。数学表达式为：η=(W有用/Q总)×100%在实际应用中，Q总通常可以通过燃料的热值（q）和消耗的燃料质量（m）计算得出，即Q总=q×m。因此，效率公式也可表示为η=(W有用/(q×m))×100%。需要明确的是，由于热力学第二定律的限制，任何热机的效率都不可能达到100%。开尔文-普朗克表述指出，不可能从单一热源吸收热量并使之完全转化为有用功而不产生其他影响。这意味着总有一部分能量会以废热的形式散失到环境中。对于理想热机（卡诺热机），其效率仅取决于高温热源和低温热源的热力学温度，且实际热机的效率往往远低于同条件下的卡诺效率。实际热机效率低下的原因是多方面的，包括工质与气缸壁的热交换损失、废气带走的热量、机械部件间的摩擦损耗、燃烧不完全以及散热等。因此，提高热机效率一直是工程热力学和机械工程领域的重要研究方向，例如优化燃烧过程、改进传热设计、采用涡轮增压技术、开发新型绝热材料等。三、经典练习题解析练习题一：基础效率计算题目：一台汽油机，完全燃烧一定质量的汽油后，输出了3.6×10^6焦耳的有用功。已知这些汽油完全燃烧释放的热量为1.2×10^7焦耳，求该汽油机的效率。分析与解答：本题直接考查热机效率的基本定义和公式应用。已知：W有用=3.6×10^6J，Q总=1.2×10^7J。根据效率公式η=(W有用/Q总)×100%，代入数值：η=(3.6×10^6J/1.2×10^7J)×100%=0.3×100%=30%。因此，该汽油机的效率为30%。练习题二：综合应用与能量损耗分析题目：某柴油机在工作时，消耗了5kg柴油。已知柴油的热值为q=4.3×10^7J/kg，若该柴油机的效率为30%，求：（1）这些柴油完全燃烧所释放的总热量是多少？（2）该柴油机对外做的有用功是多少？（3）若有40%的热量通过废气带走，那么废气带走的热量是多少？分析与解答：本题综合考查了燃料燃烧放热、热机效率以及能量分配的知识点。（1）计算柴油完全燃烧释放的总热量Q总：Q总=m×q=5kg×4.3×10^7J/kg=2.15×10^8J。（2）根据效率公式计算有用功W有用：η=W有用/Q总→W有用=η×Q总=30%×2.15×10^8J=0.3×2.15×10^8J=6.45×10^7J。（3）计算废气带走的热量Q废气：题目中指出40%的热量通过废气带走，这里的“热量”指的是总热量Q总。Q废气=40%×Q总=0.4×2.15×10^8J=8.6×10^7J。讨论：从计算结果可以看出，即使不考虑其他形式的能量损失（如散热、摩擦等），仅废气带走的热量（8.6×10^7J）就已经超过了有用功（6.45×10^7J），这直观地说明了提高热机效率的潜力和必要性。通过上述练习，可以加深对热机效率概念的理解，并掌握其基本计算方法。