第二十章 专题训练 17.能量转化效率计算 课件- 2024-2025学年沪科版物理九年级全一册

第二十章　能源、材料与社会 专题训练 17.能量转化效率计算 1. 太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，某品牌太阳能热水器的水箱内可容纳100 kg的水。热水器的吸热板面积为 2.5 m2，若在有效日照情况下1 m2吸热板1 h内接收的太阳能约为2.1×106 J，每日有效日照时间为8 h。 (1)若水箱装满水，在有效日照时间内水的温度从22 ℃升高到42 ℃，求水吸收的热量。[c水＝4.2×103 J/(kg·℃)] 解：水吸收的热量Q吸＝c水m水(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×100 kg×(42 ℃－22 ℃)＝8.4×106 J。 (2)请计算一下每日有效日照时间内该吸热板吸收的太阳能。 解：每日有效日照时间内热水器吸收的太阳能E＝2.1×106 J/(h·m2)×2.5 m2×8 h＝4.2×107 J。 (3)求热水器的效率。 返回 2. 油电混合动力汽车有两种动力系统，汽车加速或汽油机提供的动力不足时，蓄电池的电能转化为动能，使汽车加速更快，可以降低油耗，两种动力系统也可独立工作。某款混合动力汽车在一段平直的公路上匀速行驶，求： (1)若汽车仅由汽油机提供动力，汽油机的效率是24%，汽车行驶100 km消耗汽油12 L，汽油机做的有用功是多少？(汽油的热值为5.0×107 J/L) (2)若汽车仅由电动机提供动力，汽车同样行驶100 km，即电动机做与第(1)问中相同的有用功时，电动机消耗的电能为50 kW·h，电动机的效率是多少？ (3)请结合第(1)问和第(2)问的计算过程，比较该汽车两种动力系统的百公里能耗大小，并说明能耗不同的主要原因。 解：由第(1)问和第(2)问的计算过程，可知该汽车两种动力系统的百公里能耗大小Q放＞W电，由以上计算可知，η1＜η2，能耗不同的主要原因是电动机的效率高于汽油机的效率。 返回 3. 风力发电机发电时，风机叶片在风力的推动下转动，然后带动发电机发电。已知风能密度(单位时间内通过单位面积的风能)W＝0.5ρv3，其中v为风速，ρ为空气密度。 某台风力发电机风机叶片的旋转面积S＝5×103 m2(即叶片旋转过程中所扫过的面积)，在工作过程中始终保持风速与叶片的旋转面垂直。当地空气密度为ρ＝1.2 kg/m3。 (1)请分别说出风力发电机的优点和不足。 解：风力发电机的优点：无污染，经济环保；缺点：受天气影响，不稳定。(合理即可) (2)当风速v1＝8 m/s时，求1 s内流过叶片旋转面的空气质量。 解：风力发电机的旋转面积为S＝5×103 m2，当风速为v1＝8 m/s时，1 s内流过叶片旋转面的空气体积V＝LS＝v1tS＝8 m/s×1 s×5×103 m2＝4×104 m3，空气质量m＝ρV＝1.2 kg/m3×4×104 m3＝4.8×104 kg。 (3)当风速v2＝10 m/s时，1 h输出的电能约为960 kW·h，若传动装置和齿轮箱的能量损失不计，其中发电机的效率为80%，求风机的效率。 解：当风速v2＝10 m/s时，1 h内产生的风能W总＝SWt′＝5×103 m2×0.5×1.2 kg/m3×(10 m/s)3×3 600 s＝1.08×1010 J，1 h输出的电能约为W电＝960 kW·h＝3.456×109 J，发电机的效率为80%， 返回 4. 为了节约能源保护环境，电动汽车进入了越来越多的家庭。某课外小组通过调研得知某电动汽车的电池容量为60 kW·h，电动汽车充电桩消耗电能的功率为6.6 kW。经工作人员测试，单台充电桩充满60 kW·h电池总耗时为10 h，充电桩端供电电压为220 V，输入电流为30 A。充电桩正在为一辆电动汽车充电，充电时发现充电线发热明显，其过程可以等效为如图所示的电 路，R热表示充电线发热时的等效电阻。 15 (1)试计算这个充电电路工作时的效率η(结果保留1位小数)。 解：由题意知，电池容量为60 kW·h，即充电过程中的有用功W有＝60 kW·h，单台充电桩充满60 kW·h，电池总耗时为10 h，充电桩端供电电压为220 V，输入电流为30 A，则消耗的电能W总＝UIt＝220 V×30 A×10×3 600 s＝2.376×108 J＝66 kW·h，则这个充电电路工作时的效率 (2)求充电线上损失的电压。 (3)若能量损耗均为充电线发热所致，请计算充电线发热时的等效电阻(结果保留2位小数)。 (4)如果充电桩功率不变，尝试用学过的电学知识提出进一步提高电能使用效率的方案。 返回 解：热水器的效率 η＝×100%＝×100%＝20%。 解：已知汽车行驶100 km消耗汽油12 L，汽油放出的能量Q放＝qV＝5.0×107 J/L×12 L＝6×108 J，由η＝可得，W有＝η1×Q放＝24%×6×108 J＝1.44×108 J。 解：已知汽车行驶100 km电动机消耗的电能为50 kW·h，电动机的效率η2＝×100%＝×100%＝×100%＝80%。 则风机产生的机械能W风＝＝＝4.32×109 J，则风机的效率η′＝×100%＝×100%＝40%。 解：充电线上损失的电能W损＝W额＝W总－W有＝66 kW·h－60 kW·h＝6 kW·h＝2.16×107 J，由W＝UIt得，充电线上损失的电压U损＝＝＝20 V。 解：若能量损耗均为充电线发热所致，则Q＝W损＝2.16×107 J，由Q＝I2Rt得，充电线发热时的等效电阻R＝＝≈0.67 Ω。 解：根据W总＝W有＋W额＝W有＋Q和η＝×100%，在有用功一定的情况下，可以通过减小额外功(电线上损失的电热)来提高电能使用效率。 $$