题目
一卡诺热机的低温热源温度为7℃,效率为40%,若要将其效率提高到50%,求高温热源的温度需提高多少?
一卡诺热机的低温热源温度为7℃,效率为40%,若要将其效率提高到50%,求高温热源的温度需提高多少?
题目解答
答案
卡诺热机效率η=1-T1/T2(T1、T2分别表示低温热源和高温热源的温度,单位为K)第一次T1=7℃=280K,效率为40%,代入η=1-T1/T2解得高温热源温度T2=466.7K第二次T1=7℃=280K,效率为50%,代入η=1-T1/T2解得高温热源温度T2=560K所以高温热源温度应提高560-466.7=93.3K=93.3℃
解析
考查要点:本题主要考查卡诺热机效率公式的应用,以及温度单位的转换。
解题核心思路:利用卡诺热机效率公式 $\eta = 1 - \frac{T_1}{T_2}$,分别代入初始效率和目标效率,求出对应的高温热源温度 $T_2$,再计算温度差。
破题关键点:
- 公式选择:明确卡诺热机效率公式中温度必须为绝对温度(开尔文)。
- 单位转换:将摄氏度转换为开尔文($T(K) = T(℃) + 273.15$)。
- 代数运算:通过公式变形求解 $T_2$,并注意两次计算的低温热源温度保持不变。
步骤1:初始效率对应的高温热源温度
已知低温热源温度 $T_1 = 7℃ = 280\ \text{K}$,效率 $\eta_1 = 40\% = 0.4$,代入公式:
$\eta_1 = 1 - \frac{T_1}{T_2^{(1)}} \implies 0.4 = 1 - \frac{280}{T_2^{(1)}}$
解得:
$T_2^{(1)} = \frac{280}{1 - 0.4} = \frac{280}{0.6} \approx 466.7\ \text{K}$
步骤2:目标效率对应的高温热源温度
目标效率 $\eta_2 = 50\% = 0.5$,低温热源温度仍为 $T_1 = 280\ \text{K}$,代入公式:
$\eta_2 = 1 - \frac{T_1}{T_2^{(2)}} \implies 0.5 = 1 - \frac{280}{T_2^{(2)}}$
解得:
$T_2^{(2)} = \frac{280}{1 - 0.5} = \frac{280}{0.5} = 560\ \text{K}$
步骤3:计算温度差
高温热源需提高的温度为:
$\Delta T = T_2^{(2)} - T_2^{(1)} = 560 - 466.7 = 93.3\ \text{K}$
由于开尔文与摄氏度的温差相等,最终结果为 $93.3℃$。