题目
物体的初温 T_1 高于热源的温度 T_2. 有一热机在此物体与热源之间工作, 直到将物体的温度降低到 T_2 为止. 若热机从物体吸取的热量为 Q, 试根据熵增加原理证明, 此热机所能输出的最大功为W_(max ) = Q - T_2(S_1 - S_2)其中 S_1 - S_2 是物体的熵变.
物体的初温 $T_1$ 高于热源的温度 $T_2$. 有一热机在此物体与热源之间工作, 直到将物体的温度降低到 $T_2$ 为止. 若热机从物体吸取的热量为 $Q$, 试根据熵增加原理证明, 此热机所能输出的最大功为
$W_{\max } = Q - T_2(S_1 - S_2)$
其中 $S_1 - S_2$ 是物体的熵变.
题目解答
答案
根据题目,物体的熵变 $ S_1 - S_2 = \int_{T_1}^{T_2} \frac{\delta Q_{\text{物}}}{T} $。
系统总熵变满足:
\[
\Delta S_{\text{总}} = (S_2 - S_1) + \frac{Q'}{T_2} \geq 0 \implies Q' \geq T_2 (S_1 - S_2)
\]
当 $ Q' = T_2 (S_1 - S_2) $ 时,过程可逆,$ W $ 最大:
\[
W_{\text{max}} = Q - Q' = Q - T_2 (S_1 - S_2)
\]
因此,热机输出的最大功为:
\[
\overline{W}_{\text{max}} = Q - T_2 (S_1 - S_2)
\]
证毕。
解析
本题考查热力学第二定律中的熵增加原理以及热机效率相关知识。解题的关键思路是先明确系统总熵变的组成部分,再根据熵增加原理得到系统总熵变的不等式关系,最后结合热机做功与吸放热的关系求出最大功。
- 确定物体的熵变:
已知物体的初温为$T_1$,末温为$T_2$,根据熵变的定义式,物体的熵变$\Delta S_{物}=S_2 - S_1=\int_{T_1}^{T_2}\frac{\delta Q_{物}}{T}$,这里$\delta Q_{物}$是物体在温度$T$时的微小热量变化。 - 分析系统总熵变:
系统由物体和热源组成,系统的总熵变$\Delta S_{总}$等于物体的熵变$\Delta S_{物}$与热源的熵变$\Delta S_{源}$之和。
热机从物体吸取热量$Q$,则物体放出热量$Q$,即$\delta Q_{物}=-Q$(这里负号表示物体放热)。
热源吸收的热量为$Q'$,热源的熵变$\Delta S_{源}=\frac{Q'}{T_2}$(因为热源温度始终为$T_2$)。
所以系统总熵变$\Delta S_{总}=(S_2 - S_1)+\frac{Q'}{T_2}$。
根据熵增加原理,对于一个孤立系统(本题中物体和热源组成的系统可近似看作孤立系统),其总熵变$\Delta S_{总}\geq0$,即$(S_2 - S_1)+\frac{Q'}{T_2}\geq0$。
移项可得$Q'\geq T_2(S_1 - S_2)$。 - 计算热机的最大功:
根据热力学第一定律,热机对外做功$W$等于热机从物体吸收的热量$Q$减去热机向热源放出的热量$Q'$,即$W = Q - Q'$。
由$Q'\geq T_2(S_1 - S_2)$可知,当$Q' = T_2(S_1 - S_2)$时,$Q'$取得最小值,此时$W$取得最大值$W_{max}$。
将$Q' = T_2(S_1 - S_2)$代入$W = Q - Q'$,可得$W_{max}=Q - T_2(S_1 - S_2)$。