题目
某动力循环在平均温度 460^circmathrm(C) 下得到单位质量工质的热量为 3280mathrm(~kJ/kg),向温度为 20^circmathrm(C) 的冷却水放出的热量为 980mathrm(~kJ/kg)。如果工质没有其它热交换,此循环满足克劳修斯不等式吗?
某动力循环在平均温度 $460^{\circ}\mathrm{C}$ 下得到单位质量工质的热量为 $3280\mathrm{~kJ/kg}$,向温度为 $20^{\circ}\mathrm{C}$ 的冷却水放出的热量为 $980\mathrm{~kJ/kg}$。如果工质没有其它热交换,此循环满足克劳修斯不等式吗?
题目解答
答案
根据题目数据,$ T_H = 733.15 \, K $,$ T_C = 293.15 \, K $,$ q_H = 3280 \, \text{kJ/kg} $,$ q_C = 980 \, \text{kJ/kg} $。
将数据代入克劳修斯不等式:
\[
\frac{q_H}{T_H} - \frac{q_C}{T_C} = \frac{3280}{733.15} - \frac{980}{293.15} \approx 4.473 - 3.343 = 1.130 > 0
\]
显然,$ \frac{q_H}{T_H} - \frac{q_C}{T_C} > 0 $,不满足克劳修斯不等式。
此外,实际效率 $ \eta = \frac{2300}{3280} \approx 0.699 $ 超过卡诺效率 $ \eta_{\text{Carnot}} = 0.600 $,违反热力学第二定律。
结论:该循环不满足克劳修斯不等式。
解析
本题考查克劳修斯不等式的应用以及对热力学第二定律的理解。解题思路是先将题目中给定的摄氏温度转换为热力学温度,然后根据克劳修斯不等式的公式,将已知的热量和温度数据代入进行计算,通过计算结果判断该循环是否满足克劳修斯不等式。同时,还可以通过计算实际效率和卡诺效率并比较大小,进一步验证该循环是否违反热力学第二定律。
- 温度单位转换:
- 已知高温热源平均温度$T_{H(^{\circ}C)} = 460^{\circ}C$,根据热力学温度与摄氏温度的转换公式$T(K)=t(^{\circ}C)+273.15$,可得高温热源的热力学温度为:
$T_{H}=460 + 273.15=733.15K$ - 已知低温热源温度$T_{C(^{\circ}C)} = 20^{\circ}C$,同理可得低温热源的热力学温度为:
$T_{C}=20 + 273.15=293.15K$
- 已知高温热源平均温度$T_{H(^{\circ}C)} = 460^{\circ}C$,根据热力学温度与摄氏温度的转换公式$T(K)=t(^{\circ}C)+273.15$,可得高温热源的热力学温度为:
- 计算工质对外做的功:
- 根据能量守恒定律,工质对外做的功$w$等于从高温热源吸收的热量$q_{H}$减去向低温热源放出的热量$q_{C}$,已知$q_{H} = 3280kJ/kg$,$q_{C} = 980kJ/kg$,则:
$w=q_{H}-q_{C}=3280 - 980=2300kJ/kg$
- 根据能量守恒定律,工质对外做的功$w$等于从高温热源吸收的热量$q_{H}$减去向低温热源放出的热量$q_{C}$,已知$q_{H} = 3280kJ/kg$,$q_{C} = 980kJ/kg$,则:
- 应用克劳修斯不等式判断:
- 克劳修斯不等式的表达式为$\oint\frac{\delta Q}{T}\leq0$,对于本题的简单循环,可表示为$\frac{q_{H}}{T_{H}}-\frac{q_{C}}{T_{C}}\leq0$。
- 将$T_{H}=733.15K$,$T_{C}=293.15K$,$q_{H} = 3280kJ/kg$,$q_{C} = 980kJ/kg$代入上式得:
$\frac{q_{H}}{T_{H}}-\frac{q_{C}}{T_{C}}=\frac{3280}{733.15}-\frac{980}{293.15}$
$\approx4.473 - 3.343=1.130>0$ - 由于计算结果大于$0$,不满足克劳修斯不等式$\frac{q_{H}}{T_{H}}-\frac{q_{C}}{T_{C}}\leq0$。
- 通过效率比较进一步验证:
- 实际效率$\eta$的计算公式为$\eta=\frac{w}{q_{H}}$,将$w = 2300kJ/kg$,$q_{H} = 3280kJ/kg$代入可得:
$\eta=\frac{2300}{3280}\approx0.699$ - 卡诺效率$\eta_{Carnot}$的计算公式为$\eta_{Carnot}=1-\frac{T_{C}}{T_{H}}$,将$T_{H}=733.15K$,$T_{C}=293.15K$代入可得:
$\eta_{Carnot}=1-\frac{293.15}{733.15}\approx1 - 0.4=0.6$ - 因为$\eta = 0.699>\eta_{Carnot}=0.6$,实际效率超过卡诺效率,违反了热力学第二定律,进一步说明该循环不满足克劳修斯不等式。
- 实际效率$\eta$的计算公式为$\eta=\frac{w}{q_{H}}$,将$w = 2300kJ/kg$,$q_{H} = 3280kJ/kg$代入可得: