7.在高温热源为 127℃,低温热源为 27℃之间工作的卡诺热机,对外做净功 8000J。维持低温热源温度不变,提高高温热源温度,使其对外做净功 10000J,若这两次循环该热机都工作在相同的两条绝热线之间,试求:(1) 后一个卡诺循环的效率;(2) 后一个卡诺循环的高温热源的温度。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查卡诺热机的效率公式、热力学第一定律以及卡诺循环的特性。
解题核心思路:
- 卡诺效率公式:效率 $\eta = 1 - \frac{T_2}{T_1}$,其中 $T_1$ 和 $T_2$ 分别为高温热源和低温热源的温度(单位:开尔文)。
- 热力学第一定律:净功 $A = Q_1 - Q_2$,其中 $Q_1$ 是从高温热源吸收的热量,$Q_2$ 是释放到低温热源的热量。
- 相同绝热线条件:两次循环在相同的绝热线之间工作,说明两次循环的 $Q_2$ 相等。
破题关键点:
- 利用初始条件计算初始效率和 $Q_1$、$Q_2$。
- 根据 $Q_2$ 不变的条件,结合新的净功 $A'$ 计算新的 $Q'_1$,进而求出新效率。
- 最后通过效率公式反推新的高温热源温度 $T'_1$。
(1) 后一个卡诺循环的效率
步骤1:计算初始效率和热量
初始高温热源温度 $T_1 = 127 + 273 = 400 \, \text{K}$,低温热源温度 $T_2 = 27 + 273 = 300 \, \text{K}$。
初始效率:
$\eta = 1 - \frac{T_2}{T_1} = 1 - \frac{300}{400} = 0.25 = 25\%$
根据热力学第一定律,净功 $A = \eta Q_1$,得:
$Q_1 = \frac{A}{\eta} = \frac{8000}{0.25} = 32000 \, \text{J}$
释放到低温热源的热量:
$Q_2 = Q_1 - A = 32000 - 8000 = 24000 \, \text{J}$
步骤2:分析新的循环条件
由于两次循环在相同的绝热线之间工作,$Q_2$ 保持不变,即 $Q'_2 = Q_2 = 24000 \, \text{J}$。
新的净功 $A' = 10000 \, \text{J}$,根据热力学第一定律:
$Q'_1 = Q'_2 + A' = 24000 + 10000 = 34000 \, \text{J}$
新效率为:
$\eta' = \frac{A'}{Q'_1} = \frac{10000}{34000} \approx 0.2941 = 29.41\%$
(2) 后一个卡诺循环的高温热源温度
步骤1:利用效率公式反推 $T'_1$
新效率 $\eta' = 1 - \frac{T_2}{T'_1}$,代入已知条件:
$0.2941 = 1 - \frac{300}{T'_1}$
解得:
$T'_1 = \frac{300}{1 - 0.2941} \approx \frac{300}{0.7059} \approx 425 \, \text{K}$
换算为摄氏度:
$t'_1 = T'_1 - 273 = 425 - 273 = 152^\circ \text{C}$