13-5 一台工作于温度分别为327°C和27°C的高温热源与低温热源之间的卡诺热机,每经历一个循环吸热2000J,则对外做功( )(A)2000J(B)1000J(C)4000J(D)500J
13-5 一台工作于温度分别为327°C和27°C的高温热源与低温热源之间的卡诺热机,每经历一个循环吸热2000J,则对外做功( )
(A)2000J
(B)1000J
(C)4000J
(D)500J
题目解答
答案
1. 转化为绝对温度:
高温热源温度:327°C + 273.15 = 600.15 K
低温热源温度:27°C + 273.15 = 300.15 K
2. 计算卡诺热机效率:
由卡诺效率的定义有:
所以,卡诺热机的效率是0.5或50%。
3. 计算热机做的工作:
热机做的工作等于它从高温热源吸取的热量与放到低温热源的热量之差。使用效率公式,我们有:
所以,答案是:(B) 1 000 J。
解析
考查要点:本题主要考查卡诺热机的效率计算及其应用,涉及热力学第二定律的相关知识。
解题核心思路:
- 卡诺热机效率公式:效率仅与高温热源和低温热源的绝对温度有关,公式为 $\eta = 1 - \dfrac{T_{\text{冷}}}{T_{\text{热}}}$。
- 做功与吸热的关系:卡诺热机对外做的功等于效率与从高温热源吸收的热量的乘积,即 $W = \eta Q_{\text{吸}}$。
破题关键点:
- 温度单位转换:将摄氏温度转换为绝对温度(开尔文)。
- 正确代入公式:注意公式中温度必须为绝对温度,且区分高温热源和低温热源的位置。
步骤1:温度单位转换
高温热源温度:
$T_{\text{热}} = 327^\circ \text{C} + 273.15 = 600.15 \, \text{K}$
低温热源温度:
$T_{\text{冷}} = 27^\circ \text{C} + 273.15 = 300.15 \, \text{K}$
步骤2:计算卡诺热机效率
根据公式 $\eta = 1 - \dfrac{T_{\text{冷}}}{T_{\text{热}}}$:
$\eta = 1 - \dfrac{300.15}{600.15} \approx 1 - 0.5 = 0.5 \, (\text{即} \, 50\%)$
步骤3:计算对外做功
由效率定义 $W = \eta Q_{\text{吸}}$,代入已知 $Q_{\text{吸}} = 2000 \, \text{J}$:
$W = 0.5 \times 2000 \, \text{J} = 1000 \, \text{J}$