工程热力学（第五版）第5章练习题

工程热力学例题与习题 第5章 热力学第二定律

5．1 本章基本要求

理解热力学第二定律的实质，卡诺循环，卡诺定理，孤立系统熵增原理，深刻理解熵的定义式及其物理意义。

熟练应用熵方程，计算任意过程熵的变化，以及作功能力损失的计算，了解火用、火无 的概念。 5．2 本章重点:

学习本章应该掌握以下重点内容:,

l．深入理解热力学第二定律的实质，它的必要性。它揭示的是什么样的规律；它的作用。

2．深入理解熵参数。为什么要引入熵。是在什么基础上引出的。怎样引出的。它有什么特点。

3．系统熵变的构成，熵产的意义，熟练地掌握熵变的计算方法。 4．深入理解熵增原理,并掌握其应用。

5．深入理解能量的可用性，掌握作功能力损失的计算方法 5．3 本章难点

l．过程不可逆性的理解，过程不可逆性的含义。不可逆性和过程的方向性与能量可用性的关系。

2．状态参数熵与过程不可逆的关系。 3．熵增原理的应用。 4．不可逆性的分析和火用 分析. 5．4 例题

例1：空气从P1=0.1MPa，t1=20℃，经绝热压缩至P2=0.42MPa，t2=200℃。求：压缩过程工质熵变。（设比热为定值）。

解：定压比热：

CP?77R??0.287?1.005kJ/kg?k 22由理想气体熵的计算式：

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工程热力学例题与习题 ?S12?CPlnT2P4730.42?Rln2?1.005ln?0.287ln?0.069kJ/kg?k T1P2930.11.例2：刚性容器中贮有空气2kg，初态参数P1=0.1MPa，T1=293K，内装搅拌器，输入轴功率WS=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为Q?0.1kW。求：工作1小时后孤立系统熵增。

解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：Ws?Q??U 经1小时，

..3600Ws?3600Q?mCv?T2?T1??..?3600?W?Q????293?3600?0.2?0.1??544K T2?T1?mCv2?0.7175..由定容过程：

P2T2T544， P2?P12?0.1???0.186MPa

P1T1T1293取以上系统及相关外界构成孤立系统：

?Siso??Ssys??Ssur

?Ssur?Q3600?0.1??1.2287kJ/K T0293?Siso?0.8906?1.2287?2.12kJ/K

例3：压气机空气由P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。设环境温度为T0=300K。

求：压缩每kg气体的总熵变。

解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：

WSO?RTlnv2P100?RTln1?0.287?400ln??264.3kJ/kg v1P21000实际消耗轴功：

WS?1.25??264.3???330.4kJ/kg

由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：WS?h1?q?h2 因为理想气体定温过程：h1=h2 故：q?WS??330.4kJ/kg

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工程热力学例题与习题 孤立系统熵增：?Siso??Ssys??Ssur 稳态稳流：?Ssys?0

?Ssur?S2?S1?Pqq?Rln1?T0P2T0100330.4?0.287ln??0.44kJ/kg?k1000300

例4：已知状态P1=0.2MPa，t1=27℃的空气，向真空容器作绝热自由膨胀，终态压力为P2=0.1MPa。求：作功能力损失。（设环境温度为T0=300K）

解：取整个容器（包括真空容器）为系统， 由能量方程得知：U1?U2，T1?T2?T 对绝热过程，其环境熵变

?Ssys?CPln?RlnT2PP?Rln2?0?Rln2T1PP11P0.21?0.287ln?0.199kJ/kg?kP20.1

?W?T0?Siso?300?0.44?132kJ/kg

例5：如果室外温度为-10℃，为保持车间内最低温度为20℃，需要每小时向车间供热36000kJ,求：1) 如采用电热器供暖,需要消耗电功率多少。2) 如采用热泵供暖，供给热泵的功率至少是多少。3) 如果采用热机带动热泵进行供暖，向热机的供热率至少为多少。图5.1为热机带动热泵联合工作的示意图。假设：向热机的供热温度为600K，热机在大气温度下放热。

600K 293K ? Q1热泵 ?? Q1? W热机

图5.2

263K

图5.1

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工程热力学例题与习题 解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率, 故电功率为

W?Q?..36000= 10kW 36002)如果热泵按逆向卡诺循环运行，而所需的功最少。则逆向卡诺循环的供暖系数为

?W?..QW?T1=9.77 T1?T2.热泵所需的最小功率为W?Q.?W=1.02kW

3)按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为W时所需的供热率为最小。

由 ?c?1?T2263?1??0.56 T1600.热机按所需的最小供热率为

Qmin?W/?tc?..1.02?1.82kW 0.56

例6：一齿轮箱在温度T=370K的稳定状态下工作，输入端接受功率为100kW，而输出功率为95kW,周围环境为270K。现取齿轮箱及其环境为一孤立系统(见图5.2) 1)试分析系统内发生哪些不可逆过程。并计算每分钟内各不可逆过程的熵产及作功能力的损失。计算系统的熵增及作功能力总的损失。

解：1)此孤立系统内进行着两个不可逆过程：由于齿轮箱内部的摩擦将功变为热的过程,齿轮箱(T=370K)与环境(To=270K)间的温差传热过程。分别计算如下,

每分钟内齿轮箱中损失的功Wl'及传向环境的热Q

Wl'=60×(100-95)=300kJ

因齿轮箱在稳定状态下工作，?U?0

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工程热力学例题与习题 其能量平衡关系为

(-Q)= ?U+W =0+60×95-60×100=-300kJ 故Q=300kJ

(2)齿轮箱内不可逆过程的熵产与作功能力损失 熵产

?Sg1作功能力损失

Wl1?T0?Sg1= 270×0.8108=218.92kJ

Wl'=0.8108kJ /K ?T(3)齿轮箱与环境间温差传热所引起的熵产与作功能力损失 熵产 ?Sg2?Q(1111?)?300(?)?0.3003kJ/K T0T270370Wl2?T0?Sg2= 270×0.3003=81.08kJ

作功能力损失

2)孤立系统的熵增及作功能力的损失

解一： 孤立系统的熵增为各不可逆过程中熵产之和

?Siso??Sg1??Sg2 =0.8108+0.3003=1.111kJ/K

作功能力总损失W=218.92+81.08=300kJ

解二：孤立系统的熵增为齿轮箱的熵变化?S1与环境的熵变化?Sg之和。因齿轮箱在稳定状态下工作，故其熵变化

?S1=0

而环境在温度T0=270K的情况下接受热量Q，故其熵变化为

?S2?Q = 1.11kJ/K T0因此,孤立系统的熵增为

?Siso??S1??S2= =0+1.111=1.111kJ/K

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工程热力学例题与习题 5．过程方程适用于闭口系统和开口系统的可逆过程。( )

6．某热力系统经历一熵增过程，则该系统可经一绝热过程而回复到初态( )

7．系统熵减少的过程，必须是放热过程( )

8．不可逆绝热稳定流动系统中,系统熵的变化?ssys=0 ( ) 9．一切实际过程都有熵产。( )

10．孤立系统熵增越大,作功能力损失越多。（ ）

二、选择题

1．如果热机从热源取热100KJ，对外作功100kJ，则 A）违反第一定律、违反第二定律 B）不违反第一、二定律 C）A和B

2．闭口系统进行可逆绝热膨胀过程1-2，则 A.）火用差>膨胀功; B）火用差〈膨胀功;

C）火用差=膨胀功; D）不能决定火用差和膨胀功的大小

3．某致冷机在热源T1 =300K及冷源T2=250K之间工作，其制冷量为1000KJ，消耗功为250kJ,此致冷机是 。

A）可逆的 B）不可逆的 C)不可能的 D).可逆或不可逆的 4．两种性质不同，但状态相同的气体作绝热混合,其熵变为________ A）零 B）负 C）正 D）不确定 5．自发过程的特点是

A）系统熵必然减少 B）伴随非自发过程才能进行 C）不可逆 D)可逆

三、填空题

l．凡是牵涉到热现象的一切过程，都具有 性和 性。 2．在孤立系统内，自发过程进行的结果,系统由 达到平衡态，决不会已经达到平衡态的重新变为 。

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工程热力学例题与习题 3．热力学第二定律的各种经典说法是 ，若其中一种说法不成立，则其它说法 。

4.在可逆过程中,系统熵的增加,意味着系统 ，在孤立系统中，熵的增加则意味着过程为 。

5.卡诺循环热效率?tc= ，逆卡诺循环的致冷系数?1c= 。

四、名词解释 孤立系统 热力学第二定律 可用能与不可用能 卡诺定理 内能火用

五、计算题

1．在刚性容器中有压力为130KPa,温度为330K的空气1kg，从温度为500K的热源吸热后压力升到200KPa，已知环境温度为300K。求由于传热的不可逆性而引起的可用能损失。

2．在常压下对3kg水加热，使水温由25℃升到95℃,设环境温度为15℃,求水吸热量中的可用能为多少? 若将95℃的3kg水与20℃的2kg水混合,求混合过程可用能损失?(水的比热取Cp=4.19KJ/kgK)。

T1=720K, p1=2bar，3．空气1kg，进行定容过程1-2，压力降为p2=lbar，

然后进行定压过程2-3，使v3?4v2，求1-2及2-3过程中的膨胀功及整个过程中熵的变化。

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