工程热力学(第五版)第5章练习题.doc

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： 由理想气体熵的计算式： 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。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： 经1小时， 由定容过程：， 取以上系统及相关外界构成孤立系统： 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： 实际消耗轴功： 由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化： 因为理想气体定温过程：h1=h2 故： 孤立系统熵增： 稳态稳流： 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：， 对绝热过程，其环境熵变 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。 图5.2 解：1)用电热器供暖，所需的功率即等于供热率, 故电功率为 = 10kW 2)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 =9.77 热泵所需的最小功率为=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，输出功率为时所需的供热率为最小。 由 热机按所需的最小供热率为 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及传向环境的热Q =60×(100-95)=300kJ 因齿轮箱在稳定状态下工作， 其能量平衡关系为 (-Q)= +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 =0.8108kJ /K 作功能力损失 = 270×0.8108=218.92kJ (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 作功能力损失 = 270×0.3003=81.08kJ 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 =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与环境的熵变化之和。因齿轮箱在