热工学第二章-习题课

DS DSf DSg
（1）闭口系经历一可逆变化过程，系统与外界交换 功量10kJ，热量-10kJ，系统熵变 。 减少
（2）闭口系经历一不可逆变化过程，系统与外界交换功 量10kJ，热量-10kJ，系统熵变 。 不一定 （3）在一稳态稳流装置内工作的流体经历一不可逆过程, 装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。 不一定 （4）在一稳态稳流装置内工作的流体，经历一可逆过程， 装置作功20kJ，与外界交换热量-15kJ，流体进出口熵变。 减少
（5）流体在稳态稳流的情况下按不可逆绝热变化，系统对外 作功10kJ，此开口系统的熵变。 变大
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三、简答题
1. ”循环输出净功愈大，则热效率愈高；可逆循环的热效率都相等； 不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。” 这些说法是否正确？为什么？
答： 不正确，热效率为输出净功和吸热量的比，因此在相同吸热量 的条件下，循环输出的净功愈大，则热效率愈高。不是所有的可逆循 环的热效率都相等，必须保证在相同的条件下。在相同的条件下，不 可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。
设为制冷循环。热源热量的正负号与热机相反，仍取孤立系统。
DSiso DSHR DSLR 20 10 10 0
符合孤立系统熵增原理，制冷循环能实现但不可逆。
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3. 用温度为500K的恒温热源加热1atm的饱和水，使 之定压汽化为干饱和蒸汽，求： 1）该过程中工质的熵变如何计算？ 2）过程中熵流和熵产。
设为热机循环
Q1 14000kJ
t C
TL 400K C 1 1 0.4286 Th 700K
Wnet 10000kJ t 0.7126 Q1 14000kJ
设为制冷循环 C TL 400K C 1.33 T0 TL 700K 400K
答：（1）W1a2大。
（2）一样大。
（3）Q1a2大。
图1 思考题5附图
5
6. 下列说法是否正确？
⑴ 气体膨胀时一定对外作功。 答：错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。 ⑵ 气体被压缩时一定消耗外功。 答：对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压 缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。 ⑶ 气体膨胀时必须对其加热。 答：错，比如气体向真空中绝热自由膨胀，不用对其加热。
DSiso DSHR DSm DSLR
高温热源放热
DS HR
低温热源吸热
QH Q1 14000 20 TH T1 700
Q1 14000kJ
Q2 QL 4000 补偿 DSLR 10 不够 TL T2 400 工质在热机中循环 DS 0 m 违背孤立系统熵增原理， DSiso 10 0 热机循环不能实现。
2. 热力学第二定律可否表述为“机械能可以全部变为热能，而热能不可 能全部变为机械能”？
答： 否。 必须保证过程结束后对系统和外界没有造成任何影响。 否则热能可以全部变为机械能，比如理想气体的定温膨胀过程，系统把从外 界吸收的热量全部转化为机械能，外界虽然没有任何任何变化，但是系统的
体积发生改变了。
Q DU W
dU 0
Q W
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2.如图某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作。 试判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?
解：
Wnet Q1 Q2 Q1 Wnet Q2 10000kJ 4000kJ 14000kJ
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方法1：卡诺定理
违背克劳修斯不等式，循环不能实现。
设为制冷循环： 不可逆的制冷循环。

Q
14000kJ 4000kJ 10kJ/K < 0 T T1 T2 700K 400K
符合克劳修斯不等式，循环可以实现。
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Q1
Q2
方法3: 孤立系统熵增原理 DSiso 0
设为热机循环。将热源、热机、冷源划为孤立系统。
3
3.绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边 盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满 整个容器。问：⑴ 空气的热力学能如何变 化？ ⑵ 空气是否作出了功？ ⑶ 能否在坐标图上 表示此过程？为什么？
答：（1）空气绝热自由膨胀过程的热力学能不变。 （2）空气对外不做功。 （ 3 ）不能在坐标图上以实线表示此过程，因为不是 准静态过程。
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一、下列说法是否正确？为什么？ ⑴ 熵增大的过程为不可逆过程。
答： 不正确。只有孤立系统才可以这样说。
⑵ 不可逆过程的熵变ΔS无法计算。
答：不正确。S为状态参数，和过程无关，知道初态和终态就可以计算。
（3）若工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，则不可
逆途径的ΔS必大于可逆途径的ΔS。
t C不可能
Q2 4000kJ 0.4 wnet 10000kJ
C 可能但不可逆
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方法2：工质的热力循环
Q

Q
T
0
Q1 14000kJ
设为热机循环：不可能发生。

Q1 Q2 Q1 Q2 T T1 T2 T1 T2 14000kJ 4000kJ 10kJ/K 0 700K 400K
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4
4. “任何没有体积变化的过程就一定不对外作功” 的说法是否正确？
答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张 力功等等，如果只考虑容积功的话，那么没有容积变化的 过程就一定不对外作功。
5.试比较图1所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各量 的大小： ⑴ W12与W1a2；(2) DU12 与DU1a2； (3) Q12与Q1a2
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3. 系统在某过程中从热源吸热20 kJ，对外作功25 kJ，请问能否通过可 逆绝热过程使系统回到初态？为什么？能否通过不可逆绝热过程使系 统回到初态？
答：否！！系统吸热熵增加。要使系统回到初态，新的过程必须使系
统熵减少。而可逆绝热过程熵不变，不可逆绝热过程熵增加，因而不可
能通过一个可逆绝热过程或者一个不可逆绝热过程使系统回到初态。 4. 既然能量是守恒的，那还有什么能量损失呢？ 答：热力学第一定律表明能量在转移和转换过程中，能量数量是 守恒不变的。但是由于在能量转移和转换的实际过程中不可避免地 存在各种不可逆因素，如相对运动的物体之间的摩擦以及传热过程 中的温差，等等，这些不可逆因素总会造成能量转移和转换后能量 品位的降低和做功能力的减少，而这种降低或减少不是能量数量上 的而是能量质量上的，即由可用能变成废热的不可逆损失，这就是 热力学第二定律所揭示的另外一种意义上的能量损失。
7. 说明下列各式的应用条件：
⑴
q Du w
q Du pdv
7
答：闭口系统的任何过程，任何工质。 ⑵
答：闭口系统的可逆过程，任何工质。
⑶
q Du ( p2 v2 p1v1 )
答：开口系统的稳定流动过程，并且技术功为零，任何工质。 ⑷ q Du p(v2 v1 ) 答：开口系统的稳定定压流动过程，并且技术功为零； 或者闭口系统的可逆定压过程。
1）由表列数据 Ds s '' s '
7.3589kJ/(kg K) 1.3028kJ/(kg K) 6.0561kJ/(kg K)
20
or
Ds
2
1
δq r 2257.6kJ/kg 6.0561kJ/(kg K) T R Ts (99.634+273)K
⑷ 气体边膨胀边放热是可能的。
答：对，如多变过程，当n大于k时，可实现边膨胀边放热。
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⑸ 气体边被压缩边吸入热量是不可能的。 答：错，如多变过程，当n大于k时，可实现边压缩边吸热。 ⑹ 对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。 答：错，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对 工质加热，其温度反而降低。
第二章 习题课
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一、简答题
2
基本概念和热力学第一定律
1. 当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际 压力愈大还是愈小？
答：真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈小。
2. 不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法 是否正确？
答：不正确。不可逆过程是指不论用任何方法都不能在外界不 遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到 初态。
解：据表
0.1MPa
ts 99.634 C时
r 2257.6kJ/kg
s ' 1.3028kJ/(kg K) s '' 7.3589kJ/(kg K) h ' 417.52kJ/kg h '' 2675.14kJ/kg h '' h ' 2257.6kJ/kg r
2）由闭口系熵方程
Dsf
2 1
Ds Ds f Dsg
δq q r 2257.6kJ/kg 4.5152kJ/(kg K) T热源 T热源 T热源 500K
Dsg Ds Dsf 6.0561kJ/(kg K) 4.5152kJ/(kg K) 1.5409kJ/(kg K)
2 2 1
or
Ds ds
1
c p dT v dp T p T
因为饱和水汽化过程
Ds ds
1 2 2 1
p ps
dp 0 且cpdT δq
δq r 6.0561kJ/(kg K) T Ts
答；不对，S为状态参数，和过程无关，ΔS相等。
（4）工质经历不可逆循环后ΔS>0。
答：不对，工质经历可逆和不可逆循环后都回到初态，所以熵变为零。
(5) 自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程 不可能实现。
答：不对，比如系统的理想气体的可逆定温压缩过程，系统对外放热，熵减小。
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二、判断各情况的熵变
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二、计算分析题
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1、 定量工质，经历了一个由四个过程组成的循环，试填充 下表中所缺的数据。 过程 1-2 2-3 3-4 4-1 解：求解依据： 对于过程： 对于循环： QQ /kJ / kJ 1390 0 -1000 0 W W /kJ / kJ 0 395 0 -5 kJ DΔU/ U /kJ 1390 -395 -1000 5