【环境】化工过程的能量分析习题

【关键字】环境

第5章化工过程的能量分析

一、是否题

1．系统熵增加的过程必为不可逆过程。

错

2．绝热过程必是定熵过程。

错

3. 热温熵即过程的熵变。

错。过程熵变的定义为，即可逆过程的热温商才是熵变。

4．对一个绝热不可逆过程，是否可以设计一个绝热可逆过程来计算其熵变化？

否。绝热不可逆过程是自发过程，而绝热可逆过程是平衡过程，两者不能替代。但是对一个不可逆过程的熵变，可以设计一系列可逆过程来计算有相同初、终态的过程熵变。

5. 不可逆过程一定是自发的，自发过程一定是不可逆的。

否。自发过程一定是不可逆的，但不可逆过程不一定是自发的。例如：理想气体的等外压压缩就不是自发过程，但是不可逆过程。

6. 功可以全部转变成热，但热一定不能全部转化为功。

否。功可以自发地全部变为热，热也可以全部转化为功，但一定会引起其他变化。例如，理想气体等温膨胀是ΔT=0；ΔU=0，Q=W，热全部转化为功，但系统的体积变大了，压力变小了。

7. 无论流体的温度高于或低于环境温度，其有效能均为正

对。根据热力学原理，一切不平衡状态均走向平衡，可以作功。因此所有偏离环境温度的状态应具有正的有效能。

二、选择题

1．理想气体流过节流阀，其参数变化为。

A ⊿T ＝0, ⊿S＝0

B ⊿T ＝0, ⊿S＞0

C ⊿T ≠ 0, ⊿S＞0

D ⊿T ＝0, ⊿S＜0

(B)。系统工质经历一个可逆定温过程，由于温度没有变化，故该系统不能与外界交换能量。2．（1）孤立体系的熵永远增加。

（2）在绝热的条件下，趋向平衡的过程中，体系的熵增加。

（3）孤立体系的熵永不减少。

（4）可用体系的熵函数的增加或不变来判断过程是否可逆。

上述表述中全部错误的是

A (1) (4)

B (2) (4)

C (2) (3)

D (1) (2)

A。(1) 孤立体系的自发过程向着熵值增大的方向进行，直到体系的熵具有极大值（dS = 0）时达到平衡态。(4) 熵增原理必须在孤立体系或绝热体系中应用。

3．在△H＋g△Z＋0.5△u2=Q+Ws中，如果u的单位用m/s,则H的单位为:

A J/s

B kJ/kg

C J/kg

D kJ/g

( C )

三、填空题

1能量衡算式一般形式

2封闭体系能量衡算式

3稳定流动体系能量衡算式

4非流动体系理想功的计算式或者

流动体系理想功的计算式，忽略动能和势能变化，稳态流动过程损失功的计算式.

四、计算题

1. 试确定1kmol的蒸气（1470kPa，过热到，环境温度t0=）在流动过程中可能得到的最大功。

解：这是求算1kmol的蒸气由始态（，1470kPa）变化到终态（，101.32kPa）的液体水时所得到的最大功。

由过热水蒸气表查得初始态时的焓与熵分别为

H1=3543.34kJ/kg，S1=7.6584kJ/（kg·K）

由饱和水蒸气表可查得终态时水的焓与熵分别为

H2=67.18kJ/kg，S2=0.2389kJ/（kg·K）

所以过程的焓变和熵变分别为

H =M（H2－H1）=18.02（67.18－3543.34）=－62640.33（kJ/kmol）

S=M（S2－S1）=18.02（0.2389－7.6584）=－133.6994（kJ/（kkmol·K））

若理想功为所能提供的最大有用功，则

Wid=H－T0S=－62640.33＋（16＋273.15）（－133.6994）

=－2.398×104（kJ/kmol）

2.确定冷却45kmol/min的空气，从初始温度305K降低到278K所需的最小功率Nmin，环境温度305K。已知空气的比热容为29.3kJ/（kmol·K）。

解：在冷却过程中，空气的焓变和熵变分别为

过程所需的最小功为

W id=∆H －T0∆S=－791.1－305（－2.7158）=37.2（kJ/kmol）

所以这一冷却过程所需的最小功率为

N id=nW id=45×37.2=1674.0（kJ/min）=27.9kW

3. 在一个往复式压气机的实验中，环境空气从100kPa及5℃压缩到1000kPa，压缩机的气缸用水冷却。在此特殊实验中，水通过冷却夹套，其流率为100kg/kmol（空气）。冷却水入口温度为5℃，出口温度为16℃，空气离开压缩机时的温度为145℃。假设所有对环境的传热均可忽略。试计算实际供给压气机的功和该过程的理想功的比值。假设空气为理想气体，其摩尔定压热容C P=29.3kJ/（kmol·K）。解：以被压缩的空气为系统，以1kmol空气作为基准。假设空气为理想气体，在此过程中空气放出的热量为

Q=－W W C P，W（t out－t in）

式中W W为冷却水的流率；C P,W为水的热容，取值为4.18kJ/（kg·K），t out和t in分别为冷却水的出、入口温度。所以

Q=－100×4.18（16－5）=－4.598×103（kJ/kmol）

压缩过程中空气的焓变为

若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为

W S=H∆－Q =4.102×103＋4.598×103=8.700×103（kJ/kmol）

过程的熵变可以按下式计算

所以压缩过程的理想功为

W id=∆H－T0∆S=4.102×103－278.15（－7.199）=6.104×103（kJ/kmol）

因此实际供给压气机的功与该过程的理想功的比值为

W S/W id=8700/6104=－1.425

4. 水与高温燃气进行热交换转变成260℃的恒温蒸气，在此过程中，燃气温度由1375℃降到315℃，已知环境温度为27℃。试确定1kg气体由于热交换过程，其有效能的降低值，设气体的比热容为1kJ/（kg·K）。

解：若忽略在进行热交换过程中燃气动能和位能的变化，则有效能的降低可表示为