中国石油大学工程热力学第五章习题课【精选】
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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。
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”？
解：
Wnet Q1 Q2 Q1 Wnet Q2 10000kJ 4000kJ 14000kJ
方法1：设为热机循环
Q Q1 Q2 Q1 Q2 Tr Tr1 Tr2 Tr1 Tr 2
14000kJ 4000kJ 10kJ/K 0 700K 400K
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
3600
(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
.
Q
.
W
T1 T1 T2
9.77
热泵所需的最小功率为
.
.WFra bibliotekQ 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。
（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。
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。
二、判断各情况的熵变
第五章习题课
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。
不可能
设为制冷循环：
Q Q1 Q2 14000kJ 4000kJ 10kJ/K
Tr
Tr1 Tr2
700K 400K
符合克劳修斯积分不等式，所以是不可逆制冷循环
方法2：设为热机循环
C
1 TL Th
1
400K 700K
0.4286
t
Wnet Q1
不一定
（4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，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 不变
作功10kJ，此开口系统的熵变。
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？
注意：
1）任何循环（可逆，不可逆；正向，反向）
第一定律都适用。故判断过程方向时仅有
第一定律是不够的；
2）热量、功的“+”、“-”均基于系统，故取
系统
不同可有正负差别；
答：系统的熵增加，要想使系统回到初态，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：热力学第一定律告诉我们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。
四、试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。
证明：设等熵线S与同一条等温线T有两 个交点A和B。
令工质从A经等温线到B，再经 等熵过程返回A，完成循环。此循环 中工质在等温过程中从单一热源吸 热，并将之转换为循环净功输出。 这是违反热力学第二定律的，故原 假设不可能成立。
五、计算题
1.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，向热机的供热功率至少为多少。图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。
10000kJ 14000kJ
0.7126
t C
不可能
设为制冷循环
c
Tc T0 Tc
400K 700K 400K
1.33
Q2 4000kJ 0.4
wnet 10000kJ
c 可能但不可逆
方法3:
采用孤立系统熵增原理进行求解。 （同学自己完成)
答： 不对， 必须保证过程结束后对系统和外界没有造成任何影响这一条件。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。
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？
只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为热泵所需功率时所需的
供热功率为最小。
c
1 T2 T1
1
263 600
0.56
.
Qm in
W/c
1.02 0.56
1.82kW
2. 某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图，试判别 循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?
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”？
解：
Wnet Q1 Q2 Q1 Wnet Q2 10000kJ 4000kJ 14000kJ
方法1：设为热机循环
Q Q1 Q2 Q1 Q2 Tr Tr1 Tr2 Tr1 Tr 2
14000kJ 4000kJ 10kJ/K 0 700K 400K
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
3600
(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
.
Q
.
W
T1 T1 T2
9.77
热泵所需的最小功率为
.
.WFra bibliotekQ 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。
（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。
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。
二、判断各情况的熵变
第五章习题课
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。
不可能
设为制冷循环：
Q Q1 Q2 14000kJ 4000kJ 10kJ/K
Tr
Tr1 Tr2
700K 400K
符合克劳修斯积分不等式，所以是不可逆制冷循环
方法2：设为热机循环
C
1 TL Th
1
400K 700K
0.4286
t
Wnet Q1
不一定
（4）在一稳态稳流装置内工作的流体流，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 不变
作功10kJ，此开口系统的熵变。
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？
注意：
1）任何循环（可逆，不可逆；正向，反向）
第一定律都适用。故判断过程方向时仅有
第一定律是不够的；
2）热量、功的“+”、“-”均基于系统，故取
系统
不同可有正负差别；
答：系统的熵增加，要想使系统回到初态，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：热力学第一定律告诉我们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。
四、试证明等熵线与同一条等温线不可能有两个交点。
证明：设等熵线S与同一条等温线T有两 个交点A和B。
令工质从A经等温线到B，再经 等熵过程返回A，完成循环。此循环 中工质在等温过程中从单一热源吸 热，并将之转换为循环净功输出。 这是违反热力学第二定律的，故原 假设不可能成立。
五、计算题
1.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，向热机的供热功率至少为多少。图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。
10000kJ 14000kJ
0.7126
t C
不可能
设为制冷循环
c
Tc T0 Tc
400K 700K 400K
1.33
Q2 4000kJ 0.4
wnet 10000kJ
c 可能但不可逆
方法3:
采用孤立系统熵增原理进行求解。 （同学自己完成)
答： 不对， 必须保证过程结束后对系统和外界没有造成任何影响这一条件。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。
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？
只有当热机按卡诺循环运行时，输出功率为热泵所需功率时所需的
供热功率为最小。
c
1 T2 T1
1
263 600
0.56
.
Qm in
W/c
1.02 0.56
1.82kW
2. 某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图，试判别 循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?