第5章_化工过程的能量分析习题

1、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

2、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T=0；U=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

3、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HgZ0.5u2=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

4、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538，环境温度t0=16）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（538，1470kPa）变化到终态（16，101.32kPa）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/（kgK）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/（kgK）所以过程的焓变和熵变分别为H =

5、M（H2H1）=18.02（67.183543.34）=62640.33（kJ/kmol）S=M（S2S1）=18.02（0.23897.6584）=133.6994（kJ/（kkmolK）若理想功为所能提供的最大有用功，则Wid=HT0S=62640.33（16273.15）（133.6994） =2.398104（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/（kmolK）。 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Wid=H T0S=791.1305（2.

6、7158）=37.2（kJ/kmol）所以这一冷却过程所需的最小功率为Nid=nWid=4537.2=1674.0（kJ/min）=27.9kW3. 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CP=29.3kJ/（kmolK）。 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

7、想气体，在此过程中空气放出的热量为Q=WWCP，W（touttin）式中WW为冷却水的流率；CP,W为水的热容，取值为4.18kJ/（kgK），tout和tin分别为冷却水的出、入口温度。所以Q=1004.18（165）=4.598103（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WS=Q =4.1021034.598103=8.700103（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Wid=HT0S=4.102103278.15（7.199）=6.104103（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

8、S/Wid=8700/6104=1.4254. 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/（kgK）。 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B=B2B1（H2T0S2）（H1T0S1）将上式整理可得B=（H2H1）T0（S2S1）其中 T027273.15300.15（K） H2H1CP（T2T1）1060.00kJ/kg S2S1因此该过程有效能的降低为B1060.00300.15（1.030）750.72（kJ/kg

9、）5. 如果空气绝热节流膨胀，从2100kPa降到100kPa不做任何功。若传热以及位能和动能变化均可忽略，试提出一些假设，确定此过程所产生的功损失。 解：假设环境温度T025273.15298.15（K），并假定空气为理想气体。绝热节流膨胀，Q0，H0，T0，所以过程的熵变为SRln（p2/p1）8.314ln（100/2100）25.312（kJ/（kmolK） 若忽略传热以及位能和动能的变化，此过程所产生的功损失为 WLT0SQ298.1525.31207.547104（kJ/kmol）6. 两股热水在绝热条件下相混合，其中一股水的温度为353.15K，流量为25kg/s；另一股水的温度

10、为313.15K，流量为30kg/s。以知环境温度为298.15K，试计算这一混合过程有效能的降低。 解：设温度为353.15K的水的流量用a表示，下标a表示其性质；用小标b表示温度为313.15K的水的性质，b表示其流量；下标m表示混合后水流的性质，m表示混合后水的流量。由饱和水和饱和水蒸汽表可查得两股水的焓和熵为 Ha=334.91kJ/kg， Sa=1.0753kJ/（kgK） Hb=167.57kJ/kg， Sb=0.5725kJ/（kgK）由此可计算出混合前两股水的有效能函数为 Ba=HaT0Sa=334.91298.151.0753=14.309（kJ/kg） Bb=HbT0Sb=

11、167.57298.150.57253.121（kJ/kg）由于混合过程是在绝热条件下进行的，其焓平衡方程为 aHabHb=mHm所以混合后水流的焓为 Hm=243.63（kJ/kg）根据Hm的值由饱和水和饱和水蒸汽表可查得混合后水流的温度为331.36K，进而可查得混合后水流的熵为Sm=0.8085kJ/（kgK），这样混合后水流的有效能函数为 Bm=HmT0Sm=243.63298.150.8085=2.576（kJ/kg）于是这一混合过程的有效能降低为 B=mBmaBabBb=552.5762514.30930（3.121）122.42（kJ/s）7.试求将1kg，0.6MPa的空气，按

12、如下条件变化时的热量变化，以及有效能变化。取环境温度为25（298K）。（1）等压下由-38加热至30；（2）等压下由30冷却至-170。解：由空气的TS图可查得0.6MPa下各温度状态的焓及熵值如下： -38（235K），H1=11620 Jmol-1 S1=104 Jmol-1K-1 30（303K），H2=13660 Jmol-1 S2=111 Jmol-1K-1 -170（103K），H3=7440 Jmol-1 S3=77 Jmol-1K-1 （1）等压加热热量 有效能变化 （2）等压冷却热量 有效能变化 8. 试求1kmol，300K的空气，由0.1MPa等温可逆压缩到10MPa的

13、轴功和理想功。环境温度取T0为298K。解：由空气的TS图可查得，在300K下，各压力状态下的焓值和熵值如下： 0.1MPa，H1=13577 kJkmol-1 S1=126 kJkmol-1K-1 10MPa，H2=1300 kJkmol-1 S2=87 kJkmol-1K-1 稳流系统 H=QWS 可逆过程 WS=QrevH 其中可逆热Qrev=TS=T（S2S1）=300（87126）=-11700 kJkmol-1所以 理想功 计算结果表明，等温下将空气从0.1MPa压缩至10MPa时，其消耗的理想功比可逆轴功要少一些，这是因为压缩时放出的热量可逆地传递给环境，环境获到了部分功，消耗的

14、功最少。9.某人称其能用100的饱和水蒸汽，提供140的热能，且每公斤水蒸汽可供热量1800kJkg-1。请验证其可靠性。 解：热泵可以提高热能的温度，其原理采用某工质，使其在低于环境的温度下蒸发，即从环境吸入热量，再压缩到较高压力，在高于环境温度下冷凝放热，达到供热的目的。0.1MPa，100的饱和水蒸汽，若取298K，液态水为基准态，其有效能 热能的有效能为： 487.1501.2，显然这一说法是不可行的，实际过程中热损耗是不可避免的，二者之间的差距更大。10某人称其设计了一台热机，该热机消耗热值为42000kJkg-1的燃料30kgh-1，可以产生的输出功率为170kW。该热机的高温与低

15、温热源分别为670K和330K。试判断此热机是否合理。解：从已知的条件，我们可以计算出该热机的效率，以及卡诺热机的效率，然后比较两者的大小。 热机的效率 卡诺热机效率 卡诺热机是效率最高的热机，显然该人设计的热机不合理。11. 0.1013Mpa的饱和水蒸汽被绝热压缩至.pa，280，蒸汽流率为gh，环境温度25，计算: ()压缩机的功率 ()理想功和热力学效率0.1013MPa饱和水蒸汽的焓值和熵值分别为:H1=2676.1kJkg-1 S1=7.3549 kJkg-1K-1。0.3MPa和280过热蒸汽的焓值和熵值分别为:H2=3028.6kJkg-1 S2=7.6299 kJkg-1K-

16、1(1) Ws= H2- H1=3028.6 - 2676.1-3028.6=352.5 kJkg-1 (2) Wid=H - T0S=(3028.6-2676.1) - 298.15(7.6299-7.3549)=270.4 kJkg-1 12. 1.5MPa、500的过热水蒸气推动透平机作功，乏汽压力50kPa,温度148。每千克蒸汽通过透平机时有6.32kJ的热量散失于25的环境。求此过程的实际功、理想功、损失功和热力学效率。已知1.5 MPa、500水蒸气的焓值H1=3473.1kJKg-1，熵值S1=.5698kJkg-1K-1和下列数据35 kPa70 kPa120H2723.1H2719.6S7.9644S7.6375160H2800.6H2798.2S8.1519S7.8279120 50kPa H=2721