热力学第二定律试题

《工程热力学》例题第五章热力学其次定律《工程热力学》例题第五章热力学其次定律51】以下说法是否正确？〔1〕机械能可完全转化为热能，而热能却不能完全转化为机械能。〔2〕热机的热效率肯定小于1。〔3〕循环功越大，则热效率越高。〔4〕一切可逆热机的热效率都相等。〔5〕系统温度上升的过程肯定是吸热过程。〔6〕系统经受不行逆过程后，熵肯定增大。〔7〕系统吸热，其熵肯定增大；系统放热，其熵肯定减小。〔8〕熵产大于0的过程必为不行逆过程。〔1〕对于单个过程而言，机械能可完全转化为热能，热能也能完全转化为机械能，例如定温膨胀过程。对于循环来说，机械能可完全转化为热能，而热能却不能完全转化为机械能。〔2〕热源一样时，卡诺循环的热效率是最高的，且小于1，所以一切热机的热效率均小于1。〔3〕循环热效率是循环功与吸热量之比，即热效率不仅与循环功有关，还与吸热量有关。因此，循环功越大，热效率不肯定越高。〔4〕可逆热机的热效率与其工作的热源温度有关，在一样热源温度的条件下，一切可逆热机的热效率都相等。〔5〕系统温度的上升可以通过对系统作功来实现，例如气体的绝热压缩过程，气体温度是上升的。〔6〕dSQT

系统经受不行逆放热过程，熵可能减小；系统经受不行逆循环，熵不变。只有孤立系统的熵只能增加。系统经受绝热不行逆过程，熵肯定增大。〔7〕dSdSf

dSg

dSg

0，系统吸热，dSf

0，所以熵肯定增加；系统放热时，dSf

0，此时要比较dSg

dSf

的大小，因此熵不肯定减小。〔8〕熵产就是由不行逆因素引起的熵增，所以熵产大于0的过程必为不行逆过程。52】某人声称制造一个循环装置，在热源T1及冷源T2之间工作。假设T=1700 K，T1

=300K。该装置能输出净功1200kJ，而向冷源放热600kJ，试推断该装置在理论上是否由可能。据能量守恒原理，装置内工质从高温热源吸热QQ1

Wnet

=600+1200=1800 kJW 1200装置热效率

net= =66.67%t Q 18001在同温限的恒温热源间工作的卡诺循环热效率为T 1Tc T1

3001700

=82.35%比较和t c

可知，此装置有可能实现，是一不行逆热机。53】有一循环装置在温度为1000K和300K的恒温热源间工作，装置与高温热源交换的热量为2023kJ，与外界交换的功量为1200kJ，请判别此装置是热机还是制冷机。【解法一】不管此装置是制冷还是制热循环，必需满足能量守恒，依据热力学第一定律，Q2

QW1 net

=20231200=800kJ假设装置是制冷机，则工质在循环中从高温热源放热Q1

=2023kJ低温热源吸热，Q2

=800kJQ Q

2023 8001T Tr 1

2=T2

1000

300=0.66 kJ/K>0，违反了克劳修斯积分，不行能是制冷机。假设此装置为热机，则工质在循环中从高温热源吸热Q1

=2023 kJ温热源放热，Q2

=－800kJQ Q

2023 8001T Tr 1

T2

=1000

300

=0.66kJ/K<0，符合克劳修斯积分，是不可逆热机。【解法二】不管此装置是制冷还是制热循环，必需满足能量守恒，依据热力学第一定律，Q2

QW 1 net

=20231200=800kJ假设装置是制冷机，则工质在循环中从高温热源放热Q1

=2023kJ低温热源吸热，Q2

=800kJ。取热源、制冷机、冷源为系统，因外界向制冷机输入功，这是一个闭口绝热系，故依据孤立系统熵增原理，热源熵变S，r冷源熵变Sc

，和热机熵变Se

之和应大于等于0。Siso

SrSc

S=Q 1Qe T T1Q1 2

0=

20238000=－0.66kJ/K<01000 300违反了孤立系统熵增原理，可见不行能是制冷装置。再设此装置为动力机，则工质在循环中从高温热源吸热Q1

=2023 kJ低温热源放热，Q2

=800kJ。Q Q

2023 800Siso

SrSc

e

1 T T

0=

0=0.66 kJ/K>01000 3001 2符合孤立系统熵增原理，所以该装置循环是不行逆热机循环。54】有人设计了一特别装置，它可使一股空气通过这种装置分别成两股流量相等、压力一样的空气，其中一股为高温，另一股为低温。假设空p1

=0.6 MPa，t1

=21

=0.1MPa，t”2

=82℃的热空气，另一半变为p””2

=0.1MPa，t””2

=40空气，假设空气为抱负气体，且cp

=1.004 kJ/(kgK)，Rg

=0.287 kJ/(kgK证该稳定流淌过程能不能实现？【解】假设该过程满足热力学第一、其次定律就能实现。〔1〕依据稳定流淌的能量方程式1QH mc2mgzW12 f s因容器内无运动部件，且绝热，则Ws

=0Q=0，如果无视动能和位能的变化，则H=0或H H=02 11 1针对此题有(H” H)(H”” H)=02 2 1 2 2 1此式为该稳定流淌过程满足热力学第肯定律的根本条件。依据条件，假设流过该容器的空气质量为1kg(H”1H

)(H””1H

)=mc(T”T)mc

(T””T)2 2

2 2

2 p 2

2 p 2 1=1kg1.004kJ/(kgK)(355294)K1kg1.004kJ/(kgK)(233294)K2 2=0，可见满足热力学第肯定律的要求〔2〕热力学其次定律要求，作为过程的结果，孤立系统总熵的变化必需大于或等于另。由于该容器绝热，即需满足1 1S (S” S)(S”” S)0iso

2 2

2 2 1由条件有：(S”

)(S””

”Tln2RT

p”ln2

””Tln2RT

p””pln2)p2 2

2 2

2 p T1

g p 2 p T g1 1 1=1kg1004J/(kgK)ln355K287J/(kgK)ln0.1MPa+2 294K 0.6MPa1kg1004J/(kgK)ln

233K

287J/(kgK)ln0.1MPa2 294K 0.6MPa=492.1 J/K>0可见该稳定流淌过程同时满足热力学第一、其次定律的要求。因此该过程是可以实现的。55】一绝热容盛有9kg水，现将一质量0.36kg的物体放入其内。试计算物体和水到达热平衡时的温度、该过程的熵变以及做功力量的损失。初态物体温度1060K，比热容3.2kJ/(kgK，初态水温度295K、比热容4.187 kJ/(kgK；环境温度295K。【解】设平衡时温度为T2，以容器内水和此物体为孤立系统由能量守恒：mc(Tmm 2

Tm,1

)mc(Tww

T

)0mcT

mcT

0.363.2106094.187295T mmm,1 www,1= =317.7 K2 mcmm

mcwwT

0.363.294.187TS mcln g mm T

mcww

ln 2Tm,1 w,1=0.363.2ln317.794.187ln317.71060 295=1.4055 kJ/K做功力量损失：Wl

S0 g

=295K1.4055kJ/K=414.6 kJ56】1kg空气，温度为850℃，压力为0.6MPa，在气缸内膨胀做功。假设环境压力和温度为0.1MPa27℃，在没有除环境外其他热源条件下，最大可以做出的有用功是多少？【解】T=850+273=1123 K，T0

=27+273=300 K，p0

=0.1MPap,T)p,T0 0T

)的工质熵变p

300 0.1SSm(cln 0 p T

Rln 0)=1(1.004lng p

0.287ln )1123 0.6=－8.8111 kJ/KmRTV gp

1kg287J/(kgK)1123K