1、工程热力学题型分析,第一章 基本概念,例1.1 门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过敞开的冰箱大门达到降低室内温度的目的，你认为这种想法可行吗？ 解：(1) 按题意，以门窗紧闭的房间为分析对象，可看成绝热的闭口系统与外界无热量交换，Q=0，如图(a)所示。当安置在系统内部的电冰箱运转时，将有电功输入系统，即w为负。 因此按照闭口系统能量方程： 室内空气的内能将增加，温度将上升。 可见此种想法不但不能达到降温目的， 将反而使室内温有所升高。 (2) 若以电冰箱为系统进行分析，其工作原理如右图示耗功W后连同从冰室内取出的冷量Q。一同通过
2、散热片排放到室内，使室内温度升高。,例1.2 铜棒的一端与高温热源( )接触，另一端与低温热源( )接触，其表面与外界绝热，如下图所示经历较长时间后，铜棒内各截面的温度不再随时间变化，试问铜棒是否处于平衡态？解：若取铜俸为闭口系统，铜棒内 各截面温度虽不随时间变化，但 受到高温热源与低温热源的外部作 用，按找平衡态的定义，铜棒并没 有处于平衡态，只是达到了稳定状态 一旦取掉高温热源与低温热源的外部作用，铜棒内部截面温度必定随时间发生变化，直到温度均匀止说明；由此例可见要注意区分稳定与乎衡两种不同的概念。稳定状态时状态参数虽不随时间改变，伹它是靠外界影响来维持的平衡状态是不受外界影响时参数不随时
3、间变化的状态。两者有所区别，但又有联系，平衡必稳定，稳定未必平衡。,例1.3 一刚性绝热容器内充有水和水蒸汽的混合物，它们的温度与压力分别相等不随时间变化。试问汽水混合物是否已处于平衡态？ 汽水混合物的各种参数量是否到处均匀？ 解：如右图所示的刚性绝热容器内，水和水蒸汽的压力相等，温度相等，均不随时间变化，而且不受 外界的影响，因此该汽水混合物已处于平衡状态。 处于平衡态的汽水混合物中，汽 相与液相的密度显然不同。因此即使 处于平衡态的系统内部，各种参数并 不一定均匀。 说明：本例说明，系统内部各种参数均匀的必定平衡，反之平衡的未必各种参数都是均匀的，即均匀必平衡，平衡未必均匀. 当然对于由单
4、相物质组成的系统，均匀必平衡，平衡也必均匀(由于重力场的影响引起内部压力的不同除外，因为平衡态定义中已明确指出不受外界影响中不包括重力场的作用),例1.15 试说明平衡状态的特征及其实现的条件？ 解：由平衡态的定义可以看出，凡处于乎衡态的系统，其特征是参数比随时间变化，而且除复相系统和重力场的影响外，参数均匀。 实现平衡的必要条件是系统内部或系统与外界之间不存在各种不平衡势。换言之各种不平衡势的消失足系统实现平衡态的必要条件。,例1.20 判断下列过程中哪些是可逆的、不可逆的、可以是可逆的，并扼要说明不可逆原因（1）对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发；（2）对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸
5、发；（3）对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50摄氏度升温到100摄氏度；（4）定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩；（5）100摄氏度的蒸汽流与25摄氏度的水流绝热混合；（6）在水冷摩托发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀；（7）气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发；解（1）可以是可逆过程也可以是不可逆过程，取决于热源温度与水温是否相等。若两者不等，则存在外部的传热不可逆因素便是不可逆过程。 （2）对刚性容器内的水作功，只可能是搅拌功，伴有摩擦扰动，因而有内不可逆囚衰是不可逆过程 （3）可以是可逆的也可以是不可逆的取决于热源湿度与空气温度是否随时相等或
6、随时保持天限小的温差 其他几个小题请读者自行分析,1.1试判断下列叙述是否准确，说明理由。（1）平衡态是系统的热力状态参数不随间变化的状态。（2）不可逆的热力过程是指工质逆过程无法恢复到初始状态的过程。（3）由于准平衡过程都是微小偏离平衡态的过程故从质上说属于可逆过程。（4）上质发生热量交换，状态参数中只有一个参数必然要发生变化这个参数就是温度。（5）任何可逆过程部是准静态过程（6）封闭系统是指系统内的工质不发生宏观位移的那些系统。（7）闭口系统进行一个过程后，如果熵减少了，肯定是向外界放出了热量。1.3气体初态为 ， ，在压力为定值的条件下膨胀到 ，求气体膨胀所作的功。,1.6 1kg气体经
7、历如下图所示的循环，A到B为直线变化过程B列C为定容过程，C到A为定压过程，试求循环的净功量。如果循环为A-B-C-A则净功量有何变化?,第二章 热力学第一定律,例21 如右图所示，lkg理想气体，自状态1 变化到状态2 若第一次变化过程 沿l一3一2进行第二次沿12进行分别 计算这两个过程中，气体所作的膨账功,解（1）计算132过程的膨胀功：由于该过程可以图示在 图书上说明此过程必是准静态过程，可用式（2-1）计算膨胀工,(2)计算12过程的膨胀功解法一：,解法二：,说明（1）凡是能在p-图上用实线表示的过程必是准静态过程。 （2）计算准静态过程的膨胀功不仅可以用公式求的，也可以在p-图上过
8、程线下的面积来求得,例2.9判断下列说法是否正确：（1）工质吸热后必然膨胀；（2）理想气体放热后温度必然下降；（3）应设法利用烟气离开锅炉时带走的热量例211 判断下列公式是否正确，若正确，指出应用条件(系统、工质、过程及其它条件）,例2.12 1kg空气由 膨胀到 得到热量506kJ,如果该空气在相同的初、终态间作第二次膨胀，仅加入热量39kJ，求（1）第一次膨胀中空气的内能增加丁多少？ （2）第二次膨胀中空气作了多少功？ （3）第二次膨胀中空气内能增加了多生?,例213 定量工质，经历一个由四个过程组成的循环，试填充下表中所缺的数据，并判断是热机循环还是制冷循环。,解：因为所以得因为所以
9、该循环是热机循环,2.1 请判断下列叙述是否正确，并说明理由； 1.工质的焓代表用状态函数（ ），描述的其部分能量。 2.水泵向高压锅炉房泵水。它消耗的功量都转变为水的动能、位能和克服管道摩擦所作的功。 3.工质膨胀时必须对其加热。 4.工质可以边膨胀边放热。 5.工质吸热后内能一定增加。 6.对工质加热，其温度反而降低。 7.气体膨胀时，一定对外做功。 8.气体压缩时，一定消耗外功。 9.对于一缩放喷管，在 一定时随着 的下降喷管出口的速度不断增加，因而流量也越来越大,第三章 热力学第二定律例37 冬季利用热泵从大气中抽取热量用以维持15的室温。当室内温度与大气温度相差1 时，通过墙壁与大气
10、交换的热流量约0.65W/K，求： (1)如果大气温度为一15 ，驱动热泵所需的最小功率是多少。 (2)夏季，将同一台热泵用于室内空调，热泵输入功率及温差为1 时通过墙壁与大气交换的热量同上。如要维持室温15 ，问最大允许的大气温度是多少度?解（1）热泵供给室内的热流量供暖系数所需最小功率,(2)从室内吸热率可逆制冷机的制冷系数,例3.9 某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作如下图所示，试判断是热机循环？还是制冷循环？是可逆循环？还是不可逆循环？ 解：根据热力学第一定律，无沦是热机机循环还是制冷循环；无论可逆与否，都有,方法一 用克劳修斯积分判断设如图（b）所示的热机循环所以，热机循
11、环不可能 设如图（c）所示的热机循环根据克劳修斯不等式知，此循环是如图（c）所示的不可逆制冷循环,方法二 用孤立系统熵增原理判断 取热源、冷源及循环工质为孤立系设如图（b）所示热机循环则,如图（c）所示的制冷循环,例3.11是判断如下图（a）所示的可逆循环 的大小与方向，循环净功W的大小与方向以及 的方向。第一种情况，设循环自 的热源吸热如图（b） 对于可逆循环，克劳修斯积分解得,第二种情况，若设循环向 的热源吸热 如图（c） 对于可逆循环，克劳修斯积分即解得所以，循环中各量大小与方向如图（c）,例3.12请读者自行判断下列问题。（1）有一发明家声称发明了一种循环装置，从热源吸取热量1000K
12、J，可对外作功1200KJ，你认为下列四个答案中哪一个正确. 1）违反第-定律。 2）违反第二定律。 3）既违反第一定律也违反第二定律。 4）不违反第一定律和第二定律。（2）某制冷循环工质从温度为-73的冷源吸热1000KJ，并将热量220KJ传给温度力27的热源，此循环满足克劳修斯不等式的要 求吗？（3）如右图所示的循环，试判断下列情况 哪些是可逆的?哪些是不可逆的?哪些 是不了能的？,例3.13 若封闭系统经历一过程，熵增为25KJ/K，从300K的恒温热源吸热8000kJ，此过程可逆？不可逆？还是不可能？解：按题意，此过程中系统熵变 因此，过程中,例3.17 若系统从A态出发，经不可逆绝
13、热过程到达B态。试证该系统从A态出发经可逆绝热过程不可能到达B态。由熵变表达式对于绝热过程系统从A态出发，经过不可逆过程到达B态，则所以若可逆过程终态为 则所以因此 因为熵是状态参数,所以 和B不是同一个状态。因此证明系统由A 态出发经历可逆绝热过程不可能到达不可逆绝热过程的终态。,例3.24 从553K的热源直接向278K的热源传热如果传热量为100KJ,此过程中总熵变化是多少?解：选取两热源组成的孤立系统为求热源 的熵变，设在 和 之间有一蓄热器，温度为如右图先求热源 的熵变同理，为求热源 的熵变设在 和 之间有一蓄热器，温度为热源 的熵变,例3.29在有活塞的气缸装置中，将1kmol理想
14、气体在400K下从100kPa缓慢地定温压缩到1000kPa，计算下列三种情况下此过程的气体熵变、热源熵变和总熵变。（a）过程中无摩擦损耗，而热源的温度也为600K。（b）过程中无摩擦损耗，热源的温度为300K。（c）过程中无摩擦损耗，比可逆压缩多消耗20%的功，热源温度为300K。解：（a）因为过程中无摩擦损耗，气缸中1kmol的理想气体的压缩过程为可逆过程，所消耗的功由热力学第一定律知 故,气体定温过程熵变为热源温度 时，热源熵变总熵变此过程完全可逆，因此孤立系统熵增为零。（b）因为过程中无摩擦损耗，因此气体压缩所需要的功及放出的热量与（a）相同，即,热源温度 时，热源熵变总熵增可见，由于
15、温差引起整个系统不可逆性（c）由于过程中有摩擦损耗，比可逆压缩多消耗20%的功，则此过程中功与热量为热源温度 时，热源熵变总熵增,讨论：（1）（a）为可逆总熵为0，（b）（c）不可逆过程，总熵增加。（2）不可逆程度越大，则总熵增越大。（3）熵是状态参数，与过程无关。,例3.33 温室内100W电灯泡的表面温度为110，试确定此灯泡在稳定工作的的熵产率 解：认为此电灯泡为一封闭系统由于稳定工作，其热力学状态不变，于是有 U=常数 S=常数由热力学第一定律或按熵平衡方程有或,例3.45求出下述情况下，由于不可逆性引起的作功能力损失。已知大气 ，温度 为300K.（1）将200KJ的热直接从 、 温
16、度为400K的恒温热源传给大气。（2）将200KJ的热直接从大气传向 、 温度200K恒温热源B。（3） 200KJ的热直接从热源A传给热源B。接：由题意画出示意图，见右侧（1）将200KJ的热直接从400K恒温热源A传给300K的大气时热源A与大气组成的系统熵变为,此传热过程引起的作功能力损失为（2）200KJ的热直接从大气传向200K恒温热源B时.此过程不可逆引起的作功能力损失为,（3）200KJ直接从恒温热源A传给恒温热源B则作功能力损失为可见，（1）和（2）两过程的综合效果与（3）过程相同,第五章工质的性质及其过程例5.65 已壁面温度为t,室内空气温度为t，试问：防止在壁面上发生结霜现象的最大允许相对湿度 为多少? 解(1)按题意此处壁面温度t就是出现水滴时的温度，也即是露点温度故 。 (2)由 查饱和水蒸气表得到相应的饱和压力 ，此饱和压力也就是出现结露现象时水蒸气的分压力 . (3)室内空气温度t下水蒸气的饱和压力同样可由饱和水蒸气表查出，即 (4)出现结露现象时的相对湿度 为此处 就是为了防止出现结露现象能允许的最大相对湿度,
