化工热力学第六章课后答案.doc

一、填空、选择、判断1、有两股压力分别是12.0 MPa的饱和蒸汽和1.5 Mpa的饱和蒸汽。在化工设计和生产过程中从合理用能的角度考虑： 12.0 MPa饱和蒸汽用于膨胀做功、 1.5 Mpa的饱和蒸汽用于换热器做加热介质。 环境温度25表1 各状态点一些热力学参数状态点tPMPa状态HkJkg-1SkJkg-1k-11324.812.0饱和蒸汽2684.9549242198.31.5饱和蒸汽2792.2644483250.008169饱和水104.89036742、最简单的蒸汽动力循环是Rankin循环，由锅炉、过热器、透平机（或汽轮机）、冷凝器、 水泵这几个基本装置所组成。对Rankin蒸汽动力循环中的各个过程进行功热转化分析时，使用 稳流过程热力学定律，其热效率 小 于Carnot循环的热效率。3、当过程不可逆时，孤立系统的S总0, 工质的S产生0。4、空气在封闭的气缸内经历一过程，相应其内能增加15kJ，对外界作功15kJ，则此过程中工质与外界交换热量Q= 30 kJ。5、有一电能大小为1000KJ，另有一恒温热源其热量大小为1000KJ，则电能的有效能 大于 恒温热源的有效能。6、当过程不可逆时，体系的S总0，工质的S产生0，损失功WL 0。7、热力学第二定律的克劳修斯说法是 热不可能自动从低温物体传给高温物体，开尔文说法是不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功，而不引起其他变化。8、理想功：系统的状态变化以完全可逆方式完成，理论上产生的最大功或消耗的最小功，用符号Wid来表示：Wid=H T0S9、有效能：系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态过程所作的理想功，用符号B号表示：B=(HH0)T0(SS0)10、制冷系数：制冷系数是指消耗单位量的净功所获得的冷量，用符号表示：11、在温度为800K的高温热源和温度为300K的低温热源之间工作的一切可逆热机，其循环热效率等于62.5% 。12、对有限温差下的不可逆传热过程，传热温差越大，有效能损失 越大 。13、在门窗紧闭房间有一台电冰箱正在运行。若敞开冰箱大门就有一股凉气扑面， 使人感到凉爽。通过敞开冰箱大门，则房间的温度将会 C ；若关闭冰箱大门，则房间的温度将会 C 。A、不变 B、下降 C、升高 D. 没法判断14、冬天要给-10房间供热取暖，消耗500的功率给房间供热，采用可逆热泵循环、电热器两种供热方式，哪种供热方式的供热量多？ A A前者 B. 两者相等 C.后者 D.没法比较。15、消耗1KW的功率给房间供热，采用电热器、可逆热泵循环两种供热方式，哪种供热方式更节能？ C （后者更节能）或 A(前者更耗能)。A前者大于后者B. 两者相等 C. 前者小于后者 D.没法比较。16、要加热50的水，从热力学角度，用以下哪一种热源，损失功最小 A 。A.60的热水 B.80的热水 C.100的饱和蒸汽 D.120的过热蒸汽17、如当地冷却水温度为常年18，则氨制冷循环的冷凝温度应选 C 。A18； B8； C28； D48。18、一封闭体系经过一变化，体系从25恒温水浴吸收热量8000kJ，体系熵增25kJ/K，则此过程是 C 。 A.可逆的 B.不可逆的 C.不可能的 19、体系从同一初态到同一终态，经历二个不同过程，一为可逆过程，一为不可逆过程，此二过程环境熵变存在 A 。A（S环）可逆（S环）不可逆C（S环）可逆 = （S环）不可逆 D（S环）可逆= 020、流体（T1、P1）经节流膨胀后，流体的温度必 D 。A、不变 B、 下降 C、 增加 D、 前三者都可能。21、有一机械能大小为1000KJ，另有一恒温热源其热量大小为1000KJ，则恒温热源的热有效能 B 机械有效能。A、大于 B、小于 C、等于 D、不能确定22、给冷流体T2加热至预定的工艺温度，采用换热器进行间接传热，当热流体温度T1减小，即传热温差（T1-T2）减小，则流体有效能的损失 B 。A、增大 B、减小 C、不变 D、传热温差无关23、在相同的初态（T0，P0）和膨胀压力（P）的条件下，等熵膨胀与节流膨胀两种方案相比，哪种方案的降温大？ A 。 A、前者 B、后者 C、两者相同 D、两者没有可比性24、经历一个不可逆热机的循环过程，体系工质的熵 C 。A、增大 B、减小 C、不变 D、可能增大，也可能减小25、流体把2000KJ的热量传给周围温度为27的环境，如果流体的熵变为-5KJ/K，这整个过程 B。A可能发生且可逆； B.可能发生但不可逆； C. 不可能发生。26、系统从某一初态经不可逆与可逆两条途径膨胀到达同一终态，则工质 C 。A.S可S不 B. S可p2）47、理想的Rankine循环工质是在汽轮机中作 D 膨胀A等温 B等压 C等焓 D等熵48、评价蒸汽压缩制冷循环的技术经济指标是 D 。A单位制冷量 B制冷剂每小时循环量 C压缩机消耗功率 D制冷系数49、吸收式制冷是消耗 B 而实现制冷的目的A功 B热能 C机械能50、稳态流动过程的理想功仅取决于体系的初态与终态及环境温度T0,而与具体的变化途径无关。（ A ）A正确 B错误51、合理地评价化工过程能量综合利用所采用的方法是 C 。A热力学第一定律 B热力学第二定律C热力学第一与第二定律 D不能确定52、可逆绝热膨胀过程的特征是 （ B ）A等焓 B等熵 C等温 D等压53、某体系进行不可逆循环时的熵变为（ B ）AS体系0，S环境 =0 BS体系=0，S环境0 CS体系=0，S环境 =0 DS体系0，S环境 054、理论上讲，在相同的初压和终压之间，压缩级数越多，过程越接近（C ）A 绝热压缩过程 B 多变压缩过程 C 等温压缩过程 55、某流体在稳流装置内经历一个可逆过程，对外做功为30，得到的热量为100。试问流体的熵变：（ A ）A. 为正； B. 为负； C. 可正、可负。56、水蒸汽由状态T1、P1节流膨胀至T2、P2，下列描述中正确的是：（ A ）A. ，； B. ，； C. ，。57、稳流过程能量平衡式：（ C ） A. 仅适用于稳流可逆过程； B. 仅适用于稳流不可逆过程；C. 该稳流过程可逆、不可逆均可。58、冬天，同样使室温由10升至20，与电加热器相比，空调不仅能将消耗的电能转化为热量，而且能将室外空气中的热量移到室内，因此它比电加热器更省电。（ A ）A. 正确； B. 错误。59、过热蒸汽经绝热可逆膨胀，对外做功为Ws，经过计算此过程的理想功为Wid，则Wid B Ws。A.大于 B.等于 C.小于 D.不能确定60、分别以某一真实气体和理想气体为工质在两个恒温热源T1、T2之间进行卡诺理想循环，试比较这两个循环的热效率。 B A、前者大于后者 B、两者相等 C、前者小于后者 D、没法比较。61、热源温度为1200K ，环境温度为300K ，热源提供热量1000J ，其中的有效能损失为 D J。A、750 B、400 C、300 D、25062、以下 A 措施，即提高蒸汽朗肯循环的热效率，又提高汽轮机出口乏气的干度。A、提高汽轮机进汽温度 B、提高汽轮机进汽压力C、提高汽轮机乏汽压力 D、降低汽轮机出口乏汽压力 63、从合理用能的角度出发，在流体输送过程中，其它条件都相同的情况下，同样物质的高温流体的流速应比低温流体的流速 C 。A相等、 B、小 C、大 D、可大可小64、稳定流动系统的能量积累等于零，熵的积累 B 。A、 大于零 B、等于零 C、小于零 D、可正可负65、高压氮气从同一始态出发，分别经历两个不同的膨胀过程达相同的终态。其中已知一个不可逆过程的工质焓变为50KJ/kg，而另一个可逆过程的工质焓变 C KJ/kg。A、大于50 B、小于50 C、等于50 D、不能确定。66、经历一个不可逆循环过程，体系工质的熵 A 。A、不变 B、减小 C、增大 D、可能增大，也可能减小67、在气体压缩过程中，因存在各种损失，故实际功耗总是大于理论功耗。（）68、对于一个绝热不可逆过程，其熵变可以设计一个可逆过程来计算。 （ ）69、节流过程为等焓过程，所以节流后流体的温度不变。 （ ） 70、体系经一绝热可逆过程熵值不变。（ ）71、孤立体系不可逆过程的熵是增加的，但火用是减少的。（ ）72、系统向环境放出热量，温度下降，因此熵产生小于零。（ ）73、理想气体经节流膨胀后温度下降。（ ）74、自然界一切实际过程的熵产生必大于零。（ ）75、高压蒸汽的火用较低压蒸汽的火用大而且转化为功的效率也较高。（ ）76、合理用能的总则是按质用能，按需供能。（ ）77、体系经一不可逆过程的火无一定增加，但火用不一定减少。（ ）78、凡是系统放热过程熵产生必定小于零。（ ）79、理想气体经节流膨胀后温度不变。（ ）80、Wid的值只与系统的始末态有关而与过程无关。（ ）81、蒸汽的火用值越高转化为功的效率也较高。（ ）82、流体流经透平时，所做的轴功。 ( )83、体系熵增大的过程必为不可逆过程。 （ ）84、能量平衡是以热力学第一定律为基础，有效能平衡也是以热力学第一定律为基础。（ ）85、绝热可逆膨胀过程不一定是等熵过程。 （ ）86、等熵膨胀效应系数总是大于零。 （ ）二、分析简答题1、有一发明者声称可制造一热机，在0和250之间工作，并且循环中输出功与放出的废热相等，对于这个设计你觉得能投资吗？请作简要分析说明。答：WS=Q1 Q1= Q2+WS 该热机的实际热效率h=WS/Q1= 0.50Q1/Q1= 0.50 可逆热机的热效率hc,max=1-TL/TH= 1-273/(273+250)=0.478 而 hhc,max 则此设计不合理，不能投资。2、某气体符合状态方程P（V-b）=RT（b为特有的常数，b0）。试问该物质能否替代氟利昂作为冰箱制冷剂（冰箱通常利用节流过程获得低温），请给出理由？ 答： 3、试给出蒸汽动力循环（实际朗肯循环）和实际蒸汽压缩制冷循环（节流膨胀）的循环示意图、T-S图和评价指标。4、请写出稳流系统热力学第一定律的数学表达式。答：稳流系统热力学第一定律的数学表达式：gZ+1/2u2+H=Q+Ws5、请示意画出制冷循环的T-S图，并说明各线段代表什么过程。答： 12低压蒸汽的压缩。23高压蒸汽的冷却、冷凝。34高压液体的节流膨胀。41低压湿蒸汽的蒸发。6、在T-S图上表示理想朗肯循环的各过程，并对其进行热力学分析，写出热效率的计算公式。12水在锅炉中恒压加热。先将水加热至沸点，然后在恒温恒压下汽化，最后变成过热蒸汽。H=H2-H1=QH Ws=023过热蒸汽进行绝热可逆膨胀至冷凝压力。Ws=-H=H2-H3 Q=034乏汽在冷凝器中进行恒温恒压冷凝，成为饱和液体。H=H4-H3=QL Ws=041冷凝水再水泵中进行可逆绝热压缩至锅炉的操作压力。Ws=-H=H1-H4 Q=0 热效率 7、简述熵增原理，并写出表达式。答：对于孤立体系，即孤立体系经历一个过程时，总是自发地向熵增大的方向进行，直至熵达到最大值，体系达到平衡。8、有人认为稳流过程的理想功Wid和可逆轴功Ws( R ) 相等，你以为呢？为什么？答：当过程绝热或和体系温度和环境温度相等时，二者相等；当过程非绝热且体系温度和环境温度不相等时，二者不相等。因为，前者，而后者。9、请画出朗肯循环的工艺流程示意图。 10、将蒸汽压缩制冷循环表示在TS图上。11、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，可以产生出的功率为170KW。该热机的高温与低温热源分别为670K和330K。试判断此热机是否合理。解：从已知条件可以计算出该热机的效率及卡诺热机效率，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，该热机效率低于卡诺热机效率，设计是合理的。评分原则：1.两步公式对,答案错减2分 2.按功率计算,得177.5KW170K,算对. 3.计算熵产生并大于零给一半分.12、对于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？可以设计一条绝热可逆过程进行计算，因为熵是状态函数。 13、下图为蒸气压缩制冷循环在TS图上的示意，试说明图中、各点分别处于何种状态，此循环包括哪几个过程，其作用是什么？答: a：低压饱和蒸汽 b：高压过热蒸汽 c：高压饱和蒸汽 d：高压饱和液体 e：低压湿蒸汽 此循环过程包括以下几个过程 ab 绝热压缩过程 提高制冷剂压力,完成一个循环 bcd 等压冷却 冷凝过程，释放出热量 de 节流膨胀过程 降低并调节制冷剂的压力 ea 等压等温蒸发过程 湿蒸气在蒸发器中汽化吸热使低温空间获得并维持低温温度 14、稳定流动体系有何特征？答: 体系中任一点的热力学性质都不随时间而变 体系无物质及能量的积累 不受过程是否可逆及流体性质的影响 15、简述熵增原理，并写出表达式。答：孤立体系经历一过程时，总是自发的向熵增大的方向进行，直至熵达到它的最大值，体系达到平衡态。ds孤立 0 16、依据有效能的观点判断下列能量价值的大小：5kJ、1000的热值与10kJ、100的热值。设环境温度为25，环境压力为0.1 MPa, ，从计算分析可得出什么样的结论？ 解: 5kJ、1000C的热量所具有的有效能是（T0298K）*5=3.83 kJ 10kJ, 100C的热量所具有的有效能是（T0298K）*102.01 kJ 由此可见，5kJ, 1000C的热源比10kJ, 100C的热源的有效能高。 三、计算题1、一氨压缩制冷机组，制冷能力Q0为4.0104 KJ/h。已知：状态点焓h KJkg-1代号蒸发器出口14301压缩机出口16802冷凝器出口2703试计算： （1）每小时制冷剂循环量（kg/h）； （2）冷凝器中制冷剂放出热量(KJ/h)； （3）压缩机的功率(KW)；（4）制冷系数。解：（1）H3 = H4=270kJkg-1 制冷能力 q0=H1-H4=1430-270=1160KJkg-1 制冷剂循环量 （2）冷凝过程即23，放出热量Q=G(H3H2)=34.5(270-1690)= - 48645KJh-1（3）压缩机功率 （4）制冷系数 2、一理想的压缩制冷装置（如图所示），用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的温度为-25，冷凝器中的压力为1.0MPa，假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，制冷量为1.67105 kJh-1。已知：通过NH3的lnP-H图可查到各状态点一些热力学参数，见下表1。表1. 装置各状态点一些热力学参数状态点tPMPa状态HkJkg-1a-25/饱和蒸汽1430b/1过热蒸汽1710d/1饱和液体320（1） 计算：需制冷剂氨的质量流量kgh-1；（2） 计算：压缩机消耗的功率；（3） 计算：制冷系数。解：（1） 在节流阀内为等焓过程， (2) （3） 3、1 kg甲烷由98.06 kPa，300K压缩后冷却到6.667 kPa，300K。若压缩过程耗功 1021.6 kJ，试求（1）冷却器中需要移去的热量；（2）压缩与冷却的损失功；（3）压缩与冷却过程的理想功；（4）压缩与冷却过程的热力学效率。环境温度为To=300 K。已知：98.06 kPa、300K时，H1= 953.74kJkg-1，S1=7.0715kJkg-1K-1；6.667 kPa、300K时，H2 = 886.76kJkg-1，S2 = 4.7198kJkg-1K-1。解：以1 kg 为基准。（1）由稳定流动过程的能量方程可得 866.76-953.74-1021.6-1088.6 kJ (2)损失功 (3) 理想功 (4) 热力学效率 4、有两股压力分别是12.0 MPa和1.5 Mpa的饱和蒸汽。1）如用于作功，经稳流过程变成25的饱和水，求Wid(To=298K)，2）如用作加热介质，经换热器后变成25的饱和水，求换热量Q。对计算结果作综合分析，在化工设计和生产过程中如何合理地使用这两股蒸汽？已知：各状态点一些热力学参数，见表1。表1. 装置各状态点一些热力学参数状态点tPMPa状态HkJkg-1SkJkg-1k-11324.812饱和蒸汽2684.9549242198.31.5饱和蒸汽2792.2644483250.008169饱和水104.8903674解：（1） （2） 5、4.0MPa，500的过热蒸汽，在透平中经绝热膨胀到0.04MPa的饱和蒸汽状态，已知压力/MPa温度/K焓/kJkg-1熵/ kJkg-1K-1环境水0.1013298104.90.3674过热蒸汽4.07733445.37.0901饱和水0.04309.4151.50.5210饱和蒸汽0.04309.42567.48.3304请回答：（1）该过程可逆否？为什么？（2）该过程的等熵效率？（3）该过程的Wid、Ws、WL、热力学效率各是多少？(4) 求膨胀前后蒸汽有效能的变化B。 6、某工厂采用氨压缩制冷，制冷能力Q0=200000 kJh-1，操作条件如右图，且已知：H1=1661 kJkg-1， H2=1890 kJkg-1，H4=560 kJkg-1， H5=535 kJkg-1求：（1）制冷剂循环量（kJh-1）； （2）压缩机消耗功率（kW）；（3）该循环的制冷系数；（4）冷凝器的热负荷。 解：(1)单位制冷量：制冷剂循环量： （2）单位制冷剂消耗的功： 压缩机消耗的功率： （3）制冷系数： （4）单位制冷剂放热量： 冷凝器热负荷： 7、4.0MPa，500的过热蒸汽，在透平中绝热膨胀到0.04MPa的饱和蒸汽状态。 所需热力学数据见下表： 压力/MPa温度/K焓/kJkg-1熵/ kJkg-1K-1环境水0.1013298104.90.3674过热蒸汽4.07733445.37.0901饱和水0.04309.4151.50.5210饱和蒸汽0.04309.42567.48.3304求：（1）该过程透平做功Wac是多少？（2）该过程的Wid、WL、热力学效率a各是多少？（3）膨胀前后蒸汽的有效能 变化B是多少？解：（1） （2）（3） B=-Wid=-1247.5kJ/Kg8、今有一股流体流速为14400kgh-1,要求由298K冷却到278K，其恒压比热容为。（1）试求过程的理想功（T0=298K）;（2）若上述冷却目标由制冷循环配合完成，并已知其制冷系数4。试求总的实际功Ws和损耗功WL。解：（1） （或）（或3401.28 或0.95 ）代入上式（或-2.39 或9.55 ） （2） （或68 或17 ） （或） 9、某厂有一输送80热水的管道，由于输送过程的热量损失，到使用单位时，水温已降到70，设大气温度为300K，水的比热容。（忽略过程动、位能的变化）。试求：（1）水温降低过程的每千克水的热损失Q；（2）水降温过程的有效能损失D解：（1）由稳流过程热力学第一定律：过程的 （2）或： 10、1mol理想气体在400K由0.1013MPa经等温不可逆压缩到1.013MPa，压缩过程的热被移到300K的贮热器，实际压缩功比同样的可逆压缩功多20，计算气体与贮热器的熵变及总熵变。解：理想气体等温过程的可逆轴功为： 不可逆轴功为可逆轴功的1.2倍 由热力学第一定律知： 气体熵变 设储热器温度不变则：总熵变 11、水蒸气在透平机中等熵膨胀，其状态由6MPa、600变为10