-化工过程的能量分析习题

1、文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢迎下载支持第5章化工过程的能量分析一、是否题.系统嫡增加的过程必为不可逆过程。错.绝热过程必是定嫡过程。错.热温嫡Q即过程的嫡变。 T错。过程嫡变的定义为S Q空，即可逆过程的热温商才是嫡变。T.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嫡变化？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嫡变，可以设计一系列可逆过程来计算有相同初、终态的过程嫡变。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

2、不是自发过程，但是不可逆过程。.功可以全部转变成热，但热一定不能全部转化为功。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 AT=0; AU=0, Q=W,热全部转化为功，但系统的体积变大了，压力变小了。.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。、选择题.理想气体流过节流阀，其参数变化为 。AT = 0,S= 0 B/T= 0,S0C NT w 0,S 0 DNT= 0,NSv0(B)o系统工质经历一个可逆定温过程，由于温度没有变化，

3、故该系统不能与外界交换能量。.(1)孤立体系的嫡永远增加。(2)在绝热的条件下，趋向平衡的过程中，体系的嫡增加。(3)孤立体系的嫡永不减少。(4)可用体系的嫡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 TOC o 1-5 h z A (1) (4) B (2)(4) C (2)(3) D (1)(2)Ao (1)孤立体系的自发过程向着嫡值增大的方向进行，直到体系的嫡具有极大值( dS = 0)时达到 平衡态。(4)嫡增原理必须在孤立体系或绝热体系中应用。.在 H + gZ + 0.5u2=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/k

4、g D kJ/g 22m kg m N m J(C ) rFs kg s kg kg三、填空题能量衡算式一般形式 d(mE)体系(H 1/2u2 gZ) 1 日(H 1/2u2 gZ)2 m2QWs 文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢迎下载支持2封闭体系能量衡算式U Q W3稳定流动体系能量衡算式H 1/2 u2 g Z Q Ws4非流动体系理想功的计算式WidUToS po V或者WidH (pV)ToSpoV2流动体系理想功的计算式WidH g zToS ,忽略动能和势能变化2WdHT0 s ,稳态流动过程损失功的计算式 Wl To S Q.四、计算题1,试确定1kmol的

5、蒸气(147OkPa,过热到538C,环境温度to=16C)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 C, 147OkPa)变化到终态(16C, 1O1.32kPa)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始与嫡分别为H1=3543.34kJ/kg ,S1=7.6584kJ/ (kg K)由饱和水蒸气表可查得终态时水的崎与嫡分别为H2=67.18kJ/kg,S2=O.2389kJ/ (kg K)所以过程的始变和嫡变分别为H =M (H2-H1) =18,O2 (67.18 3543.34) = 6264O.33 (kJ/kmol )S=M (S

6、2-S1) =18,O2 (O.2389- 7.6584) =-133.6994 (kJ/ (kkmol K)若理想功为所能提供的最大有用功，则Wid= H-To S=6264O,33+ ( 16+273.15) ( 133.6994) =2.398x 1O4 ( kJ/kmol).确定冷却45kmol/min的空气，从初始温度305K降低至U 278K所需的最小功率 Nmin,环境温度3O5K。 已知空气的比热容为 29.3kJ/ (kmol K)。解：在冷却过程中，空气的火含变和嫡变分别为过程所需的最小功为Wid= H -To S=-791.1 -3O5 ( 2.7158) =37.2 (

7、kJ/kmol)所以这一冷却过程所需的最小功率为Nid=nWid=45X 37.2=1674.O (kJ/min) =27.9kW.在一个往复式压气机的实验中，环境空气从1OOkPa及5c压缩到1OOOkPa ,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 1OOkg/kmol (空气)。冷却水入口温度为5C,出口温度为16C,空气离开压缩机时的温度为145C。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/ (kmol K)。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

8、想气体，在此过程中空气放出 的热量为Q= VwCp，W (tout tin )式中Ww为冷却水的流率；Cpw为水的热容，取值为 4.18kJ/ (kg - K), tout和tin分别为冷却水的出、入 口温度。所以Q= 1OOX4.18 (165) =4.598X1O3 (kJ/kmol)压缩过程中空气的焰变为若忽略此压缩过程中动能和势能的变化，则所需的功为文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢迎下载支持Ws= H Q =4.102 X 103+ 4.598 X 103=8.700 X 103 ( kJ/kmol)过程的嫡变可以按下式计算所以压缩过程的理想功为Wid= H-T0 S

9、=4.102X 103278.15 ( 7.199) =6.104 X 103 ( 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Ws/Wid=8700/6104= -1.4254,水与高温燃气进行热交换转变成260 c的恒温蒸气，在此过程中，燃气温度由1375 c降到315C,已知环境温度为 27Co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/(kg K)。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=B2-B1= ( H2-T0S2) (H1T0S1) 将上式整理可得 B= (H2-H1) T0 (S2-S1)

10、 其中T0= 27+273.15=300.15 (K)H2-H1=Cp (T2-T1) =- 1060.00kJ/kgT2S2-S1= (CP/T)dT CPln(T2/T1)1.030kJ /(kggK)T1 因此该过程有效能的降低为 B = 1060.00300.15 ( 1.030) =- 750.72 (kJ/kg)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 T0= 25 + 273.15=298.15 (K),并假定空气为理想气体。绝热节流膨胀，Q= 0, H

11、= 0, T = 0,所以过程的嫡变为 S=一Rln 印加1)=- 8.314ln (100/2100) = 25,312 (kJ/ (kmol K) 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Wl=T0AS- Q = 298.15 X 25.312 0 = 7.547X 104 (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

12、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烙和嫡为Ha=334.91kJ/kg ,Sa=1.0753kJ/ (kg K)Hb=167.57kJ/kg ,Sb=0.5725kJ/ (kg K)由此可计算出混合前两股水的有效能函数为Ba=HaT0Sa=334,91 298.15X 1.0753=14.309 (kJ/kg)Bb=Hb- T0Sb=167,57 298.15X 0.5725=- 3.121 (kJ/kg)由于混合过程是在绝热条件下进行的，其始平衡方程为aHa+ bH b=mH m所以混合后水流

13、的始为aHa bHbH m=25 334.912530 167.5730=243.63 (kJ/kg)331.36K,进而可查得混合后水流的根据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 嫡为Sm=0.8085kJ/ (kg K),这样混合后水流的有效能函数为文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢迎下载支持Bm=H m- ToSm=243.63 298.15X 0.8085=2.576 ( kJ/kg)于是这一混合过程的有效能降低为 B=mBm aBa- bBb=55 X2,576 25X 14.30930 ( 3.121) =- 122.42 (kJ/s).试求将1k

14、g, 0.6MPa的空气，按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 C(298K)。(1)等压下由-38C加热至30C；(2)等压下由30c冷却至-170 Co解：由空气的TS图可查得0.6MPa下各温度状态的焰及嫡值如下：-38 C ( 235K), H1=11620 J mol-1S1=104 J - mol-1 - K-130 c ( 303K) , H2=13660 J - mol-1S2= 111J - mol-1 , K-1-170 C ( 103K), H3=7440 J - mol-1S3=77 J , mol-1 K-1一 1(1)等压加热热量 Hp 13

15、660 1162070.3kJ29有效能变化一1(2)等压冷却热量 Hp (7440 13660)214.5kJ29有效能变化.试求1kmol, 300K的空气，由0.1MPa等温可逆压缩到10MPa的轴功和理想功。环境温度取T0为298K 。解：由空气的TS图可查得，在300K下，各压力状态下的焰值和嫡值如下:0.1MPa,H1=13577 kJ -1kmol10MPa,稳流系统可逆过程S1=126H2=1300S2=87kmol-1 , K-1kmol-1kmol-1 , K-1 H= Q+ WsWs=Q rev+ AH其中可逆热 Qrev=T A S=T (S2S1) =300 X (

16、87126) =-11700 kJ - kmol1所以WsQrevH 11700 (1300 13577) 11123kJ kmol理想功WdHT0 S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，消耗的功最少。.某人称其能用100c的饱和水蒸汽，提供140 c的热能，且每公斤水蒸汽可供热量1800kJ kg-1 请验证其可靠性。文档来源为：从网络收集整理,word版本可编辑.欢迎下载支持解：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

17、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, 100c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。.某人称其设计了一台热机，该热机消耗热值为42000kJ kg-1的燃料30kg h-1,可以产生的输出功率为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170 0.486 42000 303600T高 T低670 330 -

18、 TOC o 1-5 h z 卡诺热机效率卡 0.508T离670卡诺热机是效率最高的热机，显然该人设计的热机不合理。. 0,1013Mpa的饱和水蒸汽被绝热压缩至0.3Mpa, 280C ,蒸汽流率为1 0 0 OKg/h,环境温度25 C,计算：(1 )压缩机的功率(2 )理想功和热力学效率0.1013MPa饱和水蒸汽的焰值和嫡值分别为：H1=2676.1kJ kg-1S1=7.3549 kJ kg-1 K-1。0.3MPa和280c过热蒸汽的燃值和嫡值分别为：H2=3028.6kJ kg-1S2=7.6299 kJ kg-1 K-1Ws= H2- H1=3028.6 - 2676.1-3028.6=352.5 kJ kg-1Wid = AH - T0AS=(3028.6-26