-化工過(guò)程的能量分析習(xí)題

1、文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理,word版本可編輯.歡迎下載支持第5章化工過(guò)程的能量分析一、是否題.系統(tǒng)嫡增加的過(guò)程必為不可逆過(guò)程。錯(cuò).絕熱過(guò)程必是定嫡過(guò)程。錯(cuò).熱溫嫡Q即過(guò)程的嫡變。 T錯(cuò)。過(guò)程嫡變的定義為S Q空，即可逆過(guò)程的熱溫商才是嫡變。T.對(duì)一個(gè)絕熱不可逆過(guò)程，是否可以設(shè)計(jì)一個(gè)絕熱可逆過(guò)程來(lái)計(jì)算其嫡變化？否。絕熱不可逆過(guò)程是自發(fā)過(guò)程，而絕熱可逆過(guò)程是平衡過(guò)程，兩者不能替代。但是對(duì)一個(gè)不可逆過(guò)程的嫡變，可以設(shè)計(jì)一系列可逆過(guò)程來(lái)計(jì)算有相同初、終態(tài)的過(guò)程嫡變。5,不可逆過(guò)程一定是自發(fā)的，自發(fā)過(guò)程一定是不可逆的。否。自發(fā)過(guò)程一定是不可逆的，但不可逆過(guò)程不一定是自發(fā)的。例如：理想氣體的等外壓壓縮就

2、不是自發(fā)過(guò)程，但是不可逆過(guò)程。.功可以全部轉(zhuǎn)變成熱，但熱一定不能全部轉(zhuǎn)化為功。否。功可以自發(fā)地全部變?yōu)闊幔瑹嵋部梢匀哭D(zhuǎn)化為功，但一定會(huì)引起其他變化。例如，理想氣體等溫膨脹是 AT=0; AU=0, Q=W,熱全部轉(zhuǎn)化為功，但系統(tǒng)的體積變大了，壓力變小了。.無(wú)論流體的溫度高于或低于環(huán)境溫度，其有效能均為正對(duì)。根據(jù)熱力學(xué)原理，一切不平衡狀態(tài)均走向平衡，可以作功。因此所有偏離環(huán)境溫度的狀態(tài)應(yīng)具 有正的有效能。、選擇題.理想氣體流過(guò)節(jié)流閥，其參數(shù)變化為 。AT = 0,S= 0 B/T= 0,S0C NT w 0,S 0 DNT= 0,NSv0(B)o系統(tǒng)工質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)可逆定溫過(guò)程，由于溫度沒(méi)有變化，

3、故該系統(tǒng)不能與外界交換能量。.(1)孤立體系的嫡永遠(yuǎn)增加。(2)在絕熱的條件下，趨向平衡的過(guò)程中，體系的嫡增加。(3)孤立體系的嫡永不減少。(4)可用體系的嫡函數(shù)的增加或不變來(lái)判斷過(guò)程是否可逆。上述表述中全部錯(cuò)誤的是 TOC o 1-5 h z A (1) (4) B (2)(4) C (2)(3) D (1)(2)Ao (1)孤立體系的自發(fā)過(guò)程向著嫡值增大的方向進(jìn)行，直到體系的嫡具有極大值( dS = 0)時(shí)達(dá)到 平衡態(tài)。(4)嫡增原理必須在孤立體系或絕熱體系中應(yīng)用。.在 H + gZ + 0.5u2=Q+Ws中，如果 u的單位用 m/s,則H的單位為：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、填空題能量衡算式一般形式 d(mE)體系(H 1/2u2 gZ) 1 日(H 1/2u2 gZ)2 m2QWs 文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理,word版本可編輯.歡迎下載支持2封閉體系能量衡算式U Q W3穩(wěn)定流動(dòng)體系能量衡算式H 1/2 u2 g Z Q Ws4非流動(dòng)體系理想功的計(jì)算式WidUToS po V或者WidH (pV)ToSpoV2流動(dòng)體系理想功的計(jì)算式WidH g zToS ,忽略動(dòng)能和勢(shì)能變化2WdHT0 s ,穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程損失功的計(jì)算式 Wl To S Q.四、計(jì)算題1,試確定1kmol的

5、蒸氣(147OkPa,過(guò)熱到538C,環(huán)境溫度to=16C)在流動(dòng)過(guò)程中可能得到的最大 功。解：這是求算1kmol的蒸氣由始態(tài)(538 C, 147OkPa)變化到終態(tài)(16C, 1O1.32kPa)的液體水時(shí)所 得到的最大功。由過(guò)熱水蒸氣表查得初始態(tài)時(shí)的始與嫡分別為H1=3543.34kJ/kg ,S1=7.6584kJ/ (kg K)由飽和水蒸氣表可查得終態(tài)時(shí)水的崎與嫡分別為H2=67.18kJ/kg,S2=O.2389kJ/ (kg K)所以過(guò)程的始變和嫡變分別為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)若理想功為所能提供的最大有用功，則Wid= H-To S=6264O,33+ ( 16+273.15) ( 133.6994) =2.398x 1O4 ( kJ/kmol).確定冷卻45kmol/min的空氣，從初始溫度305K降低至U 278K所需的最小功率 Nmin,環(huán)境溫度3O5K。 已知空氣的比熱容為 29.3kJ/ (kmol K)。解：在冷卻過(guò)程中，空氣的火含變和嫡變分別為過(guò)程所需的最小功為Wid= H -To S=-791.1 -3O5 ( 2.7158) =37.2 (

7、kJ/kmol)所以這一冷卻過(guò)程所需的最小功率為Nid=nWid=45X 37.2=1674.O (kJ/min) =27.9kW.在一個(gè)往復(fù)式壓氣機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境空氣從1OOkPa及5c壓縮到1OOOkPa ,壓縮機(jī)的氣缸用水冷卻。在此特殊實(shí)驗(yàn)中，水通過(guò)冷卻夾套，其流率為 1OOkg/kmol (空氣)。冷卻水入口溫度為5C,出口溫度為16C,空氣離開(kāi)壓縮機(jī)時(shí)的溫度為145C。假設(shè)所有對(duì)環(huán)境的傳熱均可忽略。試計(jì)算實(shí)際供給壓氣機(jī)的功和該過(guò)程的理想功的比值。假設(shè)空氣為理想氣體，其摩爾定壓熱容Cp=29,3kJ/ (kmol K)。解：以被壓縮的空氣為系統(tǒng)，以 1kmol空氣作為基準(zhǔn)。假設(shè)空氣為理

8、想氣體，在此過(guò)程中空氣放出 的熱量為Q= VwCp，W (tout tin )式中Ww為冷卻水的流率；Cpw為水的熱容，取值為 4.18kJ/ (kg - K), tout和tin分別為冷卻水的出、入 口溫度。所以Q= 1OOX4.18 (165) =4.598X1O3 (kJ/kmol)壓縮過(guò)程中空氣的焰變?yōu)槿艉雎源藟嚎s過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能的變化，則所需的功為文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理,word版本可編輯.歡迎下載支持Ws= H Q =4.102 X 103+ 4.598 X 103=8.700 X 103 ( kJ/kmol)過(guò)程的嫡變可以按下式計(jì)算所以壓縮過(guò)程的理想功為Wid= H-T0 S

9、=4.102X 103278.15 ( 7.199) =6.104 X 103 ( kJ/kmol) 因此實(shí)際供給壓氣機(jī)的功與該過(guò)程的理想功的比值為Ws/Wid=8700/6104= -1.4254,水與高溫燃?xì)膺M(jìn)行熱交換轉(zhuǎn)變成260 c的恒溫蒸氣，在此過(guò)程中，燃?xì)鉁囟扔?375 c降到315C,已知環(huán)境溫度為 27Co試確定1kg氣體由于熱交換過(guò)程，其有效能的降低值，設(shè)氣體的比熱容為1kJ/(kg K)。解：若忽略在進(jìn)行熱交換過(guò)程中燃?xì)鈩?dòng)能和位能的變化，則有效能的降低可表示為 B=B2-B1= ( H2-T0S2) (H1T0S1) 將上式整理可得 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 因此該過(guò)程有效能的降低為 B = 1060.00300.15 ( 1.030) =- 750.72 (kJ/kg)5.如果空氣絕熱節(jié)流膨脹，從 2100kPa降到100kPa不做任何功。若傳熱以及位能和動(dòng)能變化均可忽 略，試提出一些假設(shè)，確定此過(guò)程所產(chǎn)生的功損失。解：假設(shè)環(huán)境溫度 T0= 25 + 273.15=298.15 (K),并假定空氣為理想氣體。絕熱節(jié)流膨脹，Q= 0, H

11、= 0, T = 0,所以過(guò)程的嫡變?yōu)?S=一Rln 印加1)=- 8.314ln (100/2100) = 25,312 (kJ/ (kmol K) 若忽略傳熱以及位能和動(dòng)能的變化，此過(guò)程所產(chǎn)生的功損失為Wl=T0AS- Q = 298.15 X 25.312 0 = 7.547X 104 (kJ/kmol )6.兩股熱水在絕熱條件下相混合，其中一股水的溫度為353.15K,流量為25kg/s；另一股水的溫度為313.15K ,流量為30kg/s。以知環(huán)境溫度為 298.15K ,試計(jì)算這一混合過(guò)程有效能的降低。解：設(shè)溫度為353.15K的水的流量用a表示，下標(biāo)a表示其性質(zhì)；用小標(biāo) b表示溫

12、度為313.15K的水 的性質(zhì)，b表示其流量；下標(biāo) m表示混合后水流的性質(zhì)，m表示混合后水的流量。由飽和水和飽和水蒸汽表可查得兩股水的烙和嫡為Ha=334.91kJ/kg ,Sa=1.0753kJ/ (kg K)Hb=167.57kJ/kg ,Sb=0.5725kJ/ (kg K)由此可計(jì)算出混合前兩股水的有效能函數(shù)為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)由于混合過(guò)程是在絕熱條件下進(jìn)行的，其始平衡方程為aHa+ bH b=mH m所以混合后水流

13、的始為aHa bHbH m=25 334.912530 167.5730=243.63 (kJ/kg)331.36K,進(jìn)而可查得混合后水流的根據(jù)Hm的值由飽和水和飽和水蒸汽表可查得混合后水流的溫度為 嫡為Sm=0.8085kJ/ (kg K),這樣混合后水流的有效能函數(shù)為文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理,word版本可編輯.歡迎下載支持Bm=H m- ToSm=243.63 298.15X 0.8085=2.576 ( kJ/kg)于是這一混合過(guò)程的有效能降低為 B=mBm aBa- bBb=55 X2,576 25X 14.30930 ( 3.121) =- 122.42 (kJ/s).試求將1k

14、g, 0.6MPa的空氣，按如下條件變化時(shí)的熱量變化，以及有效能變化。取環(huán)境溫度為25 C(298K)。(1)等壓下由-38C加熱至30C；(2)等壓下由30c冷卻至-170 Co解：由空氣的TS圖可查得0.6MPa下各溫度狀態(tài)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)等壓加熱熱量 Hp 13

15、660 1162070.3kJ29有效能變化一1(2)等壓冷卻熱量 Hp (7440 13660)214.5kJ29有效能變化.試求1kmol, 300K的空氣，由0.1MPa等溫可逆壓縮到10MPa的軸功和理想功。環(huán)境溫度取T0為298K 。解：由空氣的TS圖可查得，在300K下，各壓力狀態(tài)下的焰值和嫡值如下:0.1MPa,H1=13577 kJ -1kmol10MPa,穩(wěn)流系統(tǒng)可逆過(guò)程S1=126H2=1300S2=87kmol-1 , K-1kmol-1kmol-1 , K-1 H= Q+ WsWs=Q rev+ AH其中可逆熱 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計(jì)算結(jié)果表明，等溫下將空氣從0.1MPa壓縮至10MPa時(shí)，其消耗的理想功比可逆軸功要少一些，這是因?yàn)閴嚎s時(shí)放出的熱量可逆地傳遞給環(huán)境，環(huán)境獲到了部分功，消耗的功最少。.某人稱其能用100c的飽和水蒸汽，提供140 c的熱能，且每公斤水蒸汽可供熱量1800kJ kg-1 請(qǐng)驗(yàn)證其可靠性。文檔來(lái)源為：從網(wǎng)絡(luò)收集整理,word版本可編輯.歡迎下載支持解：熱泵可以提高熱能的溫度，其原理采用某工質(zhì)， 使其在低于環(huán)境的溫度下蒸發(fā)，即從環(huán)境吸入熱量，再壓縮

17、到較高壓力，在高于環(huán)境溫度下冷凝放熱，達(dá)到供熱的目的。0.1MPa, 100c的飽和水蒸汽，若取298K,液態(tài)水為基準(zhǔn)態(tài)，其有效能熱能的有效能為：487,1501.2,顯然這一說(shuō)法是不可行的，實(shí)際過(guò)程中熱損耗是不可避免的，二者之間的差距更大。.某人稱其設(shè)計(jì)了一臺(tái)熱機(jī)，該熱機(jī)消耗熱值為42000kJ kg-1的燃料30kg h-1,可以產(chǎn)生的輸出功率為170kW該熱機(jī)的高溫與低溫?zé)嵩捶謩e為670K和330K。試判斷此熱機(jī)是否合理。解：從已知的條件，我們可以計(jì)算出該熱機(jī)的效率，以及卡諾熱機(jī)的效率，然后比較兩者的大小。熱機(jī)的效率170 0.486 42000 303600T高 T低670 330 -

18、 TOC o 1-5 h z 卡諾熱機(jī)效率卡 0.508T離670卡諾熱機(jī)是效率最高的熱機(jī)，顯然該人設(shè)計(jì)的熱機(jī)不合理。. 0,1013Mpa的飽和水蒸汽被絕熱壓縮至0.3Mpa, 280C ,蒸汽流率為1 0 0 OKg/h,環(huán)境溫度25 C,計(jì)算：(1 )壓縮機(jī)的功率(2 )理想功和熱力學(xué)效率0.1013MPa飽和水蒸汽的焰值和嫡值分別為：H1=2676.1kJ kg-1S1=7.3549 kJ kg-1 K-1。0.3MPa和280c過(guò)熱蒸汽的燃值和嫡值分別為：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