高等工程热力学作业

高等工程热力学考试题

1、 请扼要说明准静态过程与可逆过程的区别。（8分）

答：探讨准静态过程与可逆过程的区别，首先要分析不可逆损失。不可逆损失就其产生的原因来说，可从与系统状态有关的非平衡损失和与物性有关的耗散损失两方面考核。

非平衡损失是由系统的非平衡态引起的，其中包括力的、热的、化学的三种非平衡损失。

耗散损失是因为机械摩擦阻力、流体的粘性阻力以及电阻、磁阻等的作用而产生的不可逆损失。

可逆过程是没有不可逆损失的过程。准静态过程是指无非平衡损失的过程。因此，二者的主要区别就是在于有无耗散损失。

2 、医用氧气袋中空时呈扁平状态，内部容积为零，接在压力为14MPa 、温度为17°的钢质氧气瓶上充气。充气后氧气袋隆起，体积为0.008立方米，压力为0.15MPa 。由于充气过程过快，氧气袋大气换热可以忽略不计，同时因充入氧气袋内气体质量与钢瓶气体内质量相比甚少，故可以认为钢瓶内氧气参数不变。求充入氧气袋中氧气的质量？（8分）

答：据能量方程i f out f cv W m gz c h m gz c h dE Q δδδδ+++-+++=12

2)21()21(

据题意0=Q δ0=out m δ dU dE cv = 忽略

gz c f

和22

则 0W i =+-δδin in m h dU dV p W o i =δ 且氧气袋内氧气质量即充入氧气的质量，∴积分后0)(21222=-+-V V p m h u m o in

02222=+-V p m h u m o in （a ） ,又2

222T R V p m g =

（b ） 据题意 p 2=0.15MPa V 2=0.008m 3 R g =260 J/(kg.K)

u 2=0.657T 2 kJ/kg h in =0.917T in kJ/kg 代入（a ）（b ）解得

T 2=313.20 K m 2=0.0147 kg

3、容积为V 的真空罐出现微小漏气，设漏气前罐内压力为零，而漏入空气的流量与p 0-p 成正比（p 0为大气压力），比例常数为а，由于漏气进程十分缓慢，可以认为罐内、外温度始终维持T 0（大气温度）不变。试推导罐内压力P 的表达式。（10分）

解：将罐子看成一个系统，这是一个缓慢的充气问题。周围空气露入系统的微量空气dm ’就等于系统内空气的微增量dm 。由题设条件已知，露入空气的流率 ()'

0d m p p d ατ

=-，于是： ()'

0dm d =d m p p d αττ

=- （1） 另一方面，罐内空气的压力变化（dp ）与空气量的变化（dm ）也有一定的关系。

由罐内的状态方程g pV mR T =出发，经微分得

g g pdV Vdp R Tdm R mdT +=+

所以，g pV mR T =后改写成

d dp dV T dm p V T m

+=+

按题设条件 dv=0. dT=0.于是

dp dm p m

= （2） 此式说明罐同空气质量的相对变化与压力的相对变化成正比。

综合式（1）（2），得

()()000g p p R T d p p d dp p m pV

ατατ--==

由漏气前（p=0）积分到某一瞬间，得 000g R T p p Ln p V

ατ-= 4、理想气体与实际气体的区别是什么？状态方程之间有什么区别？（10分）

答：理想气体是指气体分子不占有容积和分子间没有相互作用力。而实际气体分子占有一定的容积，并且分子间有相互作用力。

理想气体状态方程（RT pv =）是建立在理想气体状态之上的。因此实际的气体状态方程不完全满足RT pv =关系式，其主要原因是，理想气体状态方程只能反映气体分子相距较远时，即

T v p v p --∞→→时的或0关系。

5、热系统评估的目的是什么？（10分） 答：对热系统进行分析、评价的目的是在热力学基本定律的基础上分析热系统的能量转换、利用的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。

6、热系统评估的步骤与具体内容包括什么？（12分）

答：通常对热系统的分析可分两步：首先，把实际问题抽象概括成由可逆理想过程构成的系统，分析该理想系统，找出影响系统能量利用和转换效率的主要因素以指导实际系统的改善；然后，分析实际系统与理想系统的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因以及改进办法。

7、以动力车间热电合产方案为例进行经济分析（12分）

答：首先对方案I 作火用平衡计算，为拟选合理的热电合产方案指明方向。计算时作如下假设：选取压力为0.1MPa 、温度为20℃的水流的比火用为零；假定N1、N2、N3炉运行；除锅炉至背压机的蒸汽管道考虑压力损失及散热损失外，其他汽水管道、设备都忽略这种损失；锅炉排污及动力车间的汽水泄漏损失及泵功也忽略不计；取燃料火用等于燃料低发热量(Q ’=29307.6kJ ／kg)。经过计算，此方案的火用效率很低，仅21.71％，绝大部分的燃料火用都损失掉了。其中最大炯损失发生在锅炉中，占燃料佣的73.39％，其次是在减压减温器Ⅱ中，占燃料火用的2.03％。锅炉中的火用损失是由于燃料的燃烧、散热及不可逆传热所引起。但在当前的条件下，燃料燃烧的损失不可避免，减少锅炉的火用损失，应从减少散热及不可逆传热损失着手，最有效的措施是恢复锅炉原参数运行，并提高锅炉效率。减少减压减温器Ⅱ的火用损失的最好办法是选用一台适当容量的背压机组代替它，使减压减温造成的炯损失大部分转化为功火用。于是针对方案I 的问题，提出了改进的方案Ⅱ。方案Ⅱ的要点是将N2、N3和N4炉恢复到原设计参数(450℃，

3.9MPa)运行；增设高压加热器，将锅炉给水加热到160℃；N1炉给水温度恢复到104℃(即除氧器在0.12MPa 下运行)；增装一台B3-35／10背压机组，进汽参数为435℃、3.5MPa ，使两台背压机组发电达4871.4kW 。虽然方案Ⅱ需要增加两个回热加热器，更换三台给水泵(二台工作，一台备用)，还要增设一些气、水管道与一个减压减温器Ⅲ，投资较大，改建时也较为麻烦一些。从能量的合理利用及长远的经济效果来看，方案是较合理的，它既满足了工艺用热的需要，又可年节约14140吨标准煤，既减少了燃烧对环境的污染，也保证企业有良好的经济效益。

8、简述燃料电池的热力学原理（15分）

答：燃料电池是一次直接能量转化装置，它能将化学能不经过热能这一中间过渡的能量形式直接转换为电能，从而避免了产生的熵增的过程，其转换效率可不受卡诺循环效率的限制。

其热力学原理是：反应物在转化装置内经过化学反应生成生成物。将反应物的化学能转化为生成物的化学能和电能及反应热。即：e W H Q +?=

式中，H ?为反应物与生成物在经过燃料电池时的总焓差；e W 为燃料电池提供的电功；Q 为燃料电池反应热。

燃料电池的电动势为ε，近似认为燃料电池的工作过程为可逆过程，其内部进行的反应假定为室温定压反应，根据吉布斯自由焓的概念，系

统在初终态间完成的最大有用功量为)(212121max ,S S T H H G G W u ---=-=，而e u W ερ=max ,其中e ρ表示流过电池的电量。则电动势p e

T T H H ??? ????+-=ερε21。 燃料电池的热量:将燃料电池和环境介质视为系统，根据系统的总熵变为环境介质的熵变量和燃料电池的熵变量之和及燃料电池的熵变量为

p e T S S ??? ????=-ερ12可知，电池向外界放热还是吸热，与p

T ??? ????ε的正负有关，为正时，表明从外界吸热，为负时，则相反。 9 简述太阳能技术的热力学原理（15分）

答：太阳的能量是靠辐射方式传输的。从热力学角度分析，太阳能的热辐射作为不连续的微粒进行研究，因此，可以利用吉布斯基本关系式),(V S U U =。

太阳能技术的利用中，其辐射系统可以理性化为一系列的可逆过程。即：可逆绝热膨胀或压缩，这个过程时一个等熵膨胀或压缩过程，用关系式表述为：

常数=3V T

在卡诺循环中一黑体作为介质，则有

H L

T T -=1c η

这是一个理论值，但印证了一个结论：效率和工质无关。

考虑到太阳能集热器表面的各种辐射损失，得到了最大输出功决定了集热器的温度较高结论。但这样势必会对材料提出了较高的要求，于是讨论在低温下提高最大输出功的问题，此时主要损失功是热对流。

有公式： ())1(11P 2/1max

2/1

max s max ,++-=v R v c Φ 其中Φs=集热器吸收的太阳热源的净热流量，Vmax 为无量纲的最大温度，R 是热交换器外部与内部传热速率的比值。

另外，太阳能集热器内的压力降所造成的不可逆的损失以及传热的不可逆性，再有提找的循环性所引起的变化，都会对最大输出功产生影响。