工程热力学经典例题-第四章_secret
《工程热力学》第四章 总结及例题
U13 Q13 W13 649.4kJ 316.62kJ 965.52kJ
H13 nCpm T3 T1 U pV 965.52kJ 299.855 619.393 kPa 2m3 1604.6kJ
S13
n CVm
ln
T3 T1
R ln V3 V1
500mol 3 4.1868J/(mol K) ln 144.26K 4.56kJ/K 298K
Pa
10
1－2过程：由25 ℃，2m3 可逆绝热膨胀到1 atm 2－3过程：定温可逆压缩回到2 m3
理想气体等温过程 ：热量=膨胀功=技术功
Q
Q12
Q23
Q23
WT 23
nRT
ln
V3 V2
500
mol 8.314
5
J/(mol K) 144.26
K ln
2 m3 5.906 m3
649.4 kJ
7
q h wt wt q h wt q (ha hb )
考虑过程等压 c a
a
q h c vdp
q ha hc
技术功：
wt q (ha hb )
8
例2 0.5 kmol某种单原子理想气体 ，由25 ℃，2m3 可逆绝热膨 胀到1 atm，然后在此状态的温度下定温可逆压缩回到2 m3。1） 画出各过程的p-v图及T-s图；2）计算整个过程的Q，W，ΔU， Δ H 及ΔS。
四种基本变化过程在 p-v 图和 T-s 图上的表示
dp n p dv v
dT T ( )
ds cn
1
p-v图和T-s图上的曲线簇
2
u,h,w,wt,q在p-v,T-s图上的变化趋势
u↑,h ↑(T ↑) w ↑(v ↑) wt ↑(p ↓) q ↑(s ↑)
04 清华大学 工程热力学 第四章
第四章4-1试用热力学第二定律证明，在p-v图上，两条可逆绝热线不可能相交。
4-2 (1) 可逆机从热源T1吸热Q1，在热源T1与环境(温度为T0)之间工作，能作出多少功？(2) 根据卡诺定理降低冷源温度可以提高热效率，有人设想用一可逆制冷机造成一个冷源T2(T2<T0)，另可逆热机在T1与T2间工作，你认为此法是否有效？为什么？4-3温度为T1，T2的两个热源间有两个卡诺机A与B串联工作(即中间热源接受A 机的放热同时向B机供给等量热)。
试证这种串联工作的卡诺热机总效率与工作于同一T1，T2热源间的单个卡诺机效率相同。
4-4 如图4-26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？哪些是不可能的?图4-26a. Q L=1000kJ，W=250kJb. Q L=2000kJ，Q H=2400kJc. Q H=3000kJ，W=250kJ4-5 试判断如图4-27所示的可逆循环中Q3的大小与方向、Q2的方向及循环净功W 的大小与方向。
4-6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？4-8空气在轴流压气机中被绝热压缩，增压比为4.2，初、终态温度分别为20℃和200℃，求空气在压缩过程中熵的变化。
14-10 将5kg 0℃的冰投入盛有25kg 温度为50℃水的绝热容器中，求冰完全融化且与水的温度均匀一致时系统的熵的变化。
已知冰的融解热为333kJ/kg 。
4-11 在有活塞的气缸装置中，将1kmol 理想气体在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、热源熵变及总熵变：a. 若过程中无摩擦损耗，而热源的温度也为400K ；b. 过程中无摩擦损耗，热源温度为300K ；c ．过程中有摩擦损耗，比可逆压缩多消耗20%的功，热源温度为300K 。
4-13 一个绝热容器被一导热的活塞分隔成两部分。
《工程热力学》第四章 习题
Tp11(v1vv12)n0.10584k4g2=Kp2v2
RgT1
RgT2
T2
p2v2 Rg m
0.565106 0.013 287 0.058
441.25K
8
③
Q
mq
m
n
n 1
cv
(T2
T1)
3.21kJ
W
mw
2
pdV
1
n
1 1
(
p1V1
p2V2
)
8.58kJ
④ U mcv (T2 T1) 5.36kJ
3、初态为p1=0.1MPa，t1=40℃的空气，V1=0.052立 方米，在气缸中被可逆多变地压缩到p2=0.565MPa， V2=0.013立方米，试求该多变过程的多变指数n，压 缩后的温度t2，过程中空气和外界交换的功量和热 量，压缩过程中气体热力学能、焓和熵的变化。 1
1、在p-v图和T-s图上画出定比热容理想气体的可逆 定容加热过程、可逆定压加热过程、可逆定温加热 过程和可逆绝热膨胀过程。 1）可逆定容加热过程、可逆定压加热过程
v2n
T1v1n1
T2v2n1
T1 T2
vn1 2
vn1 1
1
vn1 2
vn1 1
,已知v2
v1
0 n1
5
3）n＝1.6的膨胀过程，并判断q、w、△u的正负
此过程为放热，对外做功，内能减少
6
4） n＝1.3的压缩过程，并判断q、w、△u的正负；
此过程为放热，外界对空气做功，内能增加。
7
3、初态为p1=0.1MPa，t1=40℃的空气，V1=0.052m3，
在气缸中被可逆多变地压缩到p2=0.565MPa， V2=0.013m3，试求该多变过程的多变指数n，压缩后 的温度t2，过程中空气和外界交换的功量和热量， 压缩过程中气体热力学能、焓和熵的变化。
《工程热力学》第四章 思考题
n0
wt>0
n 1 wt>0
nk
n
n 1
q>0
n
v
nk s5
确定过程中工质状态参数的变化规律分析过程中的能量转换关系
思考题4－1：
（1）任务：确定过程中工质状态参数的变化规律， 分析过程中的能量转换关系。
（2）使用方法：
a) 热力学第一定律表达式
稳定流动
q du w dh wt
q
h
1 2
c2
gz
ws
h
wt
1
b）可逆过程
q du pdv q dh vdp对于定容Fra bibliotek － 1v 过程：
q u w q u21v u1v u2 cv (T1v T2 ) cv (T1 T2 )
上述推导有何问题？
思考题4－13：
u↑,h ↑(T ↑) w ↑(v ↑) wt ↑(p ↓) q ↑(s ↑)
p
h>0 u>0
q>0
w>0
T
h>0
w>0
n0
u>0
p f (v),T f (v),T f ( p)
2）根据已知参数和过程方程式，确定未知参数；
3）在p-v图和T-s图上表示过程中状态参数的变化 规律；
4）求热力过程中热力学能、焓和熵的变化
5）确定过程的功量（膨胀功和技术功）和热量。
3
思考题4－12：
q u w 0 w u12 u1 u2 cv (T1 T2 )
c) 理想气体状态方程式 u f (T) h f (T)
pv RgT cp cv Rg k cp / cv
2
u 1 cvdT
工程热力学第四章 习题解答
第四章 习题解答4-1 多变指数：()()2112ln ln 0.1250.9ln ln 0.1p p n v v ===()210.9 1.4110.91v n n q c T T u u n n κκ---=-=∆=∆---∴11408 kJ/kg 55u q ∆==⨯=40832 kJ/kg w q u =-∆=-=()21 1.4811.2 kJ/kg p h c T T u κ∆=-=⋅∆=⨯= 4011.228.8 kJ/kg s w q h =-∆=-=2211ln ln 1.01ln100.732ln 0.1250.822 kJ/kg Kp v v ps c c v p ∆=+=⨯+⨯=⋅ 4-2 ⑴1 1.4112 1.410.287423110.21 1.41 111.9 kJ/kg RT p w p κκκ--⎡⎤⎛⎫⎛⎫⨯⎢⎥=-=- ⎪ ⎪⎢⎥--⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎣⎦= 0s ∆=⑵ ()()120.72342330088.25v w u c T T =-∆=-=⨯-=kJ/kg22113000.1lnln 1.0045ln 0.287ln 4230.5 0.117 kJ kg p T p s c R T p ∆=-=⋅-⋅=⑶1120.5ln 0.287ln195.4 kJ kg 0.2p w RT p ==⋅= 120.5ln 0.287ln 0.462 kJ kg K 0.2p s R p ∆==⨯=⋅⑷1112210.287423110.267.1121n n RT p w n p -⎡⎤⎡⎤⎛⎫⨯⎢⎥=-=-= ⎪⎢⎥⎢⎥--⎝⎭⎣⎦⎢⎥⎣⎦kJ/kg2221ln ln 1.005ln 0.723ln 0.20.35 kJ kg Kp v v ps c c v p ∆=+==-⋅4-3 ⑴ 21ln8.314373ln107140.6 kJ kmol v w RT v ==⨯= 21ln8.314ln1019.14 kJ K v s R v ∆==⨯=⋅ ⑵ 0w =21ln8.314ln1019.14 kJ K v s R v ∆==⨯=⋅ 4-4 210.12ln 50.2598ln 2.091 kJ K 0.6v S mR v ∆==⨯=-()303 2.091633.6 kJ Q W T S ==∆=⨯-=-0, 0H U ∆=∆=4-5 2211201.3286568.3 K 101.3p T T p ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭()()210.287568.3286202.6 kJ kg 1.41v u c T T ∆=-=-=-()()21 1.40.287568.3286283.6 kJ kg 1.41p h c T T ⨯∆=-=-=-210.287586.3ln ln 0.493 kJ kg K 1.41286v T s c T ∆===⋅-4-6 ⑴ 21303 K T T ==120.3ln 60.287303ln 573.2 kJ 0.1p Q W mRT p ===⨯⨯⨯=⑵ 1 1.411.422110.1303221.4 K 0.3p T T p κκ--⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ， 0Q = ()()120.2876303221.4351.3 kJ 1 1.41R W m T T κ=-=⨯-=--⑶ 1 1.211.222110.1303252.3 K 0.3n np T T p --⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭()()120.2876303252.3436.5 kJ 1 1.21R W m T T n =-=⨯-=--()()21 1.2 1.40.2876252.33031 1.21 1.41 218.3 kJv n Q m c T T n κ--=-=⨯⨯⨯----=4-7 ()()()()1221ln ln 0.60.12 1.30ln ln 0.8150.236p p n v v ===1116000.236493.4 K 0.287p v T R ⨯===2221200.815340.8 K 0.287p v T R ⨯===()()120.287493.4340.8146 kJ 1 1.31R w T T n =-=-=--()()21 1.3 1.40.287340.8493.411 1.31 1.4136.5 kJ/kgn R q T T n κκ--=⋅-=⋅⋅-----= ()()210.723340.8493.8109.5 kJ kg v u c T T ∆=-=⨯-=- ()()21 1.01340.8493.4154.1 kJ kg p h c T T ∆=-=⨯-=-22120.8150.12ln ln 1.01ln 0.723ln0.2360.6 0.089 kJ kg Kp v v p s c c v p ∆=+=⋅+⋅=⋅4-8 40200160 kJ kg u q w ∆=-=-=-211600.533 kJ kg K 373673v u c T T ∆-===⋅--()()()()()2121122112ln ln ln 16 1.491673ln ln ln 6373p p p p n v v p T p T ====⎛⎫⋅ ⎪⎝⎭()()121 1.4912000.327 kJ/kg K 673373n w R T T --⨯===⋅-- 0.5330.3270.86 kJ kg K p v c c R =+=+=⋅4-9 10.412122933454.7 K v T T v κ-⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭()()1120.287293454.7116 kJ 1 1.41R w T T κ=-=-=---2221ln 0.287454.7ln 3143.4 kJ vw RT v ==⨯⨯=12116143.427.4 kJ w w w =+=-+=4-10 ⑴ 333100 1.73583 K 0.2968p v T R ⨯=== 11.413232 1.735831265 K 0.25v T T v κ--⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭22120.296812651.5 MPa 0.25RT p p v ⨯====11227730.250.153 MPa 1265T v v T ==⨯=⑵ 定压过程：()()210.29681265773365 kJ kg 1 1.41R u T T κ∆=-=-=--()()210.29681265773146 kJ kg w R T T =-=⨯-=定熵过程：()()320.29685831265506 kJ kg 1 1.41R u T T κ∆=-=-=---506 kJ kg w u =-∆=4-11 ⑴ 31110.2875730.274 m 600RT v p ⨯===321330.2740.822 m kg v v ==⨯=11.4112121573369 K 3v T T v κ--⎛⎫⎛⎫=== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭2220.2873690.129 MPa 0.822RT p v ⨯===310.274 v v ==3m kg223330.1290.387 MPa p v p v ==⨯= 32369T T ==K⑵ ()()1120.287573369146.41 1.41R w T T κ=-=-=--kJ kg32221ln 0.287369ln 116.43v w RT v ==⨯⨯=-kJ kg()1.293146.4116.438.8 kJ W mw ==⨯-=4-12 1112101.3ln101.3150ln 59250 kJ 5000p Q pV p ==⨯⨯=- 4-13 101.3256000.21550.2872733600pV mRT ⨯===⨯⨯ kg/s 1,120.1ln 0.21550.287293ln 37.8 kW 0.8s T p W mRTp ==⨯⨯=- 112,1 1.411.4111.40.2872930.8 0.2155151.3 kW 1.410.1s SRT p W m p κκκκ--⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎡⎤⨯⨯⎛⎫⎢⎥=⨯-=-⎪⎢⎥-⎝⎭⎣⎦4-14 1600 kg/h kg/s 6m== ⑴定温压缩11210.1ln 0.287293ln 25.1 kW 60.6s T p W mRTp ⋅==⨯⨯=- ⑵定熵压缩112,1 1.411.4111 1.40.2872930.6 132.8 kW 6 1.410.1s SRT p W m p κκκκ--⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎡⎤⨯⨯⎛⎫⎢⎥=⨯-=-⎪⎢⎥-⎝⎭⎣⎦⑶多变压缩 112,1 1.2211.22111 1.220.2872930.6 129.6 kW 6 1.2210.1n n s nnRT p W m n p --⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎢⎥⎣⎦⎡⎤⨯⨯⎛⎫⎢⎥=⨯-=- ⎪⎢⎥-⎝⎭⎣⎦4-15 压缩比2160.160p p ==，应采用二级压缩20.775 MPa p == ∵13322n nT p T p -⎛⎫= ⎪⎝⎭，2120T T '==℃ （冷却至初温）∴1 1.2511.2533226293441.90.775n np T T p --'⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭K3168.8t =℃ 4-16 ()()()()()2121122112ln ln ln 0.50.1 1.130.5289ln ln ln 0.1348p p p p n v v p T p T ====⎛⎫⋅ ⎪⎝⎭111100400482.3 kg/min 8.04 kg/s 0.287289p V mRT ⨯====⨯ ()()12 1.130.2878.042893481 1.1311183 kWs nR W mnwm T T n ⨯==-=⨯---=- ()()21 1.13 1.48.040.7233482891 1.131 712.3 kW 42738 kJ/minv n Q m c T T n κ--=-=⨯⨯⨯---=-= 4-17 12111v p c p λ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⑴ n =1.4，11.40.510.0610.870.1v λ⎡⎤⎛⎫=--=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦⑵ n =1.25，11.250.510.0610.840.1v λ⎡⎤⎛⎫=--=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦ ⑶ n =1.0，11.00.510.0610.760.1v λ⎡⎤⎛⎫=--=⎢⎥ ⎪⎝⎭⎢⎥⎣⎦4-18 ()21w pw a n m c t m c T T ∆=--111100250297.3 kg/h 0.08258 kg/s 0.287293a p V m RT ⨯====⨯ ()()()2112 4.186846514297.3293423 0.705 kJ/kg Kw pw w pw n a a m c t m c t c m T T m T T ∆∆⨯⨯=-==--⨯-=-⋅111n v n n Rc c n n κκκ--==--- 1.40.2870.7051.411 1.200.2870.7051 1.41nn Rc n R c κκκ⨯+---===-+--1.211.2122114230.10.905 MPa 293n n T p p T --⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪⎪⎝⎭⎝⎭()()1211.20.2870.0825829342318.48 kW1.21s a s a anRW m w m nw m T T n ===--⨯=⨯-=-。
工程热力学复习参考题-第四章
第四章 理想气体热力过程一、选择题1．在定容过程中，理想气体的内能变化Δu ＝D A ．⎰21dT c p B ．⎰21pdvC ．⎰21vdpD ．⎰21dT c v2.在定熵过程中，理想气体的内能变化Δu ＝BDA ．⎰21dT c p B ．－⎰21pdv C ．－⎰21vdp D ．⎰21dT c v3. 在定压过程中，理想气体的内能变化Δu ＝D A ．⎰21dT c p B ．⎰21pdvC ．⎰21vdpD ．⎰21dT c v4.在定熵过程中，理想气体的焓的变化Δh ＝AC A ．⎰21dT c p B ．⎰21pdvC ．⎰21vdpD ．⎰21dT c v5．理想气体定容过程中，焓的变化Δh ＝B A ．c v ΔT B ．c p ΔT C ．u+pv D ．w t6．理想气体定温过程的热量q 等于BCD A ．c n ΔT B ．w t C ．T Δs D ．w 7．理想气体等温过程中，q ，w ，w t 间的关系为DA ．q> w t >wB ．q=w< w tC ．q>w= w tD ．q=w= w t8．理想气体绝热过程初终态温度，压力的关系为A A ．12T T =κκ112-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛p pB ． 21T T = κκ112-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛p pC ．12p p = κκ112-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛T T D ．21p p = κκ112-⎪⎪⎭⎫⎝⎛T T9．理想气体多变过程内能变化Δu 等于B A ．c n ΔT B ．c v ΔT C ．c p ΔT D ．R ΔT 10．理想气体多变过程焓的变化Δh 等于C A ．c n ΔT B ．c v ΔT C ．c p ΔTD ．R ΔT二、填空题1．Rg=0.297kJ/(kgK)的1kg 双原子理想气体在定压下吸热3349kJ ，其内能变化Δu ＝ 。
2．Rg=0.26kJ/(kgK)、温度为T ＝500K 的1kg 理想气体在定容下吸热3349kJ ，其熵变Δs ＝ 。
工程热力学第4章习题答案
4-12 一个气缸活塞系统如图 4-19 所示，活塞的截面积为 40cm2，活塞离气缸底部 10cm， 重物 20kg，初始状态温度 300K，大气压力 101325Pa。求
(1)如果使缸内空气温度升高 5℃的同时使重物升高 2cm 需要加入多少热量； (2)然后当可逆绝热情况下使活塞回到原位置，需要再加上多少重物。
4-6 空气的初参数为 p1=0.5MPa 和 t1=50℃，此空气流经阀门发生绝热节流作用，并使空 气容积增大到原来的 2 倍。求节流过程中空气的熵增，并求其最后的压力。
解：对于理想气体 ∆h = cp∆T ，可得 h2 − h1 = cp (T2 − T1 ) ，绝热节流前后焓值相等，因此
T1 = T2 ，因此对于理想气体绝热节流前后温度也相等
4-3 某理想气体动力循环由这样 4 个过程构成，先从状态 a 定温膨胀到状态 b，后绝热 膨胀到状态 c，再定压放热到状态 d，最后绝热压缩回到状态 a，在 p-v 图、T-s 图上表示该 循环。已知吸热量 q1 和各点的焓，列出放热量、功和循环热效率的计算式。
解：由 T-s 图，c-d 过程是定压放热过程，放热量 q2 = ∆h + wt = ∆h = hd − hc < 0
= 0.789kJ/ (kg ⋅ K)
由理想气体状态方程可得
p1V1 T1
=
p2V2 T2
，而V2
= 2V1 ，可得
p2 p1
= 0.379
κ −1
绝热过程 T2 T1
=
⎛ ⎜ ⎝
p2 p1
⎞ ⎟ ⎠
κ
，可得绝热指数κ = 1.4
因此 cp = κ cV = 1.4× 0.789 = 1.105kJ/ (kg ⋅ K )
工程热力学04章习题提示与答案
习题提示与答案 第四章 理想气体的热力过程4-1 设气缸中有0.1 kg 二氧化碳，其压力为0.1 MPa 、温度为27 ℃。
如进行一个定压过程，气体对外作功3 kJ 。
设比热容为定值，试求过程中气体热力学能和熵的变化以及气体吸收的热量。
提示：理想气体；Q =ΔU +W ；ΔU =mc V 0ΔT ；12120ln lnp pR T T c s p g Δ−=。
答案：ΔU ＝10.5 kJ ，ΔS ＝0.036 11 kJ/K ，Q ＝13.5 kJ 。
4-2 有一气缸，其中氮气的压力为0.15 MPa 、温度为300 K 。
如果按两种不同的过程变化：(1)在定压下温度变化到450 K ；(2)在定温下压力下降到0.1 MPa 。
然后在定容下变化到0.15 MPa 及450 K 。
设比热容为定值，试求两种过程中热力学能和熵的变化以及从外界吸收的热量。
提示：略。
答案：(1)＝111.15 kJ/kg ，＝0.421 kJ/(kg ·K)，q u Δs Δ1-2＝155.7 kJ/kg 。
(2)＝111.15 kJ/kg ，＝0.421kJ/(kg ·K)，q u Δs Δ1-3-2＝147.25 kJ/kg 。
4-3 设气缸中空气的压力为0.5 MPa 、温度为600 K ，若经绝热过程膨胀到0.1 MPa ，试求膨胀终了的温度及比体积：(1)按定值比热容计算；(2)按空气的热力性质表进行计算。
提示：(2) 1200ln 12p p R S S g T T +=；依,由热力性质表确定T 02T S 2 及v r2。
答案：(1) T 2＝378.8 K ，v 2＝1.089 m 3/kg ；(2) T 2＝382.6 K ，v 2＝1.10 m 3/kg 。
4-4 柴油机吸气终了时气缸中空气的温度为60 ℃、压力为0.1 MPa 。
为使压缩终了时空气温度超过柴油的自燃温度以使其着火，故要求压缩终了的温度至少为720 ℃。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冷源吸热，则S sio ( 2.055 2.640 0)kJ/K 0所以此循环能实现。
效率为c1 T2 1 303K 68.9%cT 1 973K而欲设计循环的热效率为800kJ1 60% c 2000 kJ c 即欲设计循环的热效率比同温度限间卡诺循环的低，所以循环可行。
（２）若将此热机当制冷机用，使其逆行，显然不可能进行，因为根据上面的分析，此 热机循环是不可逆循环。
当然也可再用上述３种方法中的任一种，重新判断。
欲使制冷循环能从冷源吸热 800kJ ，假设至少耗功 W min ，4． 4 典型例题精解 ４.４ .１ 判断过程的方向性，求极值 例题 ４－１ 欲设计一热机， 使之能从温度为 973K 的高温热源吸热 2000kJ ，并向温 度为 303K 的冷源放热 800kJ 。
（１）问此循环能否实现？（２）若把此热机当制冷机用，从 冷源吸热 800K ，能否可能向热源放热 2000kJ ？欲使之从冷源吸热 800kJ,至少需耗多少功？ 解 （１）方法１：利用克劳修斯积分式来判断循环是否可行。
如图４－ 5a 所示。
Q |Q 1| |Q 2| 2000kJ -800kJ = -0.585kJ/K <0T r T 1 T 2 973K 303K 所以此循环能实现，且为不可逆循环。
方法２：利用孤立系统熵增原理来判断循环是否可行。
如图４－ 源、冷源及热机组成，因此 5a 所示，孤立系由热 S iso S H S L S E S E 0 a ） 式中： 和分别为热源及冷源的熵变； 原来状态，所以 为循环的熵变，即工质的熵变。
因为工质经循环恢复到而热源放热，所以 S Eb ）S H|Q 1 | T 12000kJ2. 055 k J/ K973Kc ）SL|Q 2 |T2800kJ2. 640kJ/K303Kd ）将式（ b ）、（ c ）、（d ） 代入式（ a ），得方法３：利用卡诺定理来判断循环是否可行。
若在T 1和T 2 之间是一卡诺循环，则循环W t|Q 1 ||Q 1 | |Q 2| |Q 1|根据孤立系统熵增原理，此时，S iso 0 参见图４－5bS iso S H S L S R|Q1| |Q2 |0iso H L RT1 T2|Q| W mi n |Q |2 800kJ+ W m i n800kJT1 T2 973K 303K于是解得W min 1769kJ讨论（１）对于循环方向性的判断可用例题中３种方法的任一种。
但需注意的是：克劳修斯积分式适用于循环，即针对工质，所以热量、功的方向都一工质作为对象考虑；而熵增原理适用于孤立系统，所以计算熵的变化时，热量的方向以构成孤立系统的有关物体为对象，它们吸热为正，放热为负。
千万不要把方向搞错，以免得出相反的结论。
（２）在例题所列的３种方法中，建议重点掌握孤立系熵增原理方法，因为该方法无论对循环还是对过程都适用。
而克劳修斯积分式和卡诺定理仅适用于循环方向性的判断。
例题４－２已知Ａ、Ｂ、Ｃ３个热源的温度分别为500K 、400K 和300K ，有可逆机在这３个热源间工作。
若可逆机从Ａ热源净吸入3000kJ 热量，输出净功400kJ，试求可逆机与Ｂ、Ｃ两热源的换热量，并指明其方向。
分析：由于在Ａ、Ｂ、Ｃ间工作一可逆机，则根据孤立系熵增原理有等式S iso 0 成立；又根据热力学第一定律可列出能量平衡式。
可见２个未知数有２个方程，故该题有定解。
关于可逆机于B、C 两热源的换热方向，可先假设为如图４－６所示的方向，若求出的求知量的值为正，说明实际换热方向与假设一致，若为负，则实际换热方向与假设相反。
解根据以上分析，有一下等式成立.Q A Q B Q c WSiso Q A Q B Q cS iso TA TB T c即3000kJ Q B Q c 400kJ3000kJ Q B Q c 0500K 400K 300K 0解得Q B 3200kJQ C 600kJ即可逆机向Ｂ热源放热3200kJ，从Ｃ热源吸热600kJ。
例题４－３图４－７所示为用于生产冷空气的设计方案，问生产1kg 冷空气至少要给装置多少热量Q H,min 。
空气可视为理想气体，其比定压热容c P 1kJ/(kg K) 。
解方法１见图４－７，由热力学第一定律的开口系的能量平衡式为Q H mc P T3 Q L mc P T4Q L Q H mc P(T3 T4 )由热力学第二定律，当开口系统内进行的过程为可逆过程时，可得S iso S H S L S air 0QH,min QH,minmcP(T3T4)T4mc P ln 4 0T1 T2T3Q H,min Q H,min 1kg 1kJ/(kg K) (313- 278) K1500K 300 K278K1kg 1kJ/(kg K)ln 0313K1kg 冷空气至少要加给装置的热量为Q H,min 0.718kJ方法２参见图４－８，可将装置分解为一可逆热机和一可逆制冷机的组合。
对于可逆制冷机Q1 W Q2Q1 Q2T H T3由此得系统对外作功为W (TH 1) Q2(TH 1)mc p dT3 T3T3空气自T3 313K 变化到T4 278K 时W T4(TH 1)mc p d T3c p T H ln T4142.87 kJ可求得Q'H TH |W | 1500K142.87 kJ 178.59kJH T H T2 1500K-300KQ1 |W | Q2 |W | mc P (T3 T4)142.87kJ 1kg 1kJ/(kg K) (313- 278)K 177.87kJ 解得生产于是，生产1kg 冷空气至少要加给装置的热量为Q H,min Q'H Q1 (178.59 177.87)kJ = 0.72kJ例题４－4 ５kg 的水起初与温度为295K 的大气处于热平衡状态。
用一制冷机在这5kg 水与大气之间工作，使水定压冷却到280K ，求所需的最少功是多少？解方法１根据题意画出示意图如图４－９所示，由大气、水、制冷机、功源组成了孤立系，则熵变SisoSHSLSRSW其中S R 0, S W 0280K Q2280K mcdT2280KS L mclnL 295K T2295K T2295K280K5kg 4180 J/(kg K)ln 1090.7 J/KQ1 |Q2| |W |SSH T0 T05kg 4180 J/(kg K)(295 280)K |W |295K313500 J + |W |295K于是313500 J |W |S iso 10970.7 J/K+ +iso 295K 295K因可逆时所需的功最小，所以令S iso 0 ，可解得|W min |= 8256J = 8.256kJ 方法２制冷机为一可逆机时需功最小，由卡诺定理得Q2 T2W T0 T2即W Q2(T0 T2)T0 T2mcdT2280 K T 0 mc ln - mc(280 - 295)K295K5kg 4180J/(kg K)(280 295) K 8251.2 J = -8.251kJ例题４－５ 图４－ 10 为一烟气余热回收方案，设烟气比热容c p 1.4kJ/(kg K) ，c V 1kJ/(kg K) 。
试求：(１)烟气流经换热器时传给热机工质的热量； (２)热机放给大气的最小热量 Q 2 ； (３)热机输出的最大功 w 。
解 (１)烟气放热为Q 1 mc p (t 2 t 1)6kg 1.4kJ/(kg K) (527 37) ?K 4116 103 4116kJ(２)方法１：若使 Q 2 最小，则热机必须是可逆循环，由孤立系熵增原理得6kg 1.4kJ/(kg K)ln 37.964 103J/KS E 0S iso7.964 103J/K 30Q 02K 0Q 2 2389.2kJT2T 1mc ppcm2T 2lnT 2S LQ2Q2(27 273) K 300K280K 295K dT 2T 0mc 0 T 2 280K 295Kmc dT 2295K 5kg 4180 J/(kg K)ln280 K 295K(37 273)K (527 273) K解得方法２：热机为可逆机时Q2最小，由卡诺定理得Q2TT1T22Q2 T T0mc p T0mc p ln 2T1T T1= 300 K 6 kg 1. 4 kJ/（k（g37K ） l2n7K3 ）2389. 2 kJ（ 5 2 7 2 7K3 ）（３）输出的最大功为W Q1 Q2 （4116 2389.2）kJ =1726.8kJ讨论例题４－４、４－５都涉及到变温热源的问题，应利用式（４－30b）积分求得。
对于热力学第二定律应用于循环的问题，可利用熵增原理，也可利用克劳修斯不等式，还可利用卡诺定理求解，读者不妨自己试一试。
建议初学者重点掌握孤立系熵增原理的方法。
例题４－６两个质量相等、比热容相同且为定值的物体，Ａ物体初温为T A，Ｂ物体初温为T B 用它们作可逆热机的有限热源和有限冷源，热机工作到两物体温度相等时为止。
（１）证明平衡时的温度T m T A T B；（２）求热机作出的最大功量；（３）如果两物体直接接触进行热交换至温度相等时，求平衡温度及两物体总熵的变化量。
解（１）取Ａ、Ｂ物体及热机、功源为孤立系，则S iso S A S B S W S E 0S E 0, S W 0S iso S A S B mc T TmdT mc T TmdT 0TATTBTmcln T TA m mcln T T m B 0t1Q2 T0Q1mc p d TT0mc T p dTdT0,T A T B1Q 1 mc(T A T m ), Q 2 mc(T m T B )热机为可逆热机时，其作功量最大，得W max Q 1 Q 2 mc(T A T m ) mc(T m T B ) mc(T A T B 2T m )３)平衡温度由能量平衡方程式求得，即mc(T A T m ) mc(T m T B )TAT BT mA2 B两物体组成系统的熵变化量为T m'dTT m'dTT AcmTT BcmT' ' 2mc(ln T TA m ln T T m B ) mcln (T 4A T T TA )B B例题 4－７ 空气在初参数 p 1 0.6MPa ,t 1 21 C 的状态下，稳定地流入无运动不见 的绝热容器。
假定其中的一半变为 p 2'0.1MPa,t 2' 82 C 的热空气，另一半变为 p 2'' 0.1MPa,t 2''40 C 的冷空气，它们在这两状态下同时离开容器，如图４－11 所示。