G-007
2009 计算 2 · 热源加热 + 搅拌的熵产极值
西交 2009
C · 概念
题干刚性密闭容器中有 1 kg、p₁ = 0.1013 MPa 的空气,由 t_r = 283 ℃ 的热源加热和搅拌联合作用,使空气温度由 t₁ = 7 ℃ 升到 t₂ = 317 ℃。求:(1) 搅拌器输入的最小功 w_s,min,此时热源放出的热量 q_r;(2) 什么情况下系统熵产最小,S_g,min = ?;(3) 什么情况下系统熵产最大,S_g,max = ?
错在哪把"最小功"想成某个负功或想用卡诺循环去凑;没有先写出熵产的定义式 S_g = ΔS − Σ(Q/T_r),导致"最小/最大"只能凭感觉。
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- 状态量先算出来(刚性容器 V 不变,过程可逆与否都不影响状态量): Δu = cv(T₂ − T₁) = 0.718 × 310 = 222.6 kJ/kg Δs = cv·ln(T₂/T₁) = 0.718 × ln(590.15/280.15) = 0.535 kJ/(kg·K)
- 写熵产式:系统吸热 Q、热源温度 T_r,则 S_g = ΔS − Q/T_r ≥ 0,且能量守恒 Q = Δu − w_s。 代入:S_g = 0.535 − (222.6 − w_s)/556.15。
- (1) 最小搅拌功:w_s ≥ 0(搅拌只能输入功)。要让 w_s 最小就取 w_s = 0,此时全部热量由热源提供: w_s,min = 0,q_r = 222.6 kJ(热源放热 222.6 kJ)。 校验:Q ≤ T_r·Δs = 297.6 kJ,但 Q 又不能超过 Δu = 222.6 kJ,所以真正的约束是 Q ≤ 222.6。
- (2) 熵产最小:由 S_g = 0.535 − (222.6 − w_s)/556.15,w_s 越小 S_g 越小 → 当搅拌功为零、全部由热源加热时: S_g,min = 0.535 − 222.6/556.15 = 0.535 − 0.400 = 0.135 kJ/K。
- (3) 熵产最大:w_s 越大 S_g 越大 → 当热源不供热、全部靠搅拌输入功时(w_s = Δu = 222.6 kJ,Q = 0): S_g,max = 0.535 − 0 = 0.535 kJ/K。
一句话提醒熵产题的固定套路是"先写 S_g = ΔS − ΣQ/T_r,再把 Q 用第一定律换成 w 的函数",单调性一看就出来。别去套卡诺循环。
G-009
2010 填空 3 · 已知熵变与吸热量求熵产
西交 2010
C · 概念
题干闭口系统经历某一过程,系统熵变为 5 kJ/K,在过程中系统从 300 K 的热源中吸热 600 kJ,该过程不可逆因素引起的熵增为:____。
错在哪把"熵变"直接当成"熵产",或者用系统温度而不是热源温度去除热量。
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把 5 kJ/K 拆成两笔账:
| 项目 | 数值 | 含义 |
|---|
| ΔS(总账) | 5 kJ/K | 初终态决定,不管怎么走都是 5 |
| Q/T_r(转账) | 600/300 = 2 kJ/K | 随热流从热源"搬"进来的熵流 |
| S_g(自印) | 5 − 2 = 3 kJ/K | 系统内部不可逆因素"造"出来的熵产 |
为什么必须拆:如果这个过程可逆,吸 600 kJ 只能带进来 2 kJ/K,ΔS 就只能是 2;现在 ΔS = 5,多出来的 3 就是不可逆的定量证据。 "不可逆因素"具体指:温差传热、摩擦/搅拌/电阻(功变热)、自由膨胀/节流、混合与化学反应——共同点是存在不平衡势差,且没有把相应的可用功输出。
一句话提醒熵产 = 熵变 − 熵流;熵流的分母是边界(热源)温度。这题若用系统温度当分母,就全错了。
G-010
2010 填空 4 · 理想气体从初态到终态的熵变
西交 2010
F · 公式
题干空气从 p₁ = 100 kPa、T₁ = 300 K 的初始状态,不可逆变化到 p₂ = 300 kPa、T₂ = 500 K 的终了状态,请问该过程的熵的变化为:____。
错在哪被"不可逆"三个字吓住,以为不能用可逆过程的熵变公式;或只算了温度项、漏了压力项。
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熵是状态量,不可逆过程与可逆过程初终态相同时熵变相同。 Δs = cp·ln(T₂/T₁) − Rg·ln(p₂/p₁) = 1.004 × ln(500/300) − 0.287 × ln(300/100) = 1.004 × 0.5108 − 0.287 × 1.0986 = 0.5129 − 0.3153 = 0.198 kJ/(kg·K)(熵增大)
一句话提醒理想气体熵变 = 温度项 − 压力项,两项都要算;"不可逆"只影响熵产,不影响熵变。