(完整word版)工程熱力學(xué)課后思考題答案第四版沈維道童鈞耕主編高等教育出版社

1、工程熱力學(xué)課后思考題答褰第四版沈維道童鈴耕主編高等教育出炭補33頁思考題1閉口系與外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量 保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎？不一定，穩(wěn)定流動系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量也保持恒定。2.有人認(rèn)為開口系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱系。對不對，為什么？不對，絕熱系的絕熱是指熱能單獨通過系統(tǒng)邊界進行傳遞（傳熱量）,隨物質(zhì)進出的熱能（準(zhǔn)確地說是熱力學(xué)能）不在其中。3平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系？平衡狀態(tài)一定是穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)則不一定是平衡狀態(tài)。4.倘使容器中氣體的壓力沒有改變，試問安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)會改變嗎？絕對壓力

2、計算公式p=pb+pg(p pb), p= pb-pv(p0PiPiPi所以，qi-2-3qi-4-3，證畢。9.如圖4-i8所示，今有兩個任意過程a -b及a-c,b點及C點在同一 條絕熱線上，(i)試問Uab與Uac哪個大？(2)若b點及C點在同一條 定溫線上，結(jié)果又如何？P 4圖4-i8證明:P圖 4-i7avOv依題意，TbTc,所以Uab Uac。若b點及C點在同一條定溫線上，則Uab= Uaco10理想氣體定溫過程的膨脹功等于技術(shù)功能否推廣到任意氣體？從熱力學(xué)第一定律的第一表達式和第二表達式來看， 膨脹功和技 術(shù)功分別等于w=q-u和wt=q-h，非理想氣體的u和h不一定等于 零，

3、也不可能相等，所以理想氣體定溫過程的膨脹功等于技術(shù)功不能 推廣到任意氣體。11下列三式的使用條件是什么？k 1k 1kkIk-1丁k-1小k丁 小kP2V2=p1V1,I1V1=T2V2,I1P1=T2p2使用條件是：理想氣體，可逆絕熱過程。4-13在pv和Ts圖上如何判斷過程q、w、u、h的正負(fù)。通過過程的起點劃等容線（定容線），過程指向定容線右側(cè)，系統(tǒng) 對外作功，w0;過程指向定容線左側(cè)，系統(tǒng)接收外功，w0;過程指向定壓線上側(cè)，系統(tǒng)接收外來技術(shù)功，wt0。通過過程的起點劃等溫線（定溫線），過程指向定溫線下側(cè),h0、h0。吸收熱量，q0;過程指向定熵線左側(cè)，系統(tǒng)釋放熱量，q0。4-14試以可

4、逆絕熱過程為例，說明水蒸氣的熱力過程與理想氣體的熱 力過程的分析計算有什么異同？相同點：都是首先確定起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，然后在計算過程的 作功量等數(shù)據(jù)。計算過程中，始終要符合熱力學(xué)第一定律。不同點：理想氣體的計算是依靠理想氣體狀態(tài)方程以及功和熱量 的積分計算式進行計算，而水蒸氣是依靠查圖查表進行計算。4-15實際過程都是不可逆的，那么本章討論的理想可逆過程有什么意 義？理想可逆過程是對實際過程的近似和抽象，實際過程過于復(fù)雜不 易于分析，通過理想可逆過程的分析以及根據(jù)實際過程進行適當(dāng)修正, 可以了解實際過程能量轉(zhuǎn)換變化情況，以及如何向理想可逆過程靠近 以提高相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。u0的過程必為不可逆過

5、程。答：（1）錯。不可逆絕熱過程熵也會增大。（2）錯，不準(zhǔn)確。不可逆放熱過程，當(dāng)放熱引起的熵減大于不可逆引起的熵增時（亦即當(dāng)放熱量大于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時），它也可以表現(xiàn)為熵略微減少，但沒有可逆放熱過程熵減少那么多。（3）錯。不可逆放熱過程，當(dāng)放熱引起的熵減等于不可逆引起的熵增時（亦即當(dāng)放熱量等于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時），它也可以表現(xiàn)為熵沒有發(fā)生變化。（4）錯。可逆吸熱過程熵增大。（5）錯。理由如上?？梢哉f：“使孤立系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程。”（6）對。5-9下述說法是否有錯誤：（1）不可逆過程的熵變S無法計算；（2） 如果從同一初始態(tài)到同一終態(tài)有兩條途徑，一為可逆，另一為不可逆，

6、則S不可逆 S可逆，Sf， 不可逆 Sf， 可逆，Sg， 不可逆 Sg， 可逆； （3）不可逆絕 熱膨脹終態(tài)熵大于初態(tài)熵S2Si，不可逆絕熱壓縮終態(tài)熵小于初態(tài)熵qS2Si;（4）工質(zhì)經(jīng)過不可逆循環(huán)ds 0,0。答：（1）錯。熵是狀態(tài)參數(shù)，只要能夠確定起迄點，就可以確定熵變So（2） 錯。應(yīng)為S不可逆=S可逆、Sf，不可逆Sf，可逆、Sg，不可逆Sg，可逆。因 為熵是狀態(tài)參數(shù)，同一初始狀態(tài)和同一終了狀態(tài)之間的熵差保持同一數(shù)值，與路徑無關(guān)。（3） 錯。不可逆絕熱壓縮過程的終態(tài)熵也大于初態(tài)熵，S2Si。錯。-ds 0,因為熵是狀態(tài)參數(shù)。5-10從點a開始有兩個可逆過程：定容過程a- b和定壓過程a-

7、 c,b、c兩點在同一條絕熱線上（見圖5-34），問qa-b和qa-c哪個大？并在T-s圖上表示 過程a-b和a-c及qa- b和qa-c。答：可逆定容過程a-b和可逆定壓過程a-c的逆過程c-a以及可逆絕熱線即定熵線上過程b-c構(gòu)成一可逆循環(huán)，它們圍成的面積代表了對外作功量，過程a-b吸熱，過程c-a放熱，根據(jù)熱力 學(xué)第一定律，必然有qa-b qc-a，才能對外輸出凈功。也就是，qa-bqa-co圖中，qa-b為abSbSaa圍成的面積，qa-c為acSbSaa圍成的面積。5-11某種理想氣體由同一初態(tài)經(jīng)可逆絕熱 壓縮和不可逆絕熱壓縮兩種過程，將氣體壓縮到相同的終壓， 在p-v圖上和T-s圖

8、上畫出兩過程，并在T-s圖上示出兩過程的技術(shù)功及不可逆過程的火用損失。答：見圖。5-12孤立系統(tǒng)中進行了(1)可逆過程；(2)不可逆過程，問孤立系統(tǒng)的總能、總熵、總火用各如何變化？答：(1)孤立系統(tǒng)中進行了可逆過程后，總能、總熵、總火用都不變。(2)孤立系統(tǒng)中進行了不可逆過程后，總能不變，總熵、總火用都發(fā)生變化。5-13例5-12中氮氣由0.45MPa、310K可逆定溫膨脹變化到0.11MPa、10題圖11題圖310K,wi-2,max=w=129.71 kJ/kg，但根據(jù)最大有用功的概念，膨脹功 減去排斥大氣功（無用功）才等于有用功，這里是否有矛盾？答：沒有矛盾。5-14下列命題是否正確？若

9、正確，說明理由；若錯誤，請改正。（1） 成熟的蘋果從樹枝上掉下， 通過與大氣、地面的摩擦、碰撞, 蘋果的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能，勢能全部是火用,全部轉(zhuǎn)變?yōu)?火無0（2）在水壺中燒水，必有熱量散發(fā)到環(huán)境大氣中，這就是 火無 而 使水升溫的那部分稱之為火用（3）一杯熱水含有一定的熱量 火用,冷卻到環(huán)境溫度，這時的熱量 就已沒有火用直。（4）系統(tǒng)的火用只能減少不能增加。（5） 任一使系統(tǒng) 火用增加的過程必然同時發(fā)生一個或多個使火用減少的過程。5-15閉口系統(tǒng)絕熱過程中， 系統(tǒng)由初態(tài)1變化到終態(tài)2,則w=ui-U2o考慮排斥大氣作功，有用功為Wu= U1-U2-P0（V1-V2）,但據(jù)火用的概念

10、 系統(tǒng)由初態(tài)1變化到終態(tài)2可以得到的最大有用功即為熱力學(xué)能 火用差:Wu,max=ex,U1-exU2= U1-U2-T0（S1-S2）-p0（V1-V2）。為什么系統(tǒng)由初態(tài)1可逆變化到終態(tài)2得到的最大有用功反而小于系統(tǒng)由初態(tài)1不可逆變化到終態(tài)2得到的有用功?。績烧邽槭裁床灰恢?？P1705-1t=T1273.15 20=11.726T1T2293.15 268.153005-4 (1) p1=p20.1150041=27.95MPa1Q2=Q1t11 726 12.5 104=22867.99kJ/h11.726N=W/95%=Qi/(0.95t)=2.5 1 04/(0.95 11.726)

11、=2244.23kJ/h=0.623kWN電爐=Qi=2.5 104kJ/h= 6.944kW5-2不米用回?zé)醦2=pi=0.1MPa, T4=TI=300K, T3=T2=1000K, q23=400kJ/kg,qi2=Cp(T2-Ti)=1.004 (1000-300)=702.8kJ/kgq34=Cp(T4-T3)=1.004 (300-1000)=-702.8kJ/kgq23=RT2ln(p2/p3), q41=RT1n(p4/p1)=RT1n(p3/p2)= -RT1In(p2/p3)q41=-T1q23/T2= -300 400/1000=-120kJ/kgt=1- q41+q34

12、/ (q12+q23) =1- -702.8-120 / (702.8+400) = 0.2539米用極限回?zé)幔^程34放熱回?zé)峤o過程12,q34q12r=1- q41/q23)=1- -120 /400=0.705-3如圖所示，如果兩條絕熱線可以相交，則令絕 熱線S1、S2交于a點，過b、c兩點作等壓線分 別與絕熱線3、S2交于b、c點。于是，過程be、ca、ab組成一閉合循環(huán)回路，沿此回路可 進行一可逆循環(huán)，其中過程ca、ab均為可逆絕 熱過程，只有定壓過程bc為吸熱過程，而循環(huán)回路圍成的面積就是對外凈輸出功。顯然， 這構(gòu)成了從單一熱源吸熱并將之全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的熱力發(fā)動機循環(huán)，是違反熱力

13、學(xué)第二定律的。1 .4T2(2)見圖。q3i=cp(Ti-T3)=R(TI-T2), q23=k 1=0.59765-5 (1) QH= Wnet= tQ1=3.5 0.40 100=140kJQH,C= cWnet,c= c cQ1=5.14 0.71 100=365.14kJ(3)此復(fù)合系統(tǒng)雖未消耗機械功，但由高溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌1作為代價，使得部分熱量從低溫?zé)嵩碩0傳到較高溫?zé)嵩碩H，因此并不違背300=0.852000(1) W=cQ1=0.85 1=0.85kJ，可能作出的最大功為0.85kJ,所以這種情形是不可能實現(xiàn)的。(2) W=cQ1=0.85 2=1.70kJ，Q2=Q1-W=

14、2-1.70=0.30kJ，所以這種情形有實現(xiàn)的可能(如果自然界存在可逆過程的話)，而且是RT2ln匕300 In-0丄527.95kRT1T2丄1500 300k11.4 1，叫:1RT2ln (p2/p3)= RT2ln (p2/p1)29010000.71,c=THT0360360290=5.141熱力學(xué)第二定律?？赡嫜h(huán)。(3) Qi, c=Wnet/c=1.5/o.85= 1.765kJ , Qi=Wnet+Q2=1.5+0.5=2.0kJQ1, c,此循環(huán)可以實現(xiàn)，且耗熱比可逆循環(huán)要多，所以是不可逆 循環(huán)。235更恩考題1.實際氣體性質(zhì)與理想氣體性質(zhì)差異產(chǎn)生的原因是什么？在什么條

15、件下才可以把實際氣體作理想氣體處理？答：差異產(chǎn)生的原因就是理想氣體忽略了分子體積與分子間作用 力。當(dāng)pi0時，實際氣體成為理想氣體。實際情況是當(dāng)實際氣體距離 其液態(tài)較遠時，分子體積與分子間作用力的影響很小，可以把實際氣 體當(dāng)作理想氣體處理。2.壓縮因子Z的物理意義怎么理解？能否將Z當(dāng)作常數(shù)處理？答：由于分子體積和分子間作用力的影響，實際氣體的體積與同樣狀態(tài)下的理想氣體相比，發(fā)生了變化。變化的比例就是壓縮因子。Z不能當(dāng)作常數(shù)處理。3.范德瓦爾方程的精度不高，但是在實際氣體狀態(tài)方程的研究中范德瓦爾方程的地位卻很高，為什么？答：范德瓦爾方程是第一個實際氣體狀態(tài)方程，在各種實際氣體狀態(tài)方程中它的形式最

16、簡單；它較好地定性地描述了實際氣體的基本特 征；其它半理論半經(jīng)驗的狀態(tài)方程都是沿范德瓦爾方程前進的。4.范德瓦爾方程中的物性常數(shù)a和b可以由實驗數(shù)據(jù)擬合得到，也可以由物質(zhì)的Tcr、pcr、Vcr計算得到，需要較高的精度時應(yīng)采用哪種方法，為什么？答：實驗數(shù)據(jù)來自于實際， 而范德瓦爾臨界壓縮因子與實際的壓縮 因子誤差較大，所以由試驗數(shù)據(jù)擬合得到的接近于實際。5.如何看待維里方程？一定條件下維里系數(shù)可以通過理論計算，為什么維里方程沒有得到廣泛應(yīng)用？ 答：維里方程具有堅實的理論基礎(chǔ)， 各個維里系數(shù)具有明確的物理 意義，并且原則上都可以通過理論計算。但是第四維里系數(shù)以上的高 級維里系數(shù)很難計算， 三項以

17、內(nèi)的維里方程已在BWR方程、MH方程 中得到了應(yīng)用， 故在計算工質(zhì)熱物理性質(zhì)時沒有必要再使用維里方程， 而是在研究實際氣體狀態(tài)方程時有所應(yīng)用。6.什么叫對應(yīng)態(tài)定律？為什么要引入對應(yīng)態(tài)定律？什么是對比參數(shù)？答：在相同的對比態(tài)壓力和對比態(tài)溫度下， 不同氣體的對比態(tài)比體 積必定相同。 引入對應(yīng)態(tài)原理， 可以使我們在缺乏詳細資料的情況下， 能借助某一資料充分的參考流體的熱力性質(zhì)來估算其它流體的性質(zhì)。 某氣體狀態(tài)參數(shù)與其臨界參數(shù)的比值稱為熱力對比參數(shù)。(對比參數(shù)是一 種無量綱參數(shù))7.物質(zhì)除了臨界狀態(tài)、p-v圖上通過臨界點的等溫線在臨界點的一階導(dǎo)數(shù)等于零、兩階導(dǎo)數(shù)等于零等性質(zhì)以外，還有哪些共性？如 何在

18、確定實際氣體的狀態(tài)方程時應(yīng)用這些共性？答：8.自由能和自由焓的物理意義是什么？兩者的變化量在什么條件下會相等？答：H=G + TS,U=F + TS。dg =dh-d(Ts) =dh-Tds-sdT,簡單可壓縮系統(tǒng)在可逆等溫等壓條件下，處于平衡狀態(tài)：dg =-Tds,ds=O dg=0。若此時系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生 不可逆變化(外部條件不變) ，則ds0，d g0。例如系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)熱能(都是熱力學(xué)能) ，必要條件是dg0， 否則過程不能發(fā)生。類似地，簡單可壓縮系統(tǒng)在等溫等容條件下，內(nèi)部發(fā)生變化的必 要條件是：df圖 7 - 13 轉(zhuǎn)回曲線(b)TiJA散熱，從而使壓縮過程離開絕熱

19、靠近定溫，壓縮耗功減少。p.s.，打氣筒包裹濕布后耗功減少，人能感覺出來？值得懷疑。2既然余隙容積具有不利影響，是否可能完全消除它？答：對于往復(fù)式壓氣機，余隙容積不可能完全消除；對于旋轉(zhuǎn)式 壓氣機，則有可能完全消除。3.如果由于應(yīng)用氣缸冷卻水套以及其他冷卻方法，氣體在壓氣機氣缸 中已經(jīng)能夠按定溫過程進行壓縮，這時是否還需要采用分級壓縮？為什么？答：還需要分級壓縮。是為了減小余隙容積的影響。但不需要中間冷卻。4.壓氣機按定溫壓縮時，氣體對外放出熱量，而按絕熱壓縮時，不向 外放熱，為什么定溫壓縮反較絕熱壓縮更為經(jīng)濟？答：壓氣機耗功中有意義的部分是技術(shù)功，不考慮宏觀動能和勢能的變化，就是軸上輸入的功（由設(shè)備直接加諸氣體的機械功），而同樣進出口壓力定溫過程消耗的技術(shù)功比絕熱過程少，絕熱過程消耗的技術(shù)功有一部分用于提高氣體溫度。5.壓氣機所需的功可從熱力學(xué)第一定律能量方程式導(dǎo)出，試導(dǎo)出定溫、多變、絕熱壓縮壓氣機所需要的功并用T-s圖上面積表示其值。6.活塞式壓氣機生產(chǎn)高壓氣體為什么要采用多級壓縮及級間冷卻的工 藝？7.葉輪式壓氣機不可逆絕熱壓縮比可逆絕熱壓縮多消耗功可用圖8-11上面積m2s2nm表示，這是否即是此不可逆過程作功能力損失？為 什