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文檔簡介
1、工程熱力學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交換,系統(tǒng)內質量保持恒定,那么系統(tǒng)內質量 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)內質量也保持恒定。2.有人認為開口系統(tǒng)內系統(tǒng)與外界有物質交換,而物質又與能量不可分割,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),隨物質進出的熱能(準確地說是熱力學能)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功能否推廣到任意氣體?從熱力學第一定律的第一表達式和第二表達式來看, 膨脹功和技 術功分別等于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。通過過程的起點劃等容線(定容線),過程指向定容線右側,系統(tǒng) 對外作功,w0;過程指向定容線左側,系統(tǒng)接收外功,w0;過程指向定壓線上側,系統(tǒng)接收外來技術功,wt0。通過過程的起點劃等溫線(定溫線),過程指向定溫線下側,h0、h0。吸收熱量,q0;過程指向定熵線左側,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)和結束狀態(tài),然后在計算過程的 作功量等數(shù)據。計算過程中,始終要符合熱力學第一定律。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,實際過程過于復雜不 易于分析,通過理想可逆過程的分析以及根據實際過程進行適當修正, 可以了解實際過程能量轉換變化情況,以及如何向理想可逆過程靠近 以提高相應的技術指標。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,不準確。不可逆放熱過程,當放熱引起的熵減大于不可逆引起的熵增時(亦即當放熱量大于不可逆耗散所產生的熱量時),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,當放熱引起的熵減等于不可逆引起的熵增時(亦即當放熱量等于不可逆耗散所產生的熱量時),它也可以表現(xiàn)為熵沒有發(fā)生變化。(4)錯??赡嫖鼰徇^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?!保?)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)工質經過不可逆循環(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。(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,根據熱力 學第一定律,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, 蘋果的勢能轉變?yōu)榄h(huán)境介質的熱力學能,勢能全部是火用,全部轉變?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???兩者為什么不一致?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不米用回熱p2=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米用極限回熱,過程34放熱回熱給過程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, 這構成了從單一熱源吸熱并將之全部轉變?yōu)闄C械能的熱力發(fā)動機循環(huán),是違反熱力
13、學第二定律的。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)此復合系統(tǒng)雖未消耗機械功,但由高溫熱源放出熱量Q1作為代價,使得部分熱量從低溫熱源T0傳到較高溫熱源TH,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.實際氣體性質與理想氣體性質差異產生的原因是什么?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pi0時,實際氣體成為理想氣體。實際情況是當實際氣體距離 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)據擬合得到,也可以由物質的Tcr、pcr、Vcr計算得到,需要較高的精度時應采用哪種方法,為什么?答:實驗數(shù)據來自于實際, 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用? 答:維里方程具有堅實的理論基礎, 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、內的維里方程已在BWR方程、MH方程 中得到了應用, 故在計算工質熱物理性質時沒有必要再使用維里方程, 而是在研究實際氣體狀態(tài)方程時有所應用。6.什么叫對應態(tài)定律?為什么要引入對應態(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來估算其它流體的性質。 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數(shù)等于零、兩階導數(shù)等于零等性質以外,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)內部發(fā)生化學反應,化學能轉化為內熱能(都是熱力學能) ,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,內部發(fā)生變化的必 要條件是:df圖 7 - 13 轉回曲線(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:對于往復式壓氣機,余隙容積不可能完全消除;對于旋轉式 壓氣機,則有可能完全消除。3.如果由于應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濟?答:壓氣機耗功中有意義的部分是技術功,不考慮宏觀動能和勢能的變化,就是軸上輸入的功(由設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功比絕熱過程少,絕熱過程消耗的技術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第一定律能量方程式導出,試導出定溫、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
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