哈工大工程熱力學習題答案——楊玉順版

1、第二章 熱力學第一定律思 考 題1. 熱量和熱力學能有什么區(qū)別？有什么聯系？答：熱量和熱力學能是有明顯區(qū)別的兩個概念：熱量指的是熱力系通過界面與外界進行的熱能交換量，是與熱力過程有關的過程量。熱力系經歷不同的過程與外界交換的熱量是不同的；而熱力學能指的是熱力系內部大量微觀粒子本身所具有的能量的總合，是與熱力過程無關而與熱力系所處的熱力狀態(tài)有關的狀態(tài)量。簡言之，熱量是熱能的傳輸量，熱力學能是能量？的儲存量。二者的聯系可由熱力學第一定律表達式 看出；熱量的傳輸除了可能引起做功或者消耗功外還會引起熱力學能的變化。2. 如果將能量方程寫為或 那么它們的適用范圍如何？答：二式均適用于任意工質組成的閉口系

2、所進行的無摩擦的內部平衡過程。因為 ， 對閉口系將 代入第一式得 即 。3. 能量方程 （變大） 與焓的微分式 （變大） 很相像，為什么熱量 q不是狀態(tài)參數，而焓 h 是狀態(tài)參數？答：盡管能量方程 與焓的微分式 （變大）似乎相象，但兩者的數學本質不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否狀態(tài)參數的數學檢驗就是，看該參數的循環(huán)積分是否為零。對焓的微分式來說，其循環(huán)積分：因為，所以，因此焓是狀態(tài)參數。而對于能量方程來說，其循環(huán)積分：雖然： 但是： 所以： 因此熱量不是狀態(tài)參數。4. 用隔板將絕熱剛性容器分成A、B兩部分（圖2-13），A部分裝有1 kg氣體，B部分為高度真空。將隔板抽去

3、后，氣體熱力學能是否會發(fā)生變化？能不能用 來分析這一過程？BbBBA 圖 2-13答：這是一個有摩擦的自由膨脹過程，相應的第一定律表達式為。又因為容器為絕熱、剛性，所以，因而，即，所以氣體的熱力學能在在膨脹前后沒有變化。 如果用 來分析這一過程，因為，必有，又因為是膨脹過程，所以，即這與前面的分析得出的矛盾，得出這一錯誤結論的原因是自由膨脹是自由膨脹是一個非平衡過程，不能采用這個式子來進行分析，否則將要得到錯誤的結論。5. 說明下列論斷是否正確： (1) 氣體吸熱后一定膨脹，熱力學能一定增加； (2) 氣體膨脹時一定對外作功； (3) 氣體壓縮時一定消耗外功。答：(1)不正確：由可知，當氣體吸

4、熱全部變成對外作出的膨脹功時，熱力學能就不增加，即當時，；又當氣體吸熱全部用來增加其熱力學能時，即當時，氣體也不膨脹，因為此時，而，所以。(2)不正確：上題4就是氣體膨脹而不對外做功的實例。(3)正確：無摩擦時 ，壓縮時，故消耗外功；有摩擦時，壓縮時，故消耗更多的外功。所以無論有無摩擦，也不論是否吸熱或放熱，氣體壓縮時一定消耗外功的。習 題2-1 冬季，工廠某車間要使室內維持一適宜溫度。在這一溫度下，透過墻壁和玻璃窗等處，室內向室外每小時傳出 0.7106 kcal的熱量。車間各工作機器消耗的動力為 500PS ¬ PS為公制馬力的符號，1 PS = 75 kgfm/s。（認為機器工

5、作時將全部動力轉變?yōu)闊崮埽Ａ硗?，室內經常點著 50盞 100 W的電燈。要使這個車間的溫度維持不變，問每小時需供給多少kJ的熱量（單位換算關系可查閱附表10和附表11）？解 ： 為了維持車間里溫度不變，必須滿足能量平衡即所以有 因而*此題目的練習能量平衡概念及有關能量單位的換算。2-2 某機器運轉時，由于潤滑不良產生摩擦熱，使質量為 150 kg的鋼制機體在 30 min內溫度升高 50 。試計算摩擦引起的功率損失(已知每千克鋼每升高 1 需熱量 0.461 kJ)。解 ： 摩擦引起的功率損失就等于摩擦熱，故有*此題目的練習能量平衡2-3 氣體在某一過程中吸入熱量 12 kJ，同時熱力學能增

6、加 20 kJ。問此過程是膨脹過程還是壓縮過程？對外所作的功是多少（不考慮摩擦）？解 ： 由閉口系能量方程： 又不考慮摩擦，故有 所以 因為 所以 因此，這一過程是壓縮過程，外界需消耗功8 kW。2-4 有一閉口系，從狀態(tài)1經過a變化到狀態(tài)2（圖2-14）；又從狀態(tài)2經過b回到狀態(tài)1；再從狀態(tài)1經過c變化到狀態(tài)2。在這三個過程中，熱量和功的某些值已知（如下表中所列數值），某些值未知（表中空白）。試確定這些未知值。過 程熱量Q / kJ膨脹功W / kJ1-a-210（7）2-b-1-7-41-c-2（11）8解 ： 關鍵在于確定過程 12的熱力學能變化，再根據熱力學能變化的絕對值不隨過程而變，

7、對三個過程而言是相同的，所不同的只是符號有正、負之差，進而則逐過程所缺值可求。根據閉口系能量方程的積分形式：2b1： 1a2： 1c2： 將所得各值填入上表空中即可 此題可以看出幾點： 圖 2141、 不同熱力過程，閉口系的熱量 Q 和功 W 是不同的，說明熱量與功是與過程有關的物理量。 2、 熱力學能是不隨過程變化的，只與熱力狀態(tài)有關。以下內容請下載后欣賞換成小四字體后圖與題目即可對應好 圖2-15過 程q /（kJ/kg）wt /（kJ/kg）Dh /（kJ/kg）1-20182-303-40-11424-10-2094第三章 熱力學第二定律例 題例3-1 先用電熱器使 20 kg、溫度t

8、0=20 的涼水加熱到t1=80 ，然后再與40 kg、溫度為 20 的涼水混合。求混合后的水溫以及電加熱和混合這兩個過程各自造成的熵產。水的比定壓熱容為 4.187 kJ/（kg·K）；水的膨脹性可忽略。編題意圖 實際過程中熵產的計算是本章的重點和難點之一，本題的目的在于檢測和練習電熱器加熱造成的熵產和不等溫水混合過程中的熵產的分析計算。解題思路 電加熱水過程引起熵產是由于電功轉變?yōu)闊岙a，水吸收這個熱后其自身溫度逐漸上升，這是一個不斷積累過程，需通過微元熱產量與水變化的水溫T之比這個微元熵產的積分求得。要求涼水與熱水混合造成的熵產，必須先求出20kg80的水放熱的熵減與20的涼水吸

9、熱的熵增，這種內熱流造成的熵產也是個逐漸積累的過程，也需積分求得。整個加熱混合造成的總熵產由二者相加得到。求解步驟設混合后的溫度為t，則可寫出下列能量方程：圖 4-5圖 4-18思 考 題1. 自發(fā)過程是不可逆過程，非自發(fā)過程是可逆過程，這樣說對嗎？答：這樣說不對，誠然自發(fā)過程是不可逆過程，但非自發(fā)過程卻并非是可逆過程，而是不可能自發(fā)進行的過程。2. 熱力學第二定律能不能說成“機械能可以全部轉變?yōu)闊崮?，而熱能不能全部轉變?yōu)闄C械能”？為什么？答：不能這樣說。機械能固然能無條件地變成熱能，而熱能也能在一定條件下全部變成機械能。如理想氣體進行的等溫膨脹過程，就是把所吸收的熱全部變成膨脹功了。但這時氣體狀態(tài)發(fā)生了變化，比容變大了這就是條件。3. 與大氣溫度相同的壓縮氣體可以從大氣中吸熱而膨脹作功（依靠單一熱