工程熱力學(xué)第五版練習(xí)題

1、第1章 基本概念11 本章基本要求深刻理解熱力系統(tǒng)、外界、熱力平衡狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程、熱力循環(huán)的概念，掌握溫度、壓力、比容的物理意義，掌握狀態(tài)參數(shù)的特點(diǎn)。12 本章難點(diǎn)1熱力系統(tǒng)概念，它與環(huán)境的相互作用，三種分類方法及其特點(diǎn)，以及它們之間的相互關(guān)系。2引入準(zhǔn)靜態(tài)過程和可逆過程的必要性，以及它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí)的條件。3系統(tǒng)的選擇取決于研究目的與任務(wù)，隨邊界而定，具有隨意性。選取不當(dāng)將不便于分析。 選定系統(tǒng)后需要精心確定系統(tǒng)與外界之間的各種相互作用以及系統(tǒng)本身能量的變化,否則很難獲得正確的結(jié)論。4穩(wěn)定狀態(tài)與平衡狀態(tài)的區(qū)分：穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)狀態(tài)參數(shù)雖然不隨時(shí)間改變，但是靠外界影響來的。平衡狀態(tài)是系統(tǒng)

2、不受外界影響時(shí)，參數(shù)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。二者既有所區(qū)別，又有聯(lián)系。平衡必穩(wěn)定,穩(wěn)定未必平衡。5注意狀態(tài)參數(shù)的特性及狀態(tài)參數(shù)與過程參數(shù)的區(qū)別。13 例題例1：絕熱剛性容器內(nèi)的氣體通過閥門向氣缸充氣。開始時(shí)氣缸內(nèi)沒有氣體,如圖1.1所示。氣缸充氣后,氣體推動(dòng)氣缸內(nèi)的活塞向上移動(dòng),如圖1.2所示。設(shè)管道閥門以及氣缸均可認(rèn)為是絕熱的。若分別選取開口系統(tǒng)與閉口系統(tǒng),試說明它們的邊界應(yīng)該如何劃定?這些系統(tǒng)與外界交換的功量與熱量又如何?解：(1)若以容器內(nèi)原有的氣體作為分析對(duì)象，屬于閉口系統(tǒng)。容器放氣前，邊界如圖1.1中的虛線所示。放氣后邊界如圖1.2中的虛線所示。氣體對(duì)活塞作的功W是閉口系統(tǒng)與外界交換的功

3、量。氣體通過活塞與外界交換的熱量Q是此閉口系統(tǒng)的傳熱量。圖1.1 圖1.2 圖1.3 圖1.4（2）若以容器放氣后殘留在容器內(nèi)的氣體作為分析對(duì)象，同樣也是閉口系統(tǒng)。這時(shí)放氣前的邊界如圖1.3中的虛線所示。放氣后的邊界如圖1.4的虛線表示。殘留氣體對(duì)離開容器的那部分放逸氣體所作的功，是本閉口系統(tǒng)與外界交換的功，殘留氣體與放逸氣體之間交換的熱量是本系統(tǒng)的傳熱量。（3） 類似地若以放逸氣體為分析對(duì)象，同樣也是閉口系統(tǒng)。其邊界將如圖1.3和圖1.4中的點(diǎn)劃線所示。此閉口系統(tǒng)與外界交換的功量除了與殘留氣體之間的功量(大小與第二種情況的相同，方向相反)外，還應(yīng)包括對(duì)活塞所作的功。同樣，除了與殘留氣體之間的

4、傳熱量(大小與第二種情況的相同，方向相反)外，還應(yīng)包括通過活塞與外界交換的熱量。（4）若以容器或氣缸為分析對(duì)象，則均屬開口系統(tǒng)，容器的壁面或氣缸與活塞的壁面為其邊界。前者以對(duì)放逸氣體作出的流動(dòng)功與傳熱量為系統(tǒng)與外界交換的功量與熱量，后者以對(duì)活塞及管道內(nèi)氣體的功量與熱量為系統(tǒng)與外界交換的功量與熱量。例2：溫度為100的熱源，非常緩慢地把熱量加給處于平衡狀態(tài)下的0的冰水混合物，試問：1、冰水混合物經(jīng)歷的是準(zhǔn)靜態(tài)過程嗎？2、加熱過程是否可逆？解：此熱力過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，因?yàn)榇藷崃^程的弛豫時(shí)間很短，熱源非常緩慢地把熱量加給冰水混合物，則冰水混合物重建熱力平衡的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳熱過程對(duì)冰水混合物平衡狀態(tài)

5、的破壞，所以可以近似地把此熱力過程看作是準(zhǔn)靜態(tài)過程。分析此熱力過程，取為系統(tǒng)的冰水混合物和作為外界的熱源之間存在有溫差，100的高質(zhì)能通過傳熱過程轉(zhuǎn)換為0的低質(zhì)能，有能量的耗散，所以此熱力過程不能被假設(shè)為可逆過程。例3:表壓力或真空度為什么不能當(dāng)作工質(zhì)的壓力？工質(zhì)的壓力不變化，測(cè)量它的壓力表或真空表的讀數(shù)是否會(huì)變化？解：作為工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的壓力是絕對(duì)壓力，測(cè)得的表壓力或真空度都是工質(zhì)的絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，因此不能作為工質(zhì)的壓力；因?yàn)闇y(cè)得的是工質(zhì)絕對(duì)壓力與大氣壓力的相對(duì)值，即使工質(zhì)的壓力不變，當(dāng)大氣壓力改變時(shí)也會(huì)引起壓力表或真空表讀數(shù)的變化。圖1.5汽例4：一剛性絕熱容器內(nèi)充有水和水蒸氣混

6、合物，它們的溫度與壓力分別相等，不隨時(shí)間變化。試問汽水混合物是否已處于平衡態(tài)？汽水混合物的各種參數(shù)量是否到處均勻？水解：如圖1.5所示的剛性絕熱容器內(nèi)，水和水蒸氣的壓力相同，溫度相等，均不隨時(shí)間變化，而且不受外界的影響，因此該汽水混合物已處于平衡態(tài)。處于平衡態(tài)的汽水的混合物中，汽相與液相的密度顯然不同。因此即使處于平衡態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)部，各種參數(shù)并不一定均勻。說明：系統(tǒng)內(nèi)部各種參數(shù)均勻的必定平衡；反之平衡時(shí)未必各種參數(shù)都是均勻，即均勻必平衡，平衡未必均勻。1.4 思考及練習(xí)題1名詞解釋閉口系統(tǒng)、開口系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)、熱力平衡狀態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)過程、可逆過程、熱力循環(huán)2判斷下列過程是否為可逆過程：1

7、)對(duì)剛性容器內(nèi)的水加熱使其在恒溫下蒸發(fā)。2)對(duì)剛性容器內(nèi)的水作功使其在恒溫下蒸發(fā)。3)對(duì)剛性容器中的空氣緩慢加熱使其從50升溫到1004)定質(zhì)量的空氣在無摩擦、不導(dǎo)熱的氣缸和活塞中被慢慢壓縮5)100的蒸汽流與25的水流絕熱混合。6)鍋爐中的水蒸汽定壓發(fā)生過程（溫度、壓力保持不變）。7)高壓氣體突然膨脹至低壓。8)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的熱燃?xì)怆S活塞迅速移動(dòng)而膨脹。9)氣缸中充有水，水上面有無摩擦的活塞，緩慢地對(duì)水加熱使之蒸發(fā)。3試判斷下列敘述是否正確,說明理由。1)平衡態(tài)是系統(tǒng)的熱力狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)。2)不可逆的熱力過程是指工質(zhì)逆過程無法恢復(fù)到初始狀態(tài)的過程。3)由于準(zhǔn)靜態(tài)過程都是微小

8、偏離平衡態(tài)的過程，故從本質(zhì)上說屬于可逆過程。4)工質(zhì)發(fā)生熱量交換,狀態(tài)參數(shù)中只有一個(gè)參數(shù)必然要發(fā)生變化,這個(gè)參數(shù)就是溫度。5)任何可逆過程都是準(zhǔn)靜態(tài)過程。6)封閉系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)不發(fā)生宏觀位移的那些系統(tǒng)。4有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到起始狀態(tài)的過程。這種說法對(duì)嗎？5鐵棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，經(jīng)過一段時(shí)間，鐵棒各點(diǎn)溫度保持恒定，試問，鐵棒是否處于平衡狀態(tài)？6知道兩個(gè)參數(shù)就可以確定氣體的狀態(tài)，從而可決定其它參數(shù)，例如，已知壓力和比容就可確定內(nèi)能和焓，但理想氣體的內(nèi)能和焓只決定于溫度，與壓力、比容無關(guān)，前后是否矛盾，如何理解？7表述狀態(tài)參數(shù)的特性。8某容器中氣體壓力估計(jì)在3MPa左右，現(xiàn)只有兩只最大刻度為2MPa的壓力表。試問，能否用來測(cè)定容器中氣體的壓力？容 器圖1.69容器自壓縮空氣總管充氣（如圖1.6），若要分析充氣前后容器中氣體狀態(tài)的變化情況，首先要選取系統(tǒng)。（a）按開口系統(tǒng)考慮如何選取系統(tǒng)？（b）按閉口系統(tǒng)考慮如何選取系統(tǒng)？（c）什么情況下可抽象為絕熱