熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用課后習(xí)題答案(全)第二版

1、山東大學(xué)熱工基礎(chǔ)課后習(xí)題解答第一章思考題1. 平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別？熱力學(xué)中為什幺要引入平衡態(tài)的概念？答：平衡狀態(tài)是在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化的狀態(tài)。而穩(wěn)定狀態(tài)則是不論有無外界影響，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時間而變化的狀態(tài)?？梢娖胶獗胤€(wěn)定，而穩(wěn)定未必平衡。熱力學(xué)中引入平衡態(tài)的概念，是為了能對系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)用狀態(tài)參數(shù)來進行描述。表壓力或真空度能否作為狀態(tài)參數(shù)進行熱力計算？若工質(zhì)的壓力不變，問測量其壓力的壓力表或真空計的讀數(shù)是否可能變化？答：不能，因為表壓力或真空度只是一個相對壓力。若工質(zhì)的壓力不變，測量其壓力的壓力表或真空計的讀數(shù)可能變化，因為測量所處的環(huán)境壓力可能發(fā)生

2、變化。3 當(dāng)真空表指示數(shù)值愈大時，表明被測對象的實際壓力愈大還是愈小？答：真空表指示數(shù)值愈大時，表明被測對象的實際壓力愈小。4. 準平衡過程與可逆過程有何區(qū)別？答：無耗散的準平衡過程才是可逆過程，所以可逆過程一定是準平衡過程，而準平衡過程不一定是可逆過程。5. 不可逆過程是無法回復(fù)到初態(tài)的過程，這種說法是否正確？答：不正確。不可逆過程是指不論用任何曲折復(fù)雜的方法都不能在外界不遺留任何變化的情況下使系統(tǒng)回復(fù)到初態(tài)，并不是不能回復(fù)到初態(tài)。6. 沒有盛滿水的熱水瓶，其瓶塞有時被自動頂開，有時被自動吸緊，這是什幺原因？答：水溫較高時，水對熱水瓶中的空氣進行加熱，空氣壓力升高，大于環(huán)境壓力，瓶塞被自動頂

3、開。而水溫較低時，熱水瓶中的空氣受冷，壓力降低，小于環(huán)境壓力，瓶塞被自動吸緊。7. 用U形管壓力表測定工質(zhì)的壓力時，壓力表液柱直徑的大小對讀數(shù)有無影響？答：嚴格說來，是有影響的，因為U型管越粗，就有越多的被測工質(zhì)進入U型管中，這部分工質(zhì)越多，它對讀數(shù)的準確性影響越大。習(xí) 題1-1 解：1. 2. 3. 4. 1-2 圖1-8表示常用的斜管式微壓計的工作原理。由于有引風(fēng)機的抽吸，鍋爐設(shè) 備的煙道中的壓力將略低于大氣壓力。如果微壓機的斜管傾斜角， 管內(nèi)水 解：根據(jù)微壓計原理，煙道中的壓力應(yīng)等于環(huán)境壓力和水柱壓力之差1-3 解：14 解：1-4 解：1-5 解：由于壓縮過程是定壓的，所以有1-6 解

4、：改過程系統(tǒng)對外作的功為1-7 解：由于空氣壓力正比于氣球的直徑，所以可設(shè)，式中c為常數(shù)，D為氣球的直徑，由題中給定的初始條件，可以得到：該過程空氣對外所作的功為1-8 解：（1）氣體所作的功為：（2）摩擦力所消耗的功為：所以減去摩擦力消耗的功后活塞所作的功為：1-9 解：由于假設(shè)氣球的初始體積為零，則氣球在充氣過程中，內(nèi)外壓力始終保持相等，恒等于大氣壓力0.09MPa，所以氣體對外所作的功為：1-11 解：確定為了將氣球充到2m3的體積，貯氣罐內(nèi)原有壓力至少應(yīng)為（此時貯氣罐的壓力等于氣球中的壓力，同時等于外界大氣壓）前兩種情況能使氣球充到2m3情況三:所以氣球只能被充到的大小，故氣體對外作的

5、功為：第二章思考題絕熱剛性容器，中間用隔板分為兩部分，左邊盛有空氣，右邊為真空，抽掉隔板，空氣將充滿整個容器。問： 空氣的熱力學(xué)能如何變化？ 空氣是否作出了功？ 能否在坐標圖上表示此過程？為什么？答：（1）空氣向真空的絕熱自由膨脹過程的熱力學(xué)能不變。 （2）空氣對外不做功。 （3）不能在坐標圖上表示此過程，因為不是準靜態(tài)過程。2. 下列說法是否正確？ 氣體膨脹時一定對外作功。錯，比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹，對外不作功。 氣體被壓縮時一定消耗外功。對，因為根據(jù)熱力學(xué)第二定律，氣體是不可能自壓縮的，要想壓縮體積，必須借助于外功。 氣體膨脹時必須對其加熱。 錯，比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹，不

6、用對其加熱。 氣體邊膨脹邊放熱是可能的。對，比如多變過程，當(dāng)n大于k時，可以實現(xiàn)邊膨脹邊放熱。 氣體邊被壓縮邊吸入熱量是不可能的。錯，比如多變過程，當(dāng)n大于k時，可以實現(xiàn)邊壓縮邊吸熱。 對工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，這種情況不可能。錯，比如多變過程，當(dāng)n大于1，小于k時，可實現(xiàn)對工質(zhì)加熱，其溫度反而降低。4. “任何沒有體積變化的過程就一定不對外作功”的說法是否正確？答：不正確，因為外功的含義很廣，比如電磁功、表面張力功等等，如果只考慮體積功的話，那么沒有體積變化的過程就一定不對外作功。圖2-6 思考題4附圖5. 試比較圖2-6所示的過程1-2與過程1-a-2中下列各量的大小： W12與W1a2

7、； (2) DU12 與 DU1a2； (3) Q12與Q1a2答：（1）W1a2大。(2)一樣大。 （3）Q1a2大。6. 說明下列各式的應(yīng)用條件： 閉口系的一切過程 閉口系統(tǒng)的準靜態(tài)過程 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動過程，并且軸功為零 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定定壓流動過程，并且軸功為零；或者閉口系統(tǒng)的定壓過程。7. 膨脹功、軸功、技術(shù)功、流動功之間有何區(qū)別與聯(lián)系？流動功的大小與過程特性有無關(guān)系？答：膨脹功是系統(tǒng)由于體積變化對外所作的功；軸功是指工質(zhì)流經(jīng)熱力設(shè)備（開口系統(tǒng)）時，熱力設(shè)備與外界交換的機械功，由于這個機械工通常是通過轉(zhuǎn)動的軸輸入、輸出，所以工程上習(xí)慣成為軸功；而技術(shù)功不僅包括軸功，還包括工質(zhì)在流動過

8、程中機械能（宏觀動能和勢能）的變化；流動功又稱為推進功，1kg工質(zhì)的流動功等于其壓力和比容的乘積，它是工質(zhì)在流動中向前方傳遞的功，只有在工質(zhì)的流動過程中才出現(xiàn)。對于有工質(zhì)組成的簡單可壓縮系統(tǒng)，工質(zhì)在穩(wěn)定流動過程中所作的膨脹功包括三部分，一部分消耗于維持工質(zhì)進出開口系統(tǒng)時的流動功的代數(shù)和，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動能和勢能，最后一部分是作為熱力設(shè)備的軸功。對于穩(wěn)定流動，工質(zhì)的技術(shù)功等于膨脹功與流動功差值的代數(shù)和。如果工質(zhì)進、出熱力設(shè)備的宏觀動能和勢能變化很小，可忽略不計，則技術(shù)功等于軸功。習(xí) 題2-1 解： ，所以是壓縮過程2-2 解：2-3 解：24解：狀態(tài)b和狀態(tài)a之間的內(nèi)能之差為：所以，a

9、-d-b過程中工質(zhì)與外界交換的熱量為：工質(zhì)沿曲線從b返回初態(tài)a時，工質(zhì)與外界交換的熱量為：根據(jù)題中給定的a點內(nèi)能值，可知b點的內(nèi)能值為60kJ，所以有:由于d-b過程為定容過程，系統(tǒng)不對外作功，所以d-b過程與外界交換的熱量為：所以a-d-b過程系統(tǒng)對外作的功也就是a-d過程系統(tǒng)對外作的功，故a-d過程系統(tǒng)與外界交換的熱量為：25過程Q kJW kJDU kJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-552-5 解：由于汽化過程是定溫、定壓過程，系統(tǒng)焓的變化就等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量，即汽化潛熱，所以有：內(nèi)能的變化為：2-6 解：選取氣缸中的空氣作為研

10、究的熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的初壓為：當(dāng)去掉一部分負載，系統(tǒng)重新達到平衡狀態(tài)時，其終壓為：由于氣體通過氣缸壁可與外界充分換熱，所以系統(tǒng)的初溫和終溫相等，都等于環(huán)境溫度即：根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可得到系統(tǒng)的終態(tài)體積，為：所以活塞上升的距離為：由于理想氣體的內(nèi)能是溫度的函數(shù)，而系統(tǒng)初溫和終溫相同，故此過程中系統(tǒng)的內(nèi)能變化為零，同時此過程可看作定壓膨脹過程，所以氣體與外界交換的熱量為：2-8 解：壓縮過程中每千克空氣所作的壓縮功為：忽略氣體進出口宏觀動能和勢能的變化，則有軸功等于技術(shù)功，所以生產(chǎn)每kg壓縮空氣所需的軸功為：所以帶動此壓氣機所需的功率至少為：2-9 解：是否要用外加取暖設(shè)備，要看室內(nèi)熱源產(chǎn)生的

11、熱量是否大于通過墻壁和門窗傳給外界的熱量，室內(nèi)熱源每小時產(chǎn)生的熱量為：小于通過墻壁和門窗傳給外界的熱量為3´105 kJ，所以必須外加取暖設(shè)備，供熱量為：2-10 解：取容器內(nèi)的氣體作為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程可得到系統(tǒng)終態(tài)體積為：過程中系統(tǒng)對外所作的功為：所以過程中系統(tǒng)和外界交換的熱量為：為吸熱。2-11 解：此過程為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動過程，忽略進出口工質(zhì)的宏觀動能和勢能變化，則有：由穩(wěn)定流動過程進出口工質(zhì)的質(zhì)量守恒可得到：所以整個系統(tǒng)的能量平衡式為：故發(fā)電機的功率為：2-12 解：由于過程是穩(wěn)定流動過程，氣體流過系統(tǒng)時重力位能的變化忽略不計，所以系統(tǒng)的能量平衡式為:其

12、中，氣體在進口處的比焓為：氣體在出口處的比焓為：氣體流過系統(tǒng)時對外作的軸功為：所以氣體流過系統(tǒng)時對外輸出的功率為：第三章思考題1. 理想氣體的和之差及和之比是否在任何溫度下都等于一個常數(shù)？答：理想氣體的和之差在任何溫度下都等于一個常數(shù)，而和之比不是。2. 如果比熱容是溫度t的單調(diào)增函數(shù)，當(dāng)時，平均比熱容、中哪一個最大？哪一個最??？答：由、的定義可知，其中，其中，其中因為比熱容是溫度t的單調(diào)增函數(shù)，所以可知>，又因為故可知最大，又因為：所以最小。3. 如果某種工質(zhì)的狀態(tài)方程式遵循，這種物質(zhì)的比熱容一定是常數(shù)嗎？這種物質(zhì)的比熱容僅是溫度的函數(shù)嗎？答：不一定，比如理想氣體遵循此方程，但是比熱容

13、不是常數(shù)，是溫度的單值函數(shù)。這種物質(zhì)的比熱容不一定僅是溫度的函數(shù)。由比熱容的定義，并考慮到工質(zhì)的物態(tài)方程可得到：由此可以看出，如果工質(zhì)的內(nèi)能不僅僅是溫度的函數(shù)時，則此工質(zhì)的比熱容也就不僅僅是溫度的函數(shù)了。4. 在圖上畫出定比熱容理想氣體的可逆定容加熱過程、可逆定壓加熱過程、可逆定溫加熱過程和可逆絕熱膨脹過程。答：圖中曲線1為可逆定容加熱過程；2為可逆定壓加熱過程；3為可逆定溫加熱過程；4為可逆絕熱膨脹過程。因為可逆定容加熱過程容積v不變，過程中系統(tǒng)內(nèi)能增加，所以為曲線1，從下向上?？赡娑▔杭訜徇^程有：所以此過程為過原點的射線2，且向上。理想氣體的可逆定溫加熱過程有： 所以為曲線3，從左到右?？?/p>

14、逆絕熱膨脹過程有：所以為圖中的雙曲線4，且方向朝右（膨脹過程）。5. 將滿足空氣下列要求的多變過程表示在圖圖上 空氣升壓，升溫，又放熱； 空氣膨脹，升溫，又放熱；(此過程不可能) 的膨脹過程，并判斷、的正負； 的壓縮過程，判斷、的正負。答：（1）空氣升溫、升壓、又放熱有：此多變過程如圖所示，在pv圖上，此過程為沿著幾條曲線的交點A向上，即沿壓力和溫度增加的方向；在T-s圖上此過程為沿著幾條曲線的交點A向上。（2）空氣膨脹，升溫，又放熱有：此多變過程如圖所示，然而要想是過程同時滿足膨脹過程是不可能的。 （3）的膨脹過程，在pv圖上，膨脹過程體積增大，過程從幾條曲線的交點A向下；在Ts圖上，過程從

15、幾條曲線的交點A向下。此過程為放熱，對外做功，內(nèi)能減少。（4）的壓縮過程，在pv圖上，壓縮過程體積減小，過程從幾條曲線的交點A向上；在Ts圖上，過程從幾條曲線的交點A向上。此過程為放熱，外界對空氣做功，內(nèi)能增加。6. 在圖上，如何將理想氣體任意兩狀態(tài)間的熱力學(xué)能和焓的變化表示出來。答：理想氣體的內(nèi)能和焓都是溫度的單值函數(shù)，因此在圖上，定內(nèi)能和定焓線為一條平行于T軸的直線，只要知道初態(tài)和終態(tài)的溫度，分別在圖上找到對應(yīng)溫度下的定內(nèi)能和定焓直線，就可以確定內(nèi)能和焓的變化值。7. 凡質(zhì)量分數(shù)較大的組元氣體，其摩爾分數(shù)是否也一定較大？試舉例說明之。答：根據(jù)質(zhì)量分數(shù)和摩爾分數(shù)的關(guān)系，有：從上式可以看出，對

16、成分一定的混合氣體，分母為常數(shù)，因此摩爾分數(shù)取決于其質(zhì)量分數(shù)和摩爾質(zhì)量的比值，對于質(zhì)量分數(shù)較大的組元，如果摩爾質(zhì)量也很大，那么它的摩爾分數(shù)可能并不大。8. 理想混合氣體的比熱力學(xué)能是否是溫度的單值函數(shù)？其是否仍遵循邁耶公式？答：不是。因為理想混合氣體的比熱力學(xué)能為：其中xi是摩爾組分，而ui是溫度的單值函數(shù)，所以理想混合氣體的比熱力學(xué)能不僅是溫度的函數(shù)，還是成分的函數(shù)，或者說對于成分固定的混合理想氣體，其內(nèi)能僅是溫度的單值函數(shù)。其仍遵循邁耶公式，因為：9. 有人認為由理想氣體組成的封閉系統(tǒng)吸熱后，其溫度必定增加，這是否完全正確？你認為哪一種狀態(tài)參數(shù)必定增加？答：不正確，因為對于成分固定的混合理

17、想氣體，其內(nèi)能是僅是溫度的單值函數(shù)，如果在過程中吸熱的同時對外作正功，當(dāng)作的正功大于吸熱量，其內(nèi)能必然減少，溫度必然降低。只有熵值必定增加，因為根據(jù)克勞休斯不等式有:其中等號適用于可逆過程，不等號適用于不可逆過程，對于不可逆過程，T為熱源的溫度，由于溫度T恒大于零，所以當(dāng)過程為吸熱過程（）時，系統(tǒng)的熵必然增加。10. 圖317所示的管段，在什么情況下適合作噴管？在什么情況下適合作擴圖3-17 思考題11附圖壓管？答：當(dāng)時，要想使氣流的速度增加，要求噴管的截面積沿氣流方向逐漸減小，即漸縮噴管；而當(dāng)時，要想使氣流的速度增加，要求噴管的截面積沿氣流方向逐漸增加，即漸擴噴；而對于先縮后擴的縮放噴管（也

18、稱拉戈爾噴管），在最小截面處氣流的流速恰好等于當(dāng)?shù)芈曀?。所以對于亞聲速氣流，漸縮管適用于做噴管，漸擴管適用于做擴壓管，縮放管適用于做噴管；對于超聲速氣流，漸縮管適用于做擴壓管，漸擴管適用于做噴管。習(xí) 題3-1 解：設(shè)定熵壓縮過程的終態(tài)參數(shù)為，而定溫壓縮過程的終態(tài)參數(shù)為,根據(jù)給定的條件可知：又因為兩個終態(tài)的熵差為，固有：所以有：對于定熵壓縮過程有：所以：3-2 解：設(shè)氣體的初態(tài)參數(shù)為，閥門開啟時氣體的參數(shù)為，閥門重新關(guān)閉時氣體的參數(shù)為，考慮到剛性容器有：，且。當(dāng)閥門開啟時，貯氣筒內(nèi)壓力達到Pa，所以此時筒內(nèi)溫度和氣體質(zhì)量分別為：閥門重新關(guān)閉時，筒內(nèi)氣體壓力降為 Pa，且筒內(nèi)空氣溫度在排氣過程中保

19、持不變，所以此時筒內(nèi)氣體質(zhì)量為：所以，因加熱失掉的空氣質(zhì)量為：3-3 解：氣體可以看作是理想氣體，理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，選取絕熱氣缸內(nèi)的兩部分氣體共同作為熱力學(xué)系統(tǒng)，在過程中，由于氣缸絕熱，系統(tǒng)和外界沒有熱量交換，同時氣缸是剛性的，系統(tǒng)對外作功為零，故過程中系統(tǒng)的內(nèi)能不變，而系統(tǒng)的初溫為30，所以平衡時系統(tǒng)的溫度仍為30。設(shè)氣缸一側(cè)氣體的初始參數(shù)為，終態(tài)參數(shù)為，另一側(cè)氣體的初始參數(shù)為，終態(tài)參數(shù)為，重新平衡時整個系統(tǒng)的總體積不變，所以先要求出氣缸的總體積。終態(tài)時，兩側(cè)的壓力相同，即，對兩側(cè)分別寫出狀態(tài)方程，聯(lián)立求解可得到終態(tài)時的壓力為：3-4 解：由于Ar可看作理想氣體，理想氣體的內(nèi)能

20、時溫度的單值函數(shù)，過程中內(nèi)能不變，故終溫，由狀態(tài)方程可求出終壓為：熵的變化為：3-5 解：由于活塞和氫氣側(cè)氣缸均是絕熱的，所以氫氣在過程中沒有從外界吸入熱量，可看可逆絕熱過程，所以氫氣的終溫為：根據(jù)狀態(tài)方程可得到終態(tài)時氫氣的體積：所以，空氣終態(tài)的體積為：故空氣的終溫為：把空氣和氧氣作為熱力學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律可得到外界加入的熱量為：3-6 解：選取氣缸中的空氣作為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的初壓為：當(dāng)去掉一部分負載，系統(tǒng)重新達到平衡狀態(tài)時，其終壓為：過程可看作可逆絕熱膨脹過程，所以：所以，活塞的上升距離為：3-7 解： 定溫：，由理想氣體的狀態(tài)方程可得到初終態(tài)的體積：所以氣體對外所作的功和吸

21、收的熱量分別為： 定熵：相當(dāng)于可逆絕熱過程，氣體對外所作的功和熱量分別為：終溫為： n=1.2：為多方過程，根據(jù)過程方程可得到氣體的終溫為：氣體對外所作的功和熱量分別為：37解：（1）如果放氣過程很快，瓶內(nèi)氣體來不及和外界交換熱量，同時假設(shè)容器內(nèi)的氣體在放氣過程中，時時處于準平衡態(tài)，過程可看作可逆絕熱過程，所以氣體終溫為：瓶內(nèi)原來的氣體質(zhì)量為：放氣后瓶內(nèi)氣體的質(zhì)量為：所以放出的氧氣質(zhì)量為：（2）閥門關(guān)閉后，瓶內(nèi)氣體將升溫，直到和環(huán)境溫度相同，即,壓力將升高，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可得到，最終平衡時的壓力為：（3）如果放氣極為緩慢，以至瓶內(nèi)氣體與外界隨時處于熱平衡，即放氣過程為定溫過程，所以放氣后

22、瓶內(nèi)的氣體質(zhì)量為：故所放的氧氣比的一種情況多。3-8 解：理想氣體可逆多變過程對外作的功和吸收的熱量分別為：兩式相除，并考慮到，可得到：由多方過程的過程方程可得到：所以有：把值帶入多方過程功的表達式中，可求出：所以有：310 解：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，每小時產(chǎn)生煙氣的體積為：所以可得到煙囪出口處的內(nèi)直徑為：311解：因為假定燃氣具有理想氣體的性質(zhì)，查空氣平均比定壓熱容表得：所以過程中燃氣的熵變?yōu)椋河捎陟販p少，對于可逆過程，熵減少意味著過程是放熱過程312 解：根據(jù)剛性容器A和彈性球B中氣體的初態(tài)參數(shù)，可求出A和B中包含的氣體質(zhì)量分別為：打開閥門，重新平衡后，氣體溫度依然保持不變，球內(nèi)壓力（也即

23、總壓力）和球的直徑成正比，故設(shè)：帶入彈性球B的初始體積和壓力值可得到：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：所以，球B終態(tài)的壓力和體積分別為：313 解：假設(shè)氣體的定壓和定容比熱容都是常數(shù)，首先計算此理想氣體的氣體常數(shù)和定壓、定容比熱容：所以其焓變和熵變分別為：3-14 解：設(shè)氣體的初態(tài)參數(shù)為，終態(tài)參數(shù)為。 可逆絕熱膨脹：根據(jù)過程方程可得到終溫：氣體對外所作的功和熵變分別為： 氣體向真空自由膨脹：氣體對外不作功，且和外界無熱量交換，故內(nèi)能不變，由于理想氣體的內(nèi)能和焓均是溫度的單值函數(shù)，所以氣體溫度保持不變，焓也保持不變，即過程中氣體熵變?yōu)椋?-15 解：按定值比熱容計算：空氣可看作是雙原子分子氣體，故有：根

24、據(jù)可逆絕熱過程的過程方程，可得到終態(tài)壓力為：內(nèi)能和與外界交換的功量分別為：按空氣熱力性質(zhì)表的數(shù)據(jù)計算：查表得所以有：3-16 解：首先把標準狀態(tài)下空氣的體積流量值轉(zhuǎn)換為入口狀態(tài)下和出口狀態(tài)下的體積流量值：轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量為：根據(jù)開口系統(tǒng)的能量方程，忽略進出口宏觀動能和勢能的變化并考慮到氣體流動時對外不作軸功，故有煙氣每小時所提供的熱量為：（1）用平均定壓質(zhì)量比熱容數(shù)據(jù)計算查表并通過插值可得到：所以有：（2）將空氣視為雙原子理想氣體，用定比熱容進行計算所以有：3-17 解：混合后各成分的質(zhì)量分數(shù)為：折合分子量為：3-18 解：體積分數(shù)等于摩爾分數(shù)：體積流量為：3-19 解：根據(jù)混合理想氣體的狀態(tài)方

25、程有：又因為：聯(lián)立求解得到：3-20 解： 該未知氣體的氣體常數(shù)及摩爾質(zhì)量M：根據(jù)混合理想氣體狀態(tài)方程可得：氣體組元的質(zhì)量分數(shù)分別為：所以未知氣體的氣體常數(shù)： 該未知氣體的分壓力：未知氣體為氮氣，先求出它的摩爾分數(shù)：所以氮氣的分壓為：3-21 解：理想氣體兩過程之間的熵差為：由于假設(shè)理想氣體的比熱容為常數(shù)，所以有：考慮到理想氣體多變過程（）的過程方程及定容比熱容和CV、Rg的關(guān)系：把上面三式帶入熵的表達式并整理可得：考慮到理想氣體多變過程（）的過程方程及定容比熱容和CV、Rg的關(guān)系：把上面兩式帶入熵的表達式并整理可得：3-22 解：在T-s圖上任意兩條定壓線之間的水平距離為，在相同的溫度T下，

26、壓力分別為p1和p2時兩態(tài)的熵差,故有： 顯然不管在任何溫度下，它們都相等；在T-s圖上任意兩條定容線之間的水平距離為，在相同的溫度T下，體積分別為V1和V2時兩態(tài)的熵差,故有：顯然不管在任何溫度下，它們都相等。3-23 解：根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程，可求出初態(tài)和終態(tài)氣體的比容分別為：由cP和cV的關(guān)系，可得到：所以每千克氣體內(nèi)能和熵的變化分別為：3-24 解：可逆定壓過程系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于系統(tǒng)焓的變化，所以有：系統(tǒng)內(nèi)能的變化為：所以系統(tǒng)對外所作的功為：3-25 解：設(shè)理想氣體的摩爾數(shù)為n，由理想氣體的狀態(tài)方程可得：由于過程的焓變已知，所以可得到該理想氣體的摩爾定壓熱容：所以氣體的摩爾定容

27、熱容為：由此可求出該氣體的摩爾質(zhì)量：所以氣體的內(nèi)能變化為：氣體的定壓熱容為：3-26 解： 可逆膨脹；可逆定溫膨脹過程系統(tǒng)對外所作的功及熵變?yōu)椋?向真空膨脹；理想氣體的絕熱真空自由膨脹系統(tǒng)對外不作功W=0，熵變?yōu)椋?在外壓恒為0.1MPa的環(huán)境中膨脹。此過程系統(tǒng)對外所作的功無法計算，如果過程終態(tài)為平衡態(tài)，則系統(tǒng)熵變依然為：3-27 解：要想判斷噴管的形狀，必須計算臨界壓力Pcr，MPa可見被壓大于臨界壓力，故在出口處沒有達到當(dāng)?shù)芈曀?，所以此噴管為漸縮噴管。計算噴管出口截面面積，首先要知道噴管出口截面的參數(shù)，所以噴管的出口截面面積為：3-28 解：當(dāng)被壓取臨界壓力時可達到最大質(zhì)量流量，根據(jù)臨界壓

28、力與初壓的關(guān)系可得：最大質(zhì)量流量為：3-29 解：首先計算入口參數(shù)所以臨界壓力，即被壓為：最大質(zhì)量流量為：由絕熱過程方程可得到出口比容為：所以出口流速為：3-30 解：溫度計測量的是空氣的滯止溫度，所以空氣實際溫度為：3-31 解：如果在噴管中氣體是理想的流動，即為可逆絕熱穩(wěn)定流動，則根據(jù)過程方程，可得到理論出口參數(shù)為：所以理論出口流速為：所以實際出口流速為：所以實際出口溫度為：由理想氣體的狀態(tài)方程可得到：所以噴管中氣體的流量為：3-32 解：滯止溫度分別為： 滯止壓力分別為：第四章思考題1. 循環(huán)的熱效率公式 和 有何區(qū)別？各適用什么場合？ 答：前式適用于各種可逆和不可逆的循環(huán)，后式只適用于

29、可逆的卡諾循環(huán)。2. 循環(huán)輸出凈功愈大，則熱效率愈高；可逆循環(huán)的熱效率都相等；不可逆循環(huán)的熱效率一定小于可逆循環(huán)的熱效率，這些說法是否正確？為什么？答： 不正確，熱效率為輸出凈功和吸熱量的比，因此在相同吸熱量的條件下，循環(huán)輸出的出凈功愈大，則熱效率愈高。不是所有的可逆循環(huán)的熱效率都相等，必須保證相同的條件下。在相同的初態(tài)和終態(tài)下，不可逆循環(huán)的熱效率一定小于可逆循環(huán)的熱效率。3. 熱力學(xué)第二定律可否表述為“機械能可以全部變?yōu)闊崮埽鵁崮懿豢赡苋孔優(yōu)闄C械能”？答： 不對， 必須保證過程結(jié)束后對系統(tǒng)和外界沒有造成任何影響這一條件。否則熱能可以全部變?yōu)闄C械能，比如理想氣體的定溫膨脹過程，系統(tǒng)把從外界

30、吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為機械能，外界雖然沒有任何任何變化，但是系統(tǒng)的體積發(fā)生改變了。4. 下列說法是否正確？為什么？ 熵增大的過程為不可逆過程； 不可逆過程的熵變無法計算； 若工質(zhì)從某一初態(tài)經(jīng)可逆與不可逆途徑到達同一終態(tài)，則不可逆途徑的必大于可逆途徑的； 工質(zhì)經(jīng)歷不可逆循環(huán)后； 自然界的過程都是朝著熵增的方向進行的，因此熵減小的過程不可能實現(xiàn)； 工質(zhì)被加熱熵一定增大，工質(zhì)放熱熵一定減小。 答： （1）不正確，只有孤立系統(tǒng)才可以這樣說；（2）不正確，S為狀態(tài)參數(shù)，和過程無關(guān)，知道初態(tài)和終態(tài)就可以計算；（3）不對，S為狀態(tài)參數(shù)，和過程無關(guān)，相等；（4）不對，工質(zhì)經(jīng)歷可逆和不可逆循環(huán)后都回到初態(tài)，所以熵

31、變?yōu)榱?。?）不對，比如系統(tǒng)的理想氣體的可逆定溫壓縮過程，系統(tǒng)對外放熱，熵減小。（6）工質(zhì)被加熱熵一定增大，但是系統(tǒng)放熱，熵不一定減小。如果是可逆過程，熵才一定減小。5. 若工質(zhì)從同一初態(tài)出發(fā)，分別經(jīng)歷可逆絕熱過程與不可逆絕熱過程膨脹到相同的終壓力，兩過程終態(tài)的熵哪個大？對外作的功哪個大？試用坐標圖進行分析.答：不可逆過程熵大，可逆過程作功大6. 如果工質(zhì)從同一初態(tài)出發(fā)，分別經(jīng)歷可逆定壓過程與不可逆定壓過程，從同一熱源吸收了相同的熱量，工質(zhì)終態(tài)的熵是否相同？為什么？答： 不相同，因為二者對外所作的功不同，而它們從同一熱源吸收了相同的熱量，所以最終二者內(nèi)能的變化不同，故此二者的終態(tài)不同，由于熵是

32、狀態(tài)參數(shù)，它們從同一初態(tài)出發(fā)，故終態(tài)的熵不同。7. 工質(zhì)由初態(tài)經(jīng)過一不可逆絕熱過程膨脹到終態(tài)，問能否通過一個絕熱過程使工質(zhì)回到初態(tài)？答：不能，工質(zhì)由初態(tài)經(jīng)過一不可逆絕熱過程膨脹到終態(tài)，其熵增加，要想使其回到初態(tài)，過程的熵必須減少，而絕熱過程是不能使其熵減少的，故不能通過一個絕熱過程使其回到初態(tài)。8. 系統(tǒng)在某過程中從熱源吸熱20 kJ，對外作功25 kJ，請問能否通過可逆絕過程使系統(tǒng)回到初態(tài)？為什么？能否通過不可逆絕熱過程使系統(tǒng)回到初態(tài)？答：根據(jù)克勞休斯不等式，我們知道系統(tǒng)在過程中的熵變滿足：即：系統(tǒng)的熵增加，要想使系統(tǒng)回到初態(tài)，新的過程必須使系統(tǒng)熵減少，而可逆絕熱過程熵不變，不可逆絕熱過程熵

33、增加，因而不可能通過一個可逆過程或者一個不可逆過程使系統(tǒng)回到初態(tài)。9. 閉口系統(tǒng)經(jīng)歷了一不可逆過程對外作功10 kJ，同時放出熱量5 kJ，問系統(tǒng)的熵變是正、是負還是不能確定？ 答：熵是狀態(tài)參數(shù)，功和熱量都是過程量，所以不能確定系統(tǒng)的熵變。習(xí) 題41 解: 由熱量守恒 由克勞休斯不等式： 它的設(shè)計是不合理的42 解：采用電爐取暖時，當(dāng)采用電動機帶動卡諾熱泵時，4-3 解： （1）熱效率為 （2） 吸熱 放熱 （3）性能系數(shù) 得到 所以 44 解： 對于制冷機 對于熱機45 解：理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，氣體向真空的膨脹過程系統(tǒng)對外不作功，且過程絕熱，系統(tǒng)的內(nèi)能不變，故氣體溫度不變：由得到

34、熱力學(xué)能變化為 熵的變化為4-6 解： （1）氣體熵變?yōu)?熱源熵變?yōu)?總熵變?yōu)?（2）氣體熵變?yōu)?熱源熵變?yōu)?總熵變?yōu)?（3）氣體熵變?yōu)?熱源熵變?yōu)?總熵變?yōu)?47 解： （1）由孤立系統(tǒng)熵增原理： 所以有： （2）總功量為： （3）所以 總熵變?yōu)椋?48 解：選取兩個容器中的氣體為熱力學(xué)系統(tǒng)，過程中系統(tǒng)絕熱且無外功，所以 設(shè)終態(tài)容積分別為, 聯(lián)立求解所以有：左側(cè)氣體熵變：右側(cè)氣體熵變：總熵變?yōu)?49解：把閉口系統(tǒng)和熱源取為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，為孤立系，根據(jù)孤立系統(tǒng)熵增原理：所以該過程是不可能的410 解：（1）根據(jù)穩(wěn)定流動方程，煙氣放熱： （2）Q2取最小時，此過程可逆，取煙氣、工質(zhì)和低溫?zé)嵩?/p>

35、為系統(tǒng)，此系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，孤立系統(tǒng)的可逆過程熵不變 （3）4-11 解：此過程為等容過程，所以取空氣和螺旋槳為研究的系統(tǒng)，此系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，假設(shè)空氣為理想氣體，并假設(shè)螺旋槳為功源，過程中熵不變，此孤立系統(tǒng)的熵變等于熵產(chǎn)，所以有：所以做功能力的損失為： 假設(shè)環(huán)境溫度為20度，所以：4-12 解：根據(jù)溫度流動的過程方程有：所以空氣在壓縮過程中的熵變?yōu)椋核宰龉δ芰Φ膿p失為：4-13 解：混合后的溫度為： 熵變?yōu)椋?4-14 解：依題意： 故制冷機得到的功為： 又 所以4-15 解：（1）根據(jù)穩(wěn)定流動的過程方程可得： （2）進口處 出口處 （3） 所以壓氣機所需的最小有用功為：（4） 作功能力損失為

36、：4-16 解：依題意：所以：4-17 解： （1）冬季 所以 （2）夏季 即 所以 4-18 解：因為 所以該過程為放熱過程4-19 解：根據(jù)熱力學(xué)第一定律有：環(huán)境的熵變?yōu)椋哼x取氣缸中的氣體和環(huán)境為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，此系統(tǒng)為孤立系統(tǒng)，其熵變等于熵產(chǎn)所以：第五章思考題1. 熱水泵必須安裝在熱水容器下面距容器有一定高度的地方，而不能安裝在熱水容器上面，為什么？答：保證其壓力。2. 鍋爐產(chǎn)生的水蒸氣在定溫過程中是否滿足的關(guān)系？為什么？答：不對，因為水蒸氣不能看作是理想氣體，其內(nèi)能不僅是溫度的函數(shù)，還是壓力的函數(shù)，故此定溫過程內(nèi)能是改變的，不等于0。3. 有無0或低于0的蒸汽存在？有無低于0的水存在

37、？為什么？答：有0或低于0的蒸汽存在，只要壓力足夠低就可能，但是沒有低于0的水存在，因為水的三相點溫度為0.01，低于三相點溫度，只可能是固態(tài)或是氣態(tài)。4. 25MPa的水，是否也象1MPa的水那樣經(jīng)歷汽化過程？為什么？答：不可以，因為水的臨界點壓力為22.12MPa，故此，當(dāng)壓力高于臨界壓力時，它的汽化不經(jīng)過氣液兩相區(qū)，而是由液相連續(xù)的到達氣相。5. 適用于任何工質(zhì)的定壓過程。水蒸氣定壓汽化過程中dT = 0，由此得出結(jié)論，水定壓汽化時，此結(jié)論是否正確？為什么？答：不正確，因為定壓汽化過程中發(fā)生了相變，上式只適用于不發(fā)生相變的過程。6. 試解釋濕空氣、濕蒸汽、飽和濕空氣。答：濕空氣：含水蒸汽

38、的空氣；濕蒸汽：含有液態(tài)水的水蒸氣；飽和濕空氣：相對濕度為100的濕空氣。7. 對未飽和濕空氣與飽和濕空氣分別判斷干球溫度、濕球溫度、露點溫度三者的大小。答：未飽和濕空氣：干球溫度>濕球溫度>露點溫度飽和濕空氣： 干球溫度>濕球溫度露點溫度8. 在相同的溫度及壓力下，濕空氣與干空氣相比，那個密度大？答：干空氣的密度大。9. 同一地區(qū)陰雨天的大氣壓力為什么比晴朗天氣的大氣壓力低？答：陰雨天相對濕度高，水蒸氣分壓力大。10. 若兩種濕空氣的總壓力和相對濕度相同，問：溫度高的濕空氣含濕量大還是溫度低的濕空氣含濕量大？為什么？答：由，在相同相對濕度的情況下，溫度高，Ps大，所以，溫度

39、高含濕量大。11. 早晨有霧，為什么往往是好天氣？答：早晨有霧，說明濕空氣中含有許多小水滴，濕空氣為飽和濕空氣，當(dāng)溫度逐漸上升后，小水滴逐漸汽化，所以往往是好天氣。習(xí) 題5-2 解：用水蒸氣表：，所以為濕飽和蒸汽。 查h-s圖得到：53 解：1、查表得： 所以： 2、當(dāng)時，比容仍然為所以為濕飽和蒸汽。 3、 傳出的熱量為： 5-4 解：查表得： 所以： 時， 所以為濕飽和蒸汽。 傳出的熱量為： 5-5 解：查表得到：時1 MPa2 Mpa1.3 MPa(kJ/kg)3157.73137.23151.55(kJ/kg.K)7.30186.95747.1985理想的絕熱過程，熵不變，所以

40、有：,查表得到P2時的參數(shù)：,所以干度為：所以出口乏氣的焓為：根據(jù)穩(wěn)定流動的過程方程，可得：56 解：查表并插值得到：, 吸熱量為： 需要媒量為：57 解：查表得到： 當(dāng)飽和壓力為時， 所以： 查表得到：當(dāng)時 過熱蒸汽在汽輪機中的理想絕熱膨脹過程，熵不變，所以有： 查圖得到：當(dāng)，時， 所以：58 解：查表得到： 當(dāng)飽和壓力為時， 所以： 加熱后為的干飽和蒸汽 吸熱過程為定容過程，所以吸熱量為 所需時間為5-9 解：MPa、的蒸汽處于過熱狀態(tài)，k1.30由臨界壓力比可得： 所以 查圖表并插值得到：理想絕熱過程熵不變，所以有：查表可得： 所以出口速度為：5-10 解： 查表得到：時， 所以：5-1

41、1 解：由查表得到： 加熱過程比濕度不變，沿定d線到，在干燥器中經(jīng)歷的是絕熱加濕過程，其焓值近似不變，沿定h線到， 所以干空氣的流量為 濕空氣的流量為 所消耗的熱量為：5-12 解：由查表得到： 沿定d線到在沿定到得到 析出水量為： 沿定d線到得到 加熱量為：5-13 解：查表知對應(yīng)的飽和壓力為 對應(yīng)的飽和壓力為 所以5-14 解：由查表得到： 加入的水蒸氣的量為： 由及得到：5-15 解：查表知對應(yīng)的飽和壓力為 對應(yīng)的飽和壓力為 所以相對濕度為： 加熱到40oC,絕對濕度不變，查表得到：5-16 解: 由查表得到: , 所以： 當(dāng)冷卻到300C時,比容仍為,此時為濕蒸汽: 查表得: 總傳熱量

42、為 環(huán)境的熵變?yōu)? 蒸汽熵變?yōu)? 金屬球的熵變?yōu)?總熵變?yōu)?第六章思考題1. 試畫出簡單蒸汽動力裝置的系統(tǒng)圖、簡單蒸汽動力循環(huán)的p-v圖與T-s圖。2. 既然利用抽氣回?zé)峥梢蕴岣哒羝麆恿ρb置循環(huán)的熱效率，能否將全部蒸汽抽出來用于回?zé)?？為什么回?zé)崮芴岣邿嵝剩看穑翰捎没責(zé)岽胧?，雖然對每kg蒸汽來說做功量減少，但抽汽在凝結(jié)時所放出的潛熱卻全部得到的利用，進入鍋爐給水溫度提高了，使每kg工質(zhì)在鍋爐中吸收的熱量大為減少，因此，提高了循環(huán)效率。但抽汽量不是越多越好，是根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒的原則確定的。3. 蒸汽動力裝置循環(huán)熱效率不高的原因是冷凝器放熱損失太大，如取消冷凝器而用壓縮機將乏氣直接升壓送回鍋

43、爐是否可以？答：乏氣如果是水汽混合的，則不能進行壓縮。如果全部是氣體進行壓縮，則體積流量太大，需要采用大尺寸的機器設(shè)備，是不利的。4. 卡諾循環(huán)優(yōu)于相同溫度范圍的其它循環(huán)，為什么蒸汽動力循環(huán)不采用卡諾循環(huán)？答：與郎肯循環(huán)相同溫限的卡諾循環(huán)，吸熱過程將在氣態(tài)下進行，事實證明氣態(tài)物質(zhì)實現(xiàn)定溫過程是十分困難的，所以過熱蒸汽卡諾循環(huán)至今沒有被采用。那么，能否利用飽和區(qū)（氣液兩相區(qū)）定溫定壓的特性形成飽和區(qū)的卡諾循環(huán)，從原理上看是可能的，但是實施起來，有兩個關(guān)鍵問題，一是，汽輪機出口位于飽和區(qū)干度不高處，濕度太大使得高速運轉(zhuǎn)的汽輪機不能安全運行，同時不可逆損失增大，其二，這樣的卡諾循環(huán)，壓縮過程將在濕蒸

44、汽區(qū)進行，氣液混和工質(zhì)的壓縮會給泵的設(shè)計和制造帶來難以克服的困難，因此迄今蒸汽動力循環(huán)未采用卡諾循環(huán)。 5. 如果柴油機在使用過程中，噴油嘴保養(yǎng)不好，致使燃油霧化不良，燃燒延遲，問此時柴油機的經(jīng)濟性如何？答：燃燒延遲，沒有充分膨脹便開始排氣，這將使熱效率顯著降低，且排氣冒黑煙，這是很不好的。6. 今有兩個內(nèi)燃機的混合加熱循環(huán)，它們的壓縮比、初態(tài)、總的加熱量相同，但兩者的定容升壓比不同，（1）請在p-v圖與T-s圖上表示出這兩個循環(huán)的相對位置；（2）利用T-s圖定性地比較這兩個循環(huán)的熱效率。7. 燃氣輪機裝置循環(huán)與內(nèi)燃機循環(huán)相比有何優(yōu)點？為什么前者的熱效率低于后者？答：燃氣輪機與內(nèi)燃機相比，沒有

45、往復(fù)運動機構(gòu)，可以采用很高的轉(zhuǎn)速，并且可以連續(xù)進氣，因而可以制成大功率的動力裝置。但要保持燃氣輪機長期安全運行，必須限制燃氣進燃氣輪機時的最高溫度，目前為700800°C，所以效率比較低。8. 試述動力循環(huán)的共同特點。答：有工質(zhì)在高溫?zé)嵩次鼰?，在低溫?zé)嵩捶艧幔ν廨敵龉?。?xí)題6-1 解：1點：P1=4MPa, t1=400°C查表得：h1=3215.71kJ/kg, s1=6.773kJ/(kg.K) 2點：s2=s1=6.773kJ/(kg.K), P2=4KPa 查表得：h2=2040.13kJ/kg, x =0.7893(4)點：由P3=P2=4KPa 查表得：h3

46、=121.29kJ/kg 吸熱量：q1=h1-h3=3215.71121.29=3094.42kJ/kg 凈功量：wnet=h1-h2=3215.712040.13=1175.58kJ/kg熱效率：h=37.99% 干度：x=0.7891點：由P1=4MPa, t1=550°C 查表得：h1=3558.58kJ/kg, s1=7.233kJ/(kg.K) 2點：由s2=s1=7.233kJ/(kg.K), P2=4kPa 查表得：h2=2179.11kJ/kg, x=0.846 3(4)點：由P3=4kPa, 查表得: h3=121.29kJ/kg 吸熱量：q1=h1h3=3558.

47、58121.29=3437.29kJ/kg 凈功量：wnet=h1h2=3558.58-2179.11=1379.47kJ/kg 熱效率：h=40.13%干度：x=0.846 6-2 解： 1點：由P1=13MPa, t1=535°C 得：h1=3430.18kJ/kg, s1=6.559kJ/(kg.K)5點：由s5=s1=6.559kJ/(kg.K), 得：P5=1.082MPa ，h5=2779.07kJ/kg點：由 得：2點：由 ， P2=7KPa 得：h2=2430.67kJ/kg，x2=0.9413(4)點：由P3=P2 得：h3=163.38kJ/kg 吸熱量：凈功量：

48、熱效率： 6-3 解： 1點：由P1=6MPa, t1=560°C 得：h1=3562.68kJ/kg, s1=7.057kJ/(kg.K)2點：由s2=s1, P2=6kPa 得：h2=2173.35kJ/kg, x=0.83693(4)點：由P3=P2 得：h3=151.5kJ/kg 吸熱量：q1=h1h3=3562.68151.5=3411.18kJ/kg凈功量：wnet=h1-h2=3562.68-2173.35=1389.33kJ/kg熱效率：6-4 解： 1點：由P1=10MPa, t1=400°C 得：h1=3099.93kJ/kg, s1=6.218kJ/(

49、kg.K)a點：由sa=s1, Pa=2MPa 得：ha=2739.62kJ/kg2點：由s2=sa,P2=0.05MPa 得：h2=2157.95kJ/kg, x=0.7883(4)點：由P3=P2 得：h3=340.58kJ/kg 5(6)點：由P5=Pa 得：h5=908.57kJ/kg 抽汽量： 熱效率： 軸功：ws=(h1-h5) h=(3099.93-908.57) 0.3671=804.45kJ/kg6-5 解：（1）循環(huán)熱效率為：（2）1到2為可逆絕熱過程，所以有：2到3為定容吸熱過程，所以有：3到5為可逆絕熱過程，又因為： 所以有：放熱過程為定壓過程，所以循環(huán)的放熱量為： 所以循環(huán)的熱效率為：之所以不采用此循環(huán)，是因為實現(xiàn)氣體定容放熱過程較難。6-6 解: (1)k=1.4循環(huán)熱效率為：壓縮過程為可逆絕熱過程，所以有：(2)k=1.3 循環(huán)熱效率為：壓縮過程為可逆絕熱過程，所以有： 6-7 解: 循環(huán)熱效率為：每kg空氣對外所作的功為：所以輸出功率為：6-8 解:1到2為可逆絕熱過程