工程熱力學(xué)課后思考題答案-第四版-沈維道-童鈞耕

1不對，絕熱系的絕熱是指熱能單獨(dú)通過系統(tǒng)邊界進(jìn)行傳遞(傳熱量)，隨物質(zhì)進(jìn)出的熱能(準(zhǔn)確地說是熱力學(xué)能)不在其中。p=p+p(p>p),p=p-p(p<p)bgbbvb中，當(dāng)?shù)卮髿鈮菏欠癖囟ㄊ黔h(huán)境大氣p壓bpbpb當(dāng)?shù)卮髿鈮簆改變，壓力表讀數(shù)bpbp=p+2g215．溫度計(jì)測溫的基本原理是什么zerothlawofustomeasurep=p+p1g1btomeasuretemperatureofbodyA,4題圖wecomparebodyC—athermometer—withbodyAandtemperaturescales(溫度的標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo))separately.Whentheyareinthermalequilibrium,theyhavethesametemperature.ThenwecanknowthetemperatureofbodyAwithtemperaturescalemarkedon參加公路自行車賽的運(yùn)動員是開口系統(tǒng)、運(yùn)動手槍中的壓縮空氣是閉口絕熱系統(tǒng)、杯子里的熱水是開口系統(tǒng)(閉口系統(tǒng)——忽略蒸發(fā)時(shí))、正在運(yùn)行的電視機(jī)是閉口系統(tǒng)。1pp熱水傳熱傳熱冷水冷水a(chǎn)b不包括電加熱器為開口(不絕熱)系統(tǒng)(a圖)。包括電加熱器則為開口絕熱系統(tǒng)(b圖)。將能量傳遞和質(zhì)量傳遞(冷水源、熱水匯、熱源、電源等)全部包括在內(nèi)，構(gòu)成孤立系統(tǒng)?；蛘哒f，孤10．分析汽車動力系統(tǒng)(圖1-21)與外界的質(zhì)能交換情況。吸入空氣，排出煙氣，輸出動力(機(jī)械能)以克服阻力，發(fā)動機(jī)水箱還要大量散熱。不考慮燃燒時(shí)，減少。11．經(jīng)歷一個(gè)不可逆過程后，系統(tǒng)能否恢復(fù)原來狀態(tài)包括系統(tǒng)和外界的整個(gè)系統(tǒng)能否恢復(fù)原來狀態(tài)經(jīng)歷一個(gè)不可逆過程后，系統(tǒng)可以恢復(fù)原來狀態(tài)，它將導(dǎo)致外界發(fā)生變化。包括系統(tǒng)和外界的整個(gè)大。(1)突然抽去隔板，氣體(系統(tǒng))是否作功(2)設(shè)真空部分裝有許多隔板，逐個(gè)抽去隔板，復(fù)平衡在抽下一塊，則又如何(3)上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài)，其過程是每抽一塊板讓氣體先恢1b14．系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆正向循環(huán)和其逆向可逆循環(huán)14．系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆正向循環(huán)和其逆向可逆循環(huán)后，系統(tǒng)和外界有什么變化若上述正向循環(huán)及逆向循環(huán)中有不可逆因素，則系統(tǒng)及外界有什么變化系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆正向循環(huán)和其逆向可逆循環(huán)后，系統(tǒng)和外界沒有變化。若上述正向循環(huán)及逆向循環(huán)中，則系統(tǒng)恢復(fù)原來狀態(tài)，外界則留下了變化(外界的熵增加)。15．工質(zhì)及氣缸、活塞組成的系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)后，系統(tǒng)輸出功中是否要減去活塞排斥大氣功才是有用功1不是。熱力學(xué)能是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，是工質(zhì)的性質(zhì)，是工質(zhì)內(nèi)部儲存能量，是與狀態(tài)變化過程無關(guān)的物理量。熱量是工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通過系統(tǒng)邊界傳遞的熱能，其大小與變化過程有關(guān)，熱量不是狀態(tài)參存能在以氫、氧為燃料的電池系統(tǒng)中系統(tǒng)的熱力學(xué)能是否應(yīng)包括氫和氧的化學(xué)能無論參考坐標(biāo)建立在何處，工質(zhì)的總能中始終包括外部儲存能，只不過參考坐標(biāo)建立合適，工質(zhì)的宏由基本能量方程式得出功、熱量和熱力學(xué)能是相同性質(zhì)的參數(shù)的結(jié)論quw隔板經(jīng)內(nèi)部摩擦耗散為熱能被氣體重新吸收，熱力學(xué)能增加，最終ABu=0。5．熱力學(xué)第一定律的能量方程式是否可寫成下列形式為什么qquuww膨脹21211推動功的定義為，工質(zhì)在流動時(shí)，推動它下游工質(zhì)時(shí)所作的功。開口系工質(zhì)流動，而閉口系工質(zhì)不流口系能量方程式中。我個(gè)人認(rèn)為推動功應(yīng)該定義為由于工質(zhì)在一定狀態(tài)下占有一定空間所具有的能量，它是工質(zhì)本身所固有的性質(zhì)，是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。推動功既可以出現(xiàn)在開口系能量方程中，也可以出現(xiàn)在閉口系能量方程式中 t8．焓是工質(zhì)流入(或流出)開口系時(shí)傳遞入(或傳遞出)系統(tǒng)的總能量，那么閉口系工質(zhì)有沒有焓值案是，作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，閉口系工質(zhì)也有焓值，但是由于工質(zhì)不流動，所以其焓值推動功推動功的定義為，工質(zhì)在流動時(shí)，推動它下游工質(zhì)時(shí)所作的功。下游無工質(zhì)，故不需要推動功。利用10．穩(wěn)定流動能量方程式(2-21)是否可應(yīng)用于像活塞式壓氣機(jī)這樣的機(jī)械穩(wěn)定工況運(yùn)行的能量分析為什么可以。熱力系統(tǒng)的選取有很大的自由度。一般把活塞式壓氣機(jī)取為閉口系統(tǒng)，是考察其一個(gè)沖程內(nèi)的11．為什么穩(wěn)定流動開口系內(nèi)不同部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能、比焓、比熵等都會改變，而整個(gè)系統(tǒng)的U=0、CVCVCV的狀態(tài)參數(shù)都不發(fā)生變化，所以U=0、H=0、S=0。穩(wěn)定流動開口系內(nèi)不同部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能、CVCVCV僅是依坐標(biāo)的改變。12．開口系實(shí)施穩(wěn)定流動過程，是否同時(shí)滿足下列三式：Q=dU+WQ=dH+Wtt2fitit2fitit2fit2fiq1qm1331q1qm333323qm2p,T222出能量方程式并導(dǎo)出出口截面上焓值h的計(jì)算式。3進(jìn)入系統(tǒng)的能量：q帶入的和q帶入的。沒有熱量輸入。m1m2q(h+c2/2+gz)+q(h+c2/2+gz)m11f11m22f22離開系統(tǒng)的能量：q帶出的，沒有機(jī)械能(軸功)輸出。m3q(h+c2/2+gz)m33f33qm1qh1+qm2h=hq=h3出口截面上焓值h的計(jì)算式3h(qh)/q2h(qh)/q2m33=m13q3m333q3qm1Tp,Tp1112qm2p,T222本題中，如果流體反向流動就是分流問題，分流與合流問題的能量方程式是一樣的，一般習(xí)慣前后反過來qm1qhq1=m2hqm3h3氣體是實(shí)際氣體的壓力趨近于零時(shí)極限狀況。還可以討論什么情況下，把氣體按照理想氣體處理，這已經(jīng)1是后一個(gè)問題了。后一個(gè)問題，當(dāng)氣體距離液態(tài)比較遠(yuǎn)時(shí)(此時(shí)分子間的距離相對于分子的大小非常大)，理想氣體。理想氣體是實(shí)際氣體在低壓高溫時(shí)的抽象。2．氣體的摩爾體積V是否因氣體的種類而異是否因所處狀態(tài)不同而異任何氣體在任意狀態(tài)下摩爾體積是m氣體的摩爾體積V不因氣體的種類而異。所處狀態(tài)發(fā)生變化，氣體的摩爾體積也隨之發(fā)生變化。任何mpvRT的函數(shù)嗎g5．對于確定的一種理想氣體，c–c是否等于定值c/c是否為定值c–c、c/c是否隨溫度變化pvpvpvpvc–c=R，等于定值，不隨溫度變化。c/c不是定值，將隨溫度發(fā)生變化。pvgpvpvg體的熱力學(xué)能(或焓)只取決于溫度，這兩點(diǎn)是否矛盾為什么不矛盾。pv=RT。熱力學(xué)能(或焓)與溫度已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，他們都可以表示為獨(dú)立參數(shù)p和g所以可以任選工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)。所有情況下工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)都可對零度(0K)，但是目前物理學(xué)研究成果表明，即使絕對零度，工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵也不準(zhǔn)確為零，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(p=101325Pa，T=)。(p=101325Pa，T=)、(p=101325Pa，T=)，水的三相點(diǎn)，等等。100T2TUp=0pp12v11．理想氣體熵變計(jì)算式(3-39)、(3-41)、(3-43)等是由可逆過程導(dǎo)出，這些計(jì)算式是否可以用于不可過程初、終態(tài)的熵變?yōu)槭裁刺?1)正確；(2)不正確；(3)不正確；(4)正確；(5)正確。14．氮、氧、氨這樣的工質(zhì)是否和水一樣也有飽和狀態(tài)的概念，也存在臨界狀態(tài)15．水的三相點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)是不是唯一確定的三相點(diǎn)與臨界點(diǎn)有什么差異水的三相點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)是唯一確定的，這一點(diǎn)由吉布斯相律確認(rèn)：對于多元(如k個(gè)組元)多相(如的16．水的汽化潛熱是否是常數(shù)有什么變化規(guī)律。1vv不對。u=cT是對單相理想氣體而言的。水既不是理想氣體，汽化又不是單相變化，所以q=w的結(jié)vdTppT1遍適用于一切工質(zhì)的。進(jìn)而推論得出水定壓汽化時(shí)，溫度不變，因此其焓變量h=cT2T=0。這一推ppT1dT律及影響轉(zhuǎn)化的因素。在一定工質(zhì)熱力性質(zhì)的基本條件下，研究外界條件對能量轉(zhuǎn)換的影響，從而加以利1)建立過程方程式；、熱力學(xué)能、焓、熵、傳熱量等等)；2．對于理想氣體的任何一種過程，下列兩組公式是否都適用v21p21v21p21第一組都適用，第二組不適用。第二組第一式只適用于定容過程，第二式只適用于定壓過程。溫度不變，在定溫膨脹過程中是否需要對氣體加入熱量如果加入的話應(yīng)如何計(jì)算114．過程熱量q和過程功w都是過程量，都和過程的途徑有關(guān)。由理想氣體可逆定溫過程熱量公式q=11v1121112t12于理想氣體是否只限于可逆絕熱過程為什么兩式來源于熱力學(xué)第一定律的第一表達(dá)式和第二表達(dá)式，唯一條件就是絕熱q=0，與是否理想氣體無(1)定容過程即無膨脹(或壓縮)功的過程；答：(1)定容過程即無膨脹(或壓縮)功的過程；不可逆絕熱過程不是定熵過程。過程。1-2-31-4-3p2p23證明：q=q+q，q=q+q31-2-31-22-31-4-31-44-31-2v2114Ov14Ov2-3p32v32324-3v341-4p41v41411-2-31-22-3v21v3232v3132qqqcTTRTTcT–T)1-4-31-44-3v4141v34v31411-2-31-4-33241pppp=R[(T2–T41p41p41p11所以，qq，證畢。1-2-31-4-3絕熱過程是定熵過程，中的過程就不是多變1uubcbcabacpbpbTbTccvacvOcvacvOO10．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(dá)式和第二表達(dá)式來看，膨脹功和技術(shù)功分別等于w=q–10．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tkk1221111221122tpp0通過過程的起點(diǎn)劃等壓線(定壓線)，過程指向定壓線下側(cè)，系統(tǒng)對外輸出技術(shù)功，w>0；過程指向定tt1pv,n→p,n=0As,vTs,n=kv,n→pn=0T,n=1As4-14試以可逆絕熱過程為例，說明水蒸氣的熱力過程與理想氣體的熱力過程的分析計(jì)算有什么異同相同點(diǎn)：都是首先確定起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，然后在計(jì)算過程的作功量等數(shù)據(jù)。計(jì)算過程中，始終要不同點(diǎn)：理想氣體的計(jì)算是依靠理想氣體狀態(tài)方程以及功和熱量的積分計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，而水蒸氣是4-15實(shí)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(shí)際過程的近似和抽象，實(shí)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(shí)際過程進(jìn)行適當(dāng)修正，可以了解實(shí)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答：理想氣體進(jìn)行定溫膨脹時(shí)，壓力不斷降低，體積越來越大。當(dāng)壓力低到外界壓力時(shí)，就不能再繼無矛盾。程)WEQ2QQ02TWEQ2QQ02T2QTQWEQR說法不成立，則開爾文說法也不成立。等效性。TT12TT2如圖4–1所示，某循環(huán)發(fā)動機(jī)E自高溫?zé)嵩碩吸熱Q，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能W，其余部分110Q=Q–W排向低溫?zé)嵩碩，如果可以違反克勞修斯說法，即熱量Q可以不花代價(jià)地自低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)?1022源，如圖中虛線所示那樣，則總的結(jié)果為高溫?zé)嵩词崮?Q–Q)，循環(huán)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生了相應(yīng)的機(jī)械能W，120而低溫?zé)嵩床o變化，相當(dāng)于一臺從單一熱源吸熱而作功的循環(huán)發(fā)動機(jī)。所以，違反克勞修斯說法必然違反開爾文說法，類似地，違反開爾文說法也必然違反克勞修斯說法，兩種說法完全等價(jià)(圖4-2)。5-6下列說法是否有錯誤：(1)循環(huán)凈功W愈大則循環(huán)熱效率愈高；(2)不可逆循環(huán)熱效率一定小于可逆netT循環(huán)熱效率；(3)可逆循環(huán)熱效率都相等，n=1一2。tT1(1)錯。(2)錯。應(yīng)當(dāng)是在同樣的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g。否則沒有比較基礎(chǔ)。(3)錯。應(yīng)當(dāng)是在同樣的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g。否則沒有比較基礎(chǔ)。5-7循環(huán)熱效率公式：n=12和n=12是否完全相同各適用于哪些場合tqtT15-8下述說法是否正確：(1)熵增大的過程必定為吸熱過程；(2)熵減小的過程必為放熱過程；(3)定熵過熵產(chǎn)S>0的過程必為不可逆過程。g(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(shí)(亦即當(dāng)放熱量大產(chǎn)生的熱量時(shí))，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(shí)(亦即當(dāng)放熱量等于不可逆vs1s2p(4)錯?？赡嫖鼰徇^程熵增大。說：“使孤立系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程?！?6)對。SS>不可逆S，S可逆S>f，不可逆S，Sf，可逆S>g，不可逆S；(3)不可逆絕g，可逆熱膨脹終態(tài)熵大于初態(tài)熵S>S，不可逆絕熱壓縮終態(tài)熵小于初態(tài)熵S<S;(4)工質(zhì)經(jīng)過不可逆循環(huán)2121Tr(1)錯。熵是狀態(tài)參數(shù)，只要能夠確定起迄點(diǎn)，就可以確定熵變S。(2)錯。應(yīng)為S=S、S<S、S>S。因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)，同一初始狀態(tài)和同一不可逆可逆f，不可逆f，可逆g，不可逆g，可逆21ppbac0v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圖5–34TT對外輸出凈功。也就是，q>q。a-ba-ca-bbaa-cbaa5-11某種理想氣體由同一初態(tài)經(jīng)可逆絕熱壓縮和ababppT1ppTTp22111a以及可逆絕熱線即定q>q，才能a-bc-a過s程，并總能、總熵、總火用各如何變化(2)孤立系統(tǒng)中進(jìn)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?dú)庥伞?10K可逆定溫膨脹變化到、310K，w=w=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(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(4)系統(tǒng)的火用只能減少不能增加。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=u–u?？紤]排斥大氣作功，有用功為w=12u12012w=e–e=u–u–T(s–s)–p(v–v)。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u,maxx,U1xU2120120125-1=1==21Q=tQ21t=N=W/95%=Q/)=104/=h=1tN=Q=104kJ/h=電爐1p=p=,T=T=300K,T=T=1000K,q=400kJ/kg,21413223q=c(T-T)=(1000-300)=kg12p21q=c(T-T)=(300-1000)=kg34p432322341141132123q=-Tq/T=-300400/1000=-120kJ/kg4112321223t=1-q41+q34/(q+q)=1-/1223采用極限回?zé)?，過程34放熱回?zé)峤o過程12，qq3412r=1-q4123r=1-q4123-120/400=5-3如圖所示，如果兩條絕熱線可以相交，則令絕熱線s、s5-3如圖所示，如果兩條絕熱線可以相交，則令絕熱線s、s交于a1212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(jī)械能的熱力發(fā)動機(jī)循環(huán)，是違反熱力學(xué)第二定律的。qppbcs2a1vk=2331p13=2331p1312T2232=1-t32sq2p27.9523=1-1=1-q31kR(T-T)1.4(1500-300)k1.4-1=5-5(1)Q='W='Q=100=140kJHnett1T2901'=H==cT-T360-290H0Q='W='Q=100=H,ccnet,ccc110到較高溫?zé)嵩碩，因此并不違背熱力學(xué)第二定律。HT3005-6=1-2=11c1QQWc1211,cnetc1net21,c1.實(shí)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件下才可以把實(shí)際氣體作理想氣體處理體。實(shí)際情況是當(dāng)實(shí)際氣體距離其液態(tài)較遠(yuǎn)時(shí)，分子體積與分子間作用力的影響很小，可以把實(shí)際氣體當(dāng)3.范德瓦爾方程的精度不高，但是在實(shí)際氣體狀態(tài)方程的研究中范德瓦爾方程的地位卻很高，為什么定性地描述了實(shí)際氣體的基本特征；其它半理論半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)方程都是沿范德瓦爾方程前進(jìn)的。Tpvcrcrcr5.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(jì)算，為什么維里方程沒有得到廣泛應(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)v質(zhì)以外，還有哪些共性如何在確定實(shí)際氣體的狀態(tài)方程時(shí)應(yīng)用這些共性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論熱力學(xué)的人(物理學(xué)家們)根本不拿火用當(dāng)回事。答：某些狀態(tài)參數(shù)表示成特定的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)的函數(shù)時(shí)，只需一個(gè)狀態(tài)參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的其它參10.常用的熱系數(shù)有哪些是否有共性答：熱系數(shù)由基本狀態(tài)參數(shù)p、v、T構(gòu)成，可以直接通過實(shí)驗(yàn)確定其數(shù)值。量轉(zhuǎn)換關(guān)系。例如，當(dāng)計(jì)算單位質(zhì)量氣體由參考狀態(tài)p、T變到某一其它狀態(tài)p、T后焓的變化時(shí)，可利用00中。pb(p,T)p=const.A(p,0對于圖(5-)中由線0aA所描述的過程組合，將式(5-45)先在等壓p0下由T0積分T0=T=const.00pTTT將上兩式相加，就可得到：對于0bA的過程組合，將式(5-45)先在等溫T下由p積分到p，隨后在等壓p下由T積分到T，由這000式(5-47)需要在p壓力下特定溫度范圍內(nèi)的c數(shù)據(jù)，而式(5-48)則需要較高壓力p時(shí)的c數(shù)據(jù)。由于比熱0pp13.本章導(dǎo)出的關(guān)于熱力學(xué)能、焓、熵的一般關(guān)系式是否可用于不可逆過程答：由于熱力學(xué)能、焓、熵都是狀態(tài)參數(shù)，其變化與過程無關(guān)，所以其結(jié)果也可以用于不可逆過程。cpvv32m3/kg。pv(8T)(8v)pTJ(kgK)15.水的相圖和一般物質(zhì)的相圖區(qū)別在哪里為什么答：一般物質(zhì)的相圖中，液固平衡曲線的斜率為正值，壓力越高，平衡溫度(相變溫度)越高。水的相圖中，液固平衡曲線的斜率為負(fù)值，導(dǎo)致壓力越高，平衡溫度(相變溫度)越低。16.平衡的一般判據(jù)是什么討論自由能判據(jù)、自由焓判據(jù)和熵判據(jù)的關(guān)系。答：孤立系統(tǒng)熵增原理給出了熱力學(xué)平衡的一般判據(jù)，即熵判據(jù)。孤立系統(tǒng)中過程進(jìn)行的方向是使熵下去，孤立系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。在等溫定壓條件下，熵判據(jù)退化為吉布斯自由能(自由焓)判據(jù)：系統(tǒng)的自發(fā)過程朝著使吉布斯自由能減小的方向進(jìn)行；等溫定容條件下，熵判據(jù)退化為亥姆霍茲自由能(自由能)判據(jù)：系統(tǒng)的自發(fā)過程朝。度起主要作用的是通道的形狀還是氣流本身的狀態(tài)變化成為主要作用方面。Ac答：q=f=constantmv在日常生活中