工程热力学课后思考题答案第四版沈维道童钧耕主编高等教育出版社

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1、工程戒力学谯后凰考题答案M四版沈錐道就恂雑生缩髙等教育出版社30页思考题1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒 定的热力系一定是闭口系统吗？不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。2 .有人认为开口系统内系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割， 所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界进行传递(传热量)，随 物质进出的热能(准确地说是热力学能)不在其中。3 .平衡状态与稳定状态有何区别和联系？平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。4 .倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会

2、改变吗？绝对压力计算公式P=Pb+pg( PPb), p=pb- pv( pvpb)中，当地大气压是否必 当地大气压pb改 地大气压pb不一定是 5.温度计测温的基本 热力学第零定律4题图Pb定是环境大气压？变，压力表读数就会改变。当 环境大气压。原理是什么？Thezerothlawofthermod yn amicse nablesustomeasuretemperature .Inord ertomeasuretemperatureofbodyA,wecomparebodyC athermometer withbod yAandtemperaturescales （温度的标尺，简称温 标）

3、separately.Whe ntheyarei nthermalequilibrium,theyhavethesametemper ature.The nweca nkno wthetemperatureofbodyAwithtemperaturescalemarkedo n thermometer.6. 经验温标的缺点是什么？为什么？不同测温物质的测温结果有较大的误差，因为测温结果依赖于测温物质的 性质。7 .促使系统状态变化的原因是什么？举例说明。有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。&分别以图1-20所示的参加公路自行车赛的运动员、运动手枪中的压缩空气、杯子里的热水和正在运

4、行的电视机为研究对象，说明这些是什么系统。参加公路自行车赛的运动员是开口系统、运动手枪中的压缩空气是闭口绝 热系统、杯子里的热水是开口系统（闭口系统忽略蒸发时）、正在运行的 电视机是闭口系统。9 .家用电热水器是利用电加热水的家用设备，通常其表面散热可忽略。取正9题图在使用的家用电热水器为控制体（但不包括电加热器），这是什么系统？把电 加热器包括在研究对象内，这是什么系统？什么情况下能构成孤立系统？不包括电加热器为开口（不绝热）系统（ a图）。包括电加热器则为开口绝热系统（b图）将能量传递和质量传递（冷水源、热水汇、热源、电源等）全部包括在内， 构成孤立系统。或者说，孤立系统把所有发生相互作用

5、的部分均包括在内。10. 分析汽车动力系统（图1-21 ）与外界的质能交换情况。吸入空气，排出烟气，输出动力（机械能）以克服阻力，发动机水箱还要大量散热。不考虑燃烧时，燃料燃烧是热源，燃气工质吸热；系统包括燃烧时， 油料发生减少。11. 经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态?经历一个不可逆过程后，导致外界发生变化。包括系统复原来状态。12.图1-22中容器为刚性绝真空系统可以恢复原来状态，它将和外界的整个大系统不能恢装气体，一部分抽成真空，中（1）突然抽去隔板，气体（系（2）设真空部分装有许多隔 板让气体先恢复平衡在抽下热容器，分成两部分，一部分

6、间是隔板，统）是否作功？板，逐个抽去隔板，每抽一块一块，则又如何?（3）上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在p-v图上表示?13. 过程1a2是可逆过程，过程1b2是不可逆过程。有人说过程 1a2对外作功 大于过程1b2,你是否同意他的说法？为什么？不同意。过程1a2的作功量是确定的，而过程 1b2的作功量不确定，因而无法比较。14. 系统经历一可逆正向循环和其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化?若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？系统经历一可逆正向循环和其逆向可逆循环后，系统和外界没有变化。若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统恢复原来状态，外

7、界则留下 了变化（外界的熵增加）。15. 工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出功中是否要减去活塞排 斥大气功才是有用功？不需要。56页眾弯题1. 热力学能就是热量吗？不是。热力学能是工质的状态参数， 是工质的性质，是工质内部储存能量， 是与状态变化过程无关的物理量。热量是工质状态发生变化时通过系统边界传 递的热能，其大小与变化过程有关，热量不是状态参数。2 .若在研究飞机发动机中工质的能量转换规律时把参考坐标建在飞机上，工 质的总能中是否包括外部储存能？在以氢、氧为燃料的电池系统中系统的热力 学能是否应包括氢和氧的化学能？无论参考坐标建立在何处，工质的总能中始终包括外部储存能，只不过参

8、考坐标建立合适，工质的宏观动能、宏观势能的值等于零，便于计算。氢氧燃料电池中化学能变化是主要的能量变化，因而不可忽略。3.能否由基本能量方程式得出功、 热量和热力学能是相同性质的参数的结论？q= u+ w不能。基本能量方程式仅仅说明且充分说明功、热量和热力学能都是能量，都是能量存在的一种形式， 在能量的数量上它们是有等价关系的。而不涉及功、热量和热力学能的其他学能的其他属性与能量4 .一刚性容器，中间用隔板属性，也表明功、热量和热力本质无关。绝热隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-12所示。若将隔板抽去，分析容器中空气 的热力学能将如何变化？若在隔板上有一小孔，气体泄漏入B

9、中，分析A、B两部分压力相同时 A、B两部分气体热力学能如何变化？q=:u+ wq=0, :u为负值(u减少)，转化为气体的动能，动能在B中经内部摩擦耗散为热能被气体重新吸收，热力学能增加，最终：u=0。5. 热力学第一定律的能量方程式是否可写成下列形式？为什么？q=:u+pvq2-q i=(u2-u i)+(W2-wi)不可以。w不可能等于pv, w是过程量，pv则是状态参数。q和w都是过程量， 所以不会有 q2-q i和口 w2-wi。6. 热力学第一定律解析式有时写成下列两者形式：q= u+ wq= u+ 2 pdv分别讨论上述两式的适用范围。前者适用于任意系统、任意工质和任意过程。后者

10、适用于任意系统、任意工质和可逆过程。7. 为什么推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程式中？推动功的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。开口系工 质流动，而闭口系工质不流动，所以推动功出现在开口系能量方程中，而不出 现在闭口系能量方程式中。我个人认为推动功应该定义为由于工质在一定状态下占有一定空间所具 有的能量，它是工质本身所固有的性质，是一个状态参数。推动功既可以出现在开口系能量方程中，也可以出现在闭口系能量方程式中（需要把w拆开，w=w + :（pv）。占位能&焓是工质流入（或流出）开口系时传递入（或传递出）系统的总能量，那 么闭口系工质有没有焓值？比较正规的答

11、案是，作为工质的状态参数，闭口系工质也有焓值，但是由 于工质不流动，所以其焓值没有什么意义。焓=热力学能+占位能9 .气体流入真空容器，是否需要推动功？推动功的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。下游无工 质，故不需要推动功。利用开口系统的一般能量方程式推导的最终结果也是如 此。10. 稳定流动能量方程式（2-21 ）是否可应用于像活塞式压气机这样的机械稳 定工况运行的能量分析？为什么？可以。热力系统的选取有很大的自由度。一般把活塞式压气机取为闭口系 统，是考察其一个冲程内的热力变化过程。如果考虑一段时间内活塞式压气机 的工作状况和能量转换情况，就需要把它当成稳定流动系统处理，包括

12、进排气 都认为是连续的。11. 为什么稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等都会 改变，而整个系统的：UC=0、：H=0、Scx=0?控制体的：UCv=0、：HCv=0、Scv=0是指过程进行时间前后的变化值，稳定流 动系统在不同时间内各点的状态参数都不发生变化，所以UCv=0、HCv=0、Scv=0稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等的改变仅仅是依 坐标的改变。12. 开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：Q=dU+W ：Q=dH+W：Q=dH+d c2 +mgdz+W2上述三式中，w w和w的相互关系是什么？答：都满足。：W=d(pV)+：W=d(

13、pV)+mdc2 +mgdz+W:W=mdc2 +mgdz+：W213. 几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-13所示。工程上几台压气机同时向主气道送气以及混合式换热器等都有合流的问题。通常合流过程都是绝热 的。取1-1、2-2和3-3截面之间的空间为控制体积，列出能量方程式并导出 出口截面上焓值h3的计算式。进入系统的能量-离开系统的能量=系统贮存能量的变化系统贮存能量的变化：不变。进入系统的能量:离开系统的能量:qm1带入的和qm2带入的。没有热量输入。2 2qm1 (h1+Cf1 /2+gz 1) +qm2 ( h2+Cf2 /2+gz 2)qm3带出的，没有机械能(轴功)输出。2q

14、m3 (h3+Cf3 /2+gz 3)如果合流前后流速变化不太大，且势能变化一般可以忽略，则能量方程为:qm1：hl+qm2：h2=qm3：h3出口截面上焓值h3的计算式h3= ( qmihi+qm 2*2)/q m3本题中，如果流体反向流动就是分流问题，分流与合流问题的能量方程式是一 样的，一般习惯前后反过来写。qm1：h仁qm2：h2+qm3：h393页强考題1. 怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算时如何决定是否可 采用理想气体的一些公式？第一个问题很含混，关于“理想气体”可以说很多。可以说理想气体的定 义：理想气体，是一种假想的实际上不存在的气体，其分子是一些弹性的、不 占

15、体积的质点，分子间无相互作用力。也可以说，理想气体是实际气体的压力 趋近于零时极限状况。还可以讨论什么情况下，把气体按照理想气体处理，这 已经是后一个问题了。后一个问题，当气体距离液态比较远时(此时分子间的 距离相对于分子的大小非常大)，气体的性质与理想气体相去不远，可以当作 理想气体。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。2. 气体的摩尔体积vm是否因气体的种类而异？是否因所处状态不同而异？任何气体在任意状态下摩尔体积是否都是0.022414m3/mol ？气体的摩尔体积Vm不因气体的种类而异。所处状态发生变化，气体的摩尔体积也随之发生变化。任何气体在标准状态（p=101325Pa，T=27

16、3.15K ）下摩 尔体积是 0.022414m3/mol 。在其它状态下，摩尔体积将发生变化。3 .摩尔气体常数R值是否随气体的种类而不同或状态不同而异？摩尔气体常数R是基本物理常数，它与气体的种类、状态等均无关。4 .如果某种工质的状态方程式为 pv=RT,这种工质的比热容、热力学能、焓 都仅仅是温度的函数吗？是的。5. 对于确定的一种理想气体，Cp - Cv是否等于定值？ Cp/c v是否为定值？ Cp - c cp/c v 是否随温度变化？Cp - Cv=Rg，等于定值，不随温度变化。Cp/Cv不是定值，将随温度发生变化。6. 迈耶公式Cp- Cv=R是否适用于动力工程中应用的高压水蒸

17、气？是否适用于 地球大气中的水蒸气？不适用于前者，一定条件下近似地适用于后者。7. 气体有两个独立的参数，u （或h）可以表示为p和v的函数，即u=f（p,v） 但又曾得出结论，理想气体的热力学能（或焓）只取决于温度，这两点是否矛 盾？为什么？不矛盾。pv=RT。热力学能（或焓）与温度已经相当于一个状态参数，他 们都可以表示为独立参数 p和v的函数。8为什么工质的热力学能、焓和熵为零的基准可以任选，所有情况下工质的 热力学能、焓和熵为零的基准都可以任选？理想气体的热力学能或焓的参照状 态通常选定哪个或哪些个状态参数值？对理想气体的熵又如何？我们经常关注的是工质的热力学能、焓和熵的变化量，热力学

18、能、焓和熵 的绝对量对变化量没有影响，所以可以任选工质的热力学能、焓和熵为零的基准。所有情况下工质的热力学能、 焓和熵为零的基准都可以任选？不那么绝对， 但是在工程热力学范围内，可以这么说。工质的热力学能、焓和熵的绝对零点 均为绝对零度(0K)，但是目前物理学研究成果表明，即使绝对零度，工质的 热力学能、焓和熵也不准确为零，在绝对零度，物质仍有零点能，由海森堡测 不准关系确定。(热力学第三定律可以表述为，绝对零度可以无限接近，但永 远不可能达到。)标准状态(p=101325Pa, T=273.15K )。( p=101325Pa, T=293.15K )、(p=101325Pa, T=298.

19、15K)，水的三相点，等等。9 .气体热力性质表中的u、h及s0的基准是什么状态？标准状态10.在图3-15所示的T- s图上任意可逆过程1 - 2的热量如何表示？理想气 体1和2状态间热力学能变化量、焓变化量能否在图上用面积表示？若 1 - 2 经过的是不可逆过程又如何？曲线1-2下的曲边梯形面积就是任意可逆过程1 - 2的热量。dQ=TdS沿过程的积分。Q=u+vy所以：U=Q W不可逆过程传热量不能用曲边梯形面积表达，但是热力学能和焓还可以用原方式表达，因为热力学能和焓都是状态参数，其 变化与过程路径无关。11理想气体熵变计算式（ 3-39 ）、（ 3-41 ）、（3-43 ）等是由可逆

20、过程导出， 这些计算式是否可以用于不可逆过程初、终态的熵变？为什么？ 可以。熵是状态参数，其变化与过程路径无关。12 .熵的数学定义式为 ds=dq/T，又dq=cdT,故ds=（cdT）/T。因理想气体的比 热容是温度的单值函数，所以理想气体的熵也是温度的单值函数，这一结论是 否正确？若不正确，错在何处？不正确。错在 c 不是状态参数，与过程有关。是温度单值函数的是定过程 比热。13 .试判断下列各说法是否正确：（1）气体吸热后熵一定增大；（ 2）气体吸热后温度一定升高；（ 3）气 体吸热后热力学能一定增加；（ 4）气体膨胀时一定对外作功；（ 5）气体压缩 时一定耗功。（ 1 ）正确；（ 2

21、）不正确；（ 3）不正确；（ 4）正确；（ 5）正确。14. 氮、氧、氨这样的工质是否和水一样也有饱和状态的概念，也存在临界状 态？是的。几乎所有的纯物质（非混合物）都有饱和状态的概念，也存在临界 状态。此外的物质性质更为复杂。15. 水的三相点的状态参数是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？ 水的三相点的状态参数是唯一确定的，这一点由吉布斯相律确认：对于多元（如 k 个组元）多相（如 f 个相）无化学反应的热力系，其独立参数，即自 由度 n=k- f+2。三相点：k=1, f =3,故 n=0。三相点是三相共存点，在该点发生的相变都具有相变潜热。临界点两相归 一，差别消失，相变是连续相

22、变，没有相变潜热。三相点各相保持各自的物性参数没有巨大的变化，临界点的物性参数会产生巨大的峰值变化。三相点和临界点是蒸汽压曲线的两个端点。三相点容易实现，临界点不容易实现。16. 水的汽化潜热是否是常数？有什么变化规律？水的汽化潜热不是常数，三相点汽化潜热最大，随着温度和压力的提高汽化潜热逐渐缩小，临界点处汽化潜热等于零。17. 水在定压汽化过程中，温度保持不变，因此，根据q=：u+w,有人认为过程 中的热量等于膨胀功，即 q=w,对不对？为什么？不对。：u=Cv：T是对单相理想气体而言的。水既不是理想气体，汽化又不是单相变化，所以q=w的结论是错的。18. 有人根据热力学第一定律解析式 ：q

23、=dh-vdp和比热容的定义c=，所以 认为曲。=cp：z是普遍适用于一切工质的。 进而推论得出水定压汽化时， 温度不 变，因此其焓变量 少。=Cp；AT=O。这一推论错误在哪里？lC=_A是针对单相工质的，不适用于相变过程。dTL33页考題1.试以理想气体的定温过程为例，归纳气体的热力过程要解决的问题及使用方法。要解决的问题：揭示过程中状态参数的变化规律， 揭示热能与机械能之间的转换情况，找出其内在规律及影响转化的因素。在一定工质热力性质的基本 条件下，研究外界条件对能量转换的影响，从而加以利用。使用的方法：分析典型的过程。分析理想气体的定值的可逆过程，即过程进行时限定某一参数不发生变化。分

24、析步骤1）建立过程方程式；2）找出（基本）状态参数的变化规律，确定不同状态下参数之间的关系；3) 求出能量参数的变化(过程功、技术功、热力学能、焓、熵、传热量等 等)；4) 画出过程变化曲线(在 T-s图、p-v图上)。2 .对于理想气体的任何一种过程，下列两组公式是否都适用？：u=cv(t2- 11) ,：h=Cp(t2 - 11) ； q=：u=Cv(t2- 11) , q=：h=Cp(t2 -11)第一组都适用，第二组不适用。第二组第一式只适用于定容过程，第二式 只适用于定压过程。3 .在定容过程和定压过程中，气体的热量可根据过程中气体的比热容乘以温 差来计算。定温过程气体的温度不变，在

25、定温膨胀过程中是否需要对气体加入 热量？如果加入的话应如何计算？需要加入热量。q=u+w对于理想气体，q=w= rt,in旦或q=?h+w,对于理想气Vi体，q=W=RTI。Vi4 .过程热量q和过程功w都是过程量，都和过程的途径有关。由理想气体可逆定温过程热量公式qrpyin迪可知，只要状态参数pi、Vi和V2确定了，q的数vi值也确定了，是否可逆定温过程的热量q与途径无关？“可逆定温过程”已经把途径规定好了，此时谈与途径的关系没有意义。再强调一遍，过程热量 q和过程功w都是过程量，都和过程的途径有关。5. 闭口系在定容过程中外界对系统施以搅拌功：w,问这时：Q=mcdT是否成立？不成立。搅

26、拌功：w以机械能形式通过系统边界， 在工质内部通过流体内摩 擦转变为热，从而导致温度和热力学能升高。 Q是通过边界传递的热能，不包 括机械能。6. 绝热过程的过程功 w和技术功w的计算式w=ui - U2, w=hi h2是否只适用于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么?两式来源于热力学第一定律的第一表达式和第二表达式，唯一条件就是绝 热q=0，与是否理想气体无关，且与过程是否可逆也无关，只是必须为绝热过 程。7 .试判断下列各种说法是否正确？(1) 定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程；(2) 绝热过程即定熵过程；(3) 多变过程即任意过程。答：(1)定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程；一

27、一正确(2) 绝热过程即定熵过程；一一错误，可逆绝热过程是定熵过程，不可逆绝热过程不是定熵过程(3) 多变过程即任意过程。一一错误，右图中的过程就不是多变过程。& 参照图4-17，试证明：qi-2-3 :qi-4-3。图中1 - 2、4 - 3各为定容过程，1 - 4、q1-4-3 =q2 - 3各为定压过程。证明：q-2-3 =q1-2 +q2-3,q1-2 =Cv(T? - T q2-3=Cp( T3 T2)=Cv( T3 T2)+ R( T3 T2),q4-3=Cv( T3 T4),q1-4=Cp( T4 T)= Cv( T4 T1)+ R T4 )。 q 1-2-3 =q1-2 +q2

28、-3=Cv( T2 - TJ+ Cv( T3 - T2)+ R( T3 - T2)=Cv( T3 - TJ+ R( T3 - T2)q1-4-3 =q1-4 +q4-3 =Cv( T4 TJ+ R( T4 - T+ Cv( T3 T4)=6( T3 Ti)+ R( T4 - Ti)于是 qi-2-3 - qi-4-3 =R( T3 - T2) - R( T4 - Ti)=R( T4P2 Ti Pi) (T4- Ti)= R(上-1)( T4- Ti)0PiPiPi所以， qi-2-3 ?qi-4-3 , 证毕。9.如图4-i8所示，今有两个任意过程a - b及a - c, b点及c点在同一条绝

29、热线上，（i）试问：Uab与:Uac哪个大？（2）若b点及C点在同一条定温线上， 结果 又如何？依题意，TbTc，所以：Uab：Uac。若b点及C点在同一条定温线上，则：Uab=：Uac。io .理想气体定温过程的膨胀功等于技术功能否推广到任意气体？从热力学第一定律的第一表达式和第二表达式来看，膨胀功和技术功分别等于W=q- :u和w=q-：h,非理想气体的:u和：h不一定等于零，也不可能相等， 所以理想气体定温过程的膨胀功等于技术功不能推广到任意气体。ii.下列三式的使用条件是什么？kk 十 k-i 十 k-i十 旦丁 旦P2V2 =pivi , TiVi =T2v2 , Ti pi k =

30、T? P2k使用条件是：理想气体，可逆绝热过程。i2. T- s图上如何表示绝热过程的技术功wt和膨胀功w？=04-13在pv和T s图上如何判断过程 q、w :u、：h的正负。通过过程的起点划等容线（定容线），过程指向定容线右侧，系统对外作功，w0;过程指向定容线左侧，系统接收外功，w0;过程指向定压线上侧，系统接收外来技术功，w0。通过过程的起点划等温线（定温线），过程指向定温线下侧，：u0、-h0、：h0。通过过程的起点划等熵线（定熵线），过程指向定熵线右侧，系统吸收热量，q0;过程指向定熵线左侧，系统释放热量，q0的过程必为不可逆过程。答：（1）错。不可逆绝热过程熵也会增大。（2）错，

31、不准确。不可逆放热过程，当放热引起的熵减大于不可逆引起 的熵增时（亦即当放热量大于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为 熵略微减少，但没有可逆放热过程熵减少那么多。（3）错。不可逆放热过程，当放热引起的熵减等于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵没有发生变化。（4）错。可逆吸热过程熵增大。（5）错。理由如上。可以说：“使 孤立系统熵增大的过程必为不可逆过程。”（6）对。5-9下述说法是否有错误：（1）不可逆过程的熵变：S无法计算；（2）如果从 同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，则S不可逆：S可逆，Sf，不可逆 Sf，可逆，

32、：Sg,不可逆 ：sg，可逆；（3）不可逆绝热膨胀终态熵大于初态熵 S2S，不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵S2VS;（ 4）工质经过不可逆循环 勺ds A 0，q0。Tr答:（1） 错。熵是状态参数，只要能够确定起迄点，就可以确定熵变So（2）错。应为：S 不可逆=S可逆、Sf，不可逆S ,可逆、Sg,不可逆Sg，可逆。 因为熵是状态参数，同一初始状态和同一终了状态之间的熵差保持同一数值，与路径无关（3）错。不可逆绝热压缩过程的终态熵也大于初态熵，S2S（4）错。“s=0，因为熵是状态参数。5-10从点a开始有两个可逆过程：-c, b、c两点在同一条绝热线上（见个大？并在T- s图上表示过程a

33、- bb ac 0v答：可逆定容过程a-b和可逆定定容过程a - b和定压过程a 图 5 - 34），问 qa- b和 qa-c哪 和 a- c 及 qa-b和 qa-c。 压过程a-c的逆过程c-a以及可逆绝热线即定熵线上过程b-c构成一可逆循环，它们围成的面积代表了对外作功量，过程a-b吸热，过程c-a放热，根据热力学第一定律，必然有qa-b qc-a :,才能对外输出净 图中，qa-b为 abSbSaa 围成的 面积。s功。也就是 ，qa-bqa-c。面积，qa-c为acSbSaa围成的5-11某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程，将气体压缩到相同的终压，在 p-

34、v图上和T-s图上画出两过程，并在 T-s图 上示出两过程的技术功及不可逆过程的 火用损失。5-12孤立系统中进行了 （ 1）可逆过程；（2）不可逆过程，问孤立系统的总能、 总熵、总火用各如何变化？答：（1）孤立系统中进行了可逆过程后，总能、总熵、总火用都不变。（2）孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变，总熵、总火用都发生变化。5-13例5 - 12中氮气由0.45MPa、310K可逆定温膨胀变化到 0.11MPa、310K, wi-2, max=w=129.71kJ/kg，但根据最大有用功的概念， 膨胀功减去排斥大气功（无 用功）才等于有用功，这里是否有矛盾？答：没有矛盾。5-14下列命题

35、是否正确？若正确，说明理由；若错误，请改正。（1）成熟的苹果从树枝上掉下，通过与大气、地面的摩擦、碰撞，苹果的势能转变为环境介质的热力学能，势能全部是火用全部转变为火无。（2）在水壶中烧水，必有热量散发到环境大气中，这就是 火无 而使水升温的那部分称之为火用。(3) 杯热水含有一定的热量 火用冷却到环境温度，这时的热量就已没 有火用(直。(4) 系统的火用只能减少不能增加。(5) 任一使系统火用增加的过程必然同时发生一个或多个使火用减少的过程。5-15闭口系统绝热过程中，系统由初态1变化到终态2,则w=ui-U2。考虑排斥大气作功，有用功为 wu=ui - U2 - po(v 1 - V2)，

36、但据火用的概念系统由初态1变 化到终态2可以得到的最大有用功即为热力学能火用差：WU,max=ex,U1 - exU2=U1 - U2-To(s 1 - S2) - po(v 1 - V2)。为什么系统由初态1可逆变化到终态2得到的最大 有用功反而小于系统由初态1不可逆变化到终态2得到的有用功小？两者为什么不一致？P1705-1 ：t= T1273.15 20 =11.726T, -T2293.15 268.15Q=q1 J1*726 一1 25 ：104=22867.99kJ/hSt11.726N=W/95%=Q0.95 :t)=2.5 ：104/(0.95 ：11.726)=2244.23

37、kJ/h=0.623kWN 电炉=Q=2.5 ?104kJ/h=6.944kW5-2不采用回热p2=p1=0.1MPa,T4=T1=300K,T 3=T?=1000K,q23=400kJ/kg,q12=Cp(T2-T 1)=1.004 (1000-300)=702.8kJ/kg q34=Cp(T4-T3)=1.004 (300-1000)二702.8kJ/kg q23=RTIn(p 2/p 3),q 41=RTIn(p 4/p1)=Rln(p 3/p 2)=-RT 1In(p 2/p 3) :q41=-T1q23/T2=-300 ：400/1000=-120kJ/kg:t=1- :q41+q3

38、4：/(q 12+q23)=1- -702.8-120 7(702.8+400)=0.2539采用极限回热，过程 34放热回热给过程12, q34：q12:r=1- q41 7q 23)=1- -120 7400=0.705-3如图所示，如果两条绝热线可以相交，si、S2交于a点，过b、c两点作等压线si、S2交于b、c点。于是，过程 be、 闭合循环回路，沿此回路可进行一可逆 程ea、ab均为可逆绝热过程，只有定则令绝热线分别与绝热线ea、ab组成一循环，其中过压过程be为吸热过程，而循环回路围成的面积就是对外净输出功。显然，这构成了从单一热源吸热并将之全部转变为机械能的热力发动机循环，是违

39、反热力学第二定律的。k1.45-4(1)p i=p2 伍匸=0.1 咒便Q=27.95MPaE丿1300丿5-4题图(2)见图。k(3) q 3i=ep(Ti-T3)=R(Ti-T2),q 23=RTIn(p 2/p 3)=RT2ln(p 2/p 1)k -1RT2 In p300 減 In! =1Pi一 =127.95:t=1 q23丄d (1500 - 300 01.4 1=0.59765-5(1)Q H=?WAet二？ ？tQ=3.5?0.40 ?100=140kJ(2) :e=1-0=i-缎 0.71, ：e= Th360=5.14T11000Th -T0 360 -290Q,e二？

40、eWke 二？ e?eQ=5.14 ?0.71 ? 100=365.14kJ(3)此复合系统虽未消耗机械功，但由高温热源放出热量Q作为代价，使得部分热量从低温热源 T。传到较高温热源Th，因此并不违背热力学第二定律。5-6 :c=1 -巴=1 一2=0.85T12000(1) W=cQ=0.85 ?1=0.85kJ，可能作出的最大功为 0.85kJ，所以这种情形 是不可能实现的。(2) W=cQ=0.85 ?2=1.70kJ，Q=Q-W=2-1.70=0.30kJ，所以这种情形有实 现的可能(如果自然界存在可逆过程的话)，而且是可逆循环。(3) Q,c=WU ?c=1.5/0.85=1.765

41、kJ ，Q=Wet+Q=1.5+0.5=2.0kJQ i,c,此循环 可以实现，且耗热比可逆循环要多，所以是不可逆循环。235页J8考麒1. 实际气体性质与理想气体性质差异产生的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作理想气体处理？答：差异产生的原因就是理想气体忽略了分子体积与分子间作用力。当pf0时，实际气体成为理想气体。实际情况是当实际气体距离其液态较远时， 分子体积与分子间作用力的影响很小，可以把实际气体当作理想气体处理。2. 压缩因子Z的物理意义怎么理解？能否将Z当作常数处理？答：由于分子体积和分子间作用力的影响，实际气体的体积与同样状态下 的理想气体相比，发生了变化。变化的比例就是

42、压缩因子。Z不能当作常数处理。3. 范德瓦尔方程的精度不高，但是在实际气体状态方程的研究中范德瓦尔方程的地位却很高，为什么?答：范德瓦尔方程是第一个实际气体状态方程，在各种实际气体状态方程 中它的形式最简单；它较好地定性地描述了实际气体的基本特征；其它半理论 半经验的状态方程都是沿范德瓦尔方程前进的。4. 范德瓦尔方程中的物性常数 a 和 b 可以由实验数据拟合得到， 也可以由物质 的 Tcr 、pcr 、vcr 计算得到，需要较高的精度时应采用哪种方法，为什么？ 答：实验数据来自于实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子误 差较大，所以由试验数据拟合得到的接近于实际。5. 如何看待维里方

43、程？一定条件下维里系数可以通过理论计算， 为什么维里方 程没有得到广泛应用？答：维里方程具有坚实的理论基础，各个维里系数具有明确的物理意义， 并且原则上都可以通过理论计算。但是第四维里系数以上的高级维里系数很难 计算，三项以内的维里方程已在 BWR方程、MH方程中得到了应用， 故在计算工 质热物理性质时没有必要再使用维里方程，而是在研究实际气体状态方程时有 所应用。6. 什么叫对应态定律？为什么要引入对应态定律？什么是对比参数？答：在相同的对比态压力和对比态温度下，不同气体的对比态比体积必定 相同。引入对应态原理，可以使我们在缺乏详细资料的情况下，能借助某一资 料充分的参考流体的热力性质来估算

44、其它流体的性质。某气体状态参数与其临 界参数的比值称为热力对比参数。（对比参数是一种无量纲参数）7. 物质除了临界状态、p - v图上通过临界点的等温线在临界点的一阶导数等 于零、两阶导数等于零等性质以外， 还有哪些共性？如何在确定实际气体的 状态方程时应用这些共性？8. 自由能和自由焓的物理意义是什么？两者的变化量在什么条件下会相等？答：H=G+TS U=F+TSdg=dh - d(Ts)=dh - Tds - sdT,简单可压缩系统在可逆等温等压条件下，处于平衡状态：dg=- Tds, ds=O:dg=O。若此时系统内部发生不可逆变化(夕卜 部条件不变)，则ds0， :dg0。例如系统内部

45、发生化学反应，化学能转化为 内热能(都是热力学能)，必要条件是 dg0，否则过程不能发生。类似地，简单可压缩系统在等温等容条件下，内部发生变化的必要条件是：df0。引申：系统的g、f没有时，dg=0，df=0。内部变化不再进行。进而可以 认为g、f是系统内部变化的能力和标志，所以分别称为自由焓、自由能，相 应地，TS可称为束缚能。与火用相比，吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能不需要与环境状态联系，且是工质的状态参数。搞理论热力学的人(物理学家们)根本不拿 火用当回事。两者的变化量在什么条件下会相等？有什么意义呢？dg - df=d(h - Ts)-d(u - Ts)=dh - du=0,对于理想气体

46、可逆等温过程，两者的变化量相等。或者： dh - du=d(pv)=O9什么是特性函数？试说明 u=u(s,p)是否是特性函数。答：某些状态参数表示成特定的两个独立参数的函数时，只需一个状态参数就可以确定系统的其它参数，这样的函数就称为特性函数。热力学能函数仅 在表示成熵及比体积的函数时才是特性函数，换成其它独立参数，如u=u(s,p),则不能由它全部确定其它平衡性质，也就不是特性函数了。10.常用的热系数有哪些？是否有共性？答：热系数由基本状态参数 p、v、T构成，可以直接通过实验确定其数值。11.如何利用状态方程和热力学一般关系式求取实际气体的答：根据热力学一般关系式和状态方程式以及补充数

47、据，可以利用已知性 质推出未知性质，并求出能量转换关系。例如，当计算单位质量气体由参考状态p。、To变到某一其它状态p、T后焓的变化时，可利用dH方程b(P,T o)p=const.A(p,T)式，即式(5-45)由于焓是一种状态参数，的线积分只是端态po=constO(po,To)a(p o,T)T=cons所以dH为全微分，因而dH的函数，与路径无关。这样就可以在两个端态之间选择任意一个过程或几个过程的组合。两种简单的组合示于图(5-)中。对于图(5-)中由线OaA所描述的过程组合，将式(5-45)先在等压p。下由To积分到T，随后在等温T下由po积分到p，其结果为：将上两式相加，就可得到

48、：对于ObA的过程组合，将式(5-45)先在等温To下由po积分到p，随后在等压p 下由To积分到T，由这种组合可以得到：5-t式(5-47)需要在po压力下特定温度范围内的 Cp数据，而式(5-48)则需要较高压 力p时的Cp数据。由于比热的测量相对地在低压下更易进行，所以选式(5-47)更为合适。12. 试导出以T、p及p、v为独立变量的du方程及以T、v及p、v为独立变 量的dh方程。13. 本章导出的关于热力学能、焓、熵的一般关系式是否可用于不可逆过程？ 答：由于热力学能、焓、熵都是状态参数，其变化与过程无关，所以其结果也可以用于不可逆过程。14. 试根据Cp- cv的一般关系式分析水

49、的比定压热容和比定容热容的关系。答：0.5Mpa, 100C水的比体积 v=0.0010435m3/kg ; 0.5MPa, 110C时33v=0.0010517 m /kg ; 1Mpa 100 C 时 v=0.0010432m/kg。70010517 0.0010435 （ 1（10.5$106373. 15 疋II110100丿p0.00104320.0010435 丄=418.18J/（kg:K）15. 水的相图和一般物质的相图区别在哪里？为什么？答：一般物质的相图中，液固平衡曲线的斜率为正值，压力越高，平衡温 度（相变温度）越高。水的相图中，液固平衡曲线的斜率为负值，导致压力越 高，

50、平衡温度（相变温度）越低。16. 平衡的一般判据是什么？讨论自由能判据、自由焓判据和熵判据的关系答：孤立系统熵增原理给出了热力学平衡的一般判据，即熵判据。孤立系统中过程进行的方向是使熵增大的方向，当熵达到最大值时，过程不能再进行 下去，孤立系统达到热力学平衡状态。在等温定压条件下，熵判据退化为吉布斯自由能（自由焓）判据：系统的 自发过程朝着使吉布斯自由能减小的方向进行；等温定容条件下，熵判据退化 为亥姆霍兹自由能（自由能）判据：系统的自发过程朝着使亥姆霍兹自由能减 小的方向进行。2631 .对改变气流速度起主要作用的是通道的形状还是气流本身的状态变化？ 答：对改变气流速度起主要作用的是气流本身

51、的状态变化，即力学条件。通道 的形状即几何条件也对改变气流速度起重要作用，两者不可或缺。但在某些特 殊的、局部的场合，矛盾的主次双方发生转化，通道的形状可能成为主要作用 方面。2 .如何用连续性方程解释日常生活的经验：水的流通截面积增大，流速就降低？答：qm 二 AC = constantv在日常生活中，水可视为不可压缩流体，其比体积不会发生变化，因而由上式有Acf =常数，即截面积变化与速度变化成反比。3 .在高空飞行可达到高超音速的飞机在海平面上是否能达到相同的高马赫数？答：不能。高空气温低，由理想气体音速a=-.kpv“kRT可知当地声速比较低，一定的飞行速度可以取得较高的马赫数，而海平

52、面温度比高空高几十K相应声速较大，同样的飞行速度所获得的马赫数要小一些。此外，高空空气比海平 面稀薄得多，飞行阻力也小得多，所以飞行速度上也会有差异。4 .当气流速度分别为亚声速和超声速时，下列形状的管道（图7-16）宜于作喷管还是宜于作扩压管？图7 - 16思考题7 - 4附图答：亚声速时 膨胀过程。有摩擦时，过程为不可逆，如虚线所表示。显而易见，过程结束时喷管扩压管喷管都不适合超声速时扩压管喷管扩压管都不合适5. 当有摩擦损耗时，喷管的流 来计算，似乎与无摩擦损耗时相 哪里呢？答：如右侧温熵图，两条斜线是出速度同样可用Cf2=2 ho-h2同，那么，摩擦损耗表现在等压线，垂直线是可逆绝热温

53、度比可逆情况下要高，这两个温度对应的焓之差就是摩擦损耗的表现。6. 考虑摩擦损耗时，为什么修正出口截面上速度后还要修正温度？答：如上。7 .考虑喷管内流动的摩擦损耗时，动能损失是不是就是流动不可逆损失？为什么？答：不是。动能损失就是 5题图中的焓差。但是由于出口温度咼于可逆情形下 的出口温度，卡诺讲，凡是有温差的地方就有动力，所以这部分焓还具有一定 的作功能力，并不是100%乍功能力损失（火用损失）。&如图7-17所示，（a）为渐缩喷管，（b）为缩放喷管。设两喷管工作背 压均为O.IMPa,进口截面压力均为1MPa进口流速Cfi可忽略不计。若（1） 两喷管最小截面积相等，问两喷管的流量、出口截

54、面流速和压力是否相同？（2）假如沿截面2 - 2切去一段，将产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流量将起什么变化？（b）图7 - 17思考题7 - 8附图答：（1）两喷管最小截面积相等，则两喷管的流量相等，出口截面流速和压 力不相等。渐缩喷管出口截面流速为当地音速，出口截面压力等于临界压力（0.528Mpa），缩放喷管出口截面压力等于背压（充分膨胀情况下），出口截 面流速为超声速（）。(2)渐缩喷管，沿截面2 - 2切去一段后，临界状态前移到2 - 2截面，出口速度为当地音速，出口截面压力等于临界压力(0.528Mpa)，由于出口面积变大，喷管流量增大。缩放喷管，沿截面2 - 2切去一段后，

55、喷管形状不足以保持完全膨胀，出口压力高于背压，出口流速比切去一段以前小(仍为超声速)，喷管流量不变。9 .图7- 13(b)中定然节流过程不可逆， 时可利用dh=O?答：不是。节流过程 程不沿着定焓线进 节流过程中温度-压图7 - 13转回曲线(b)(喷管内剩余部分流动没有变化) 焓线是否是节流过程线？既 为何在推导节流微分效应 J的起迄点落在等焓线上，但过 行。节流微分效应：J表达的是 力的关系，温度、压力均为状态参数，其变化与路径无关，所以可以利用等焓线分析推导。10.既然绝热节流前后焓值不变，为什么作功能力有损失？答：绝热节流后气体的压力降低，可逆绝热膨胀过程焓降所能作出的功没有作出，导

56、致节流后焓仍然等于节流前。该作出的功没有作出，就产生了作功能力 损失。11.多股气流汇合成一股混合气流称作合流，请导出各股支流都是理想气体的 混合气流温度表达式。混合气体的熵值是否等于各股支流熵值之和，为什么？ 应该怎么计算？281页恩考題1.利用人工打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松 了一点，工程上压气机气缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么？答：湿布使打气筒散热增强，气缸水冷或加装肋片也是为了增强散热，从 而使压缩过程离开绝热靠近定温，压缩耗功减少。p.s.，打气筒包裹湿布后耗功减少，人能感觉出来？值得怀疑。2 .既然余隙容积具有不利影响，是否可能完全消除它？答：对于往复式压气机，余隙容积不可能完全消除；对于旋转式压气机， 则有可能完全消除。3 .如果