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.doc

_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。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改变吗？绝对压力计算公式p2=pg2+p1pbpg2pg1p1=pg1+pb4题图p=pb+pg (p> pb), p= pb -pv (p< pb)中，当地大气压是否必定是环境大气压？当地大气压pb改变，压力表读数就会改变。当地大气压pb不一定是环境大气压。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。9题图a b冷水冷水热水传热传热热水电流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的部分均包括在内。pv1 a b 212图1-22中容器为刚性绝热容器，分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板，（1）突然抽去隔板，气体（系统）是否作功？（2）设真空部分装有许多隔板，逐个抽去隔板，每抽一块板让气体先恢复平衡在抽下一块，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？56页思考题隔板 A B图2-12 自由膨胀4一刚性容器，中间用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=Duwq=0，Du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Du =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=Du+pvq2-q1=(u2-u1)+(w2-w1)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-q1和w2-w1。8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。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DUCV=0、DHCV=0、DSCV=0?控制体的DUCV=0、DHCV=0、DSCV=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DUCV=0、DHCV=0、DSCV=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。13. 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，qm1 1 p1, T1 3 1 qm3 p3, T3 2 3 qm2 p2, T2 2图2-13 合流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：qm1带入的和qm2带入的。没有热量输入。qm1（h1+cf12/2+gz1）+ qm2（h2+cf22/2+gz2）离开系统的能量：qm3带出的，没有机械能（轴功）输出。qm3（h3+cf32/2+gz3）qm3 3 p3, T3 1 3 qm1 p1, T1 2 1 qm2 p2, T2 2图2-14 分流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×h1+ qm2×h2= qm3×h3出口截面上焓值h3的计算式h3= （qm1×h1+ qm2×h2）/ qm3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×h1 = qm2×h2+ qm3×h393页思考题。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=RgT，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。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=RgT。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。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Ts图上任意可逆过程12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12经过的是不可逆过程又如何？T0s12p=0pv1 2U曲线1-2下的曲边梯形面积就是任意可逆过程12的热量。dQ=TdS沿过程的积分。Q=DU+W，所以DU=QW。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。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）不正确；（3）不正确；（4）正确；（5）正确。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 = kf + 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。17水在定压汽化过程中，温度保持不变，因此，根据q=Du+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。Du=cvDT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。133页思考题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？Du=cv(t2t1)，Dh=cp(t2t1)；q=Du=cv(t2t1)，q=Dh=cp(t2t1)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。4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q=可知，只要状态参数p1、v1和v2确定了，q的数值也确定了，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。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；7题图(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； 正确。(2) 绝热过程即定熵过程； 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。 错误，右图中的过程就不是多变过程。p b Tb Tc a cO v图4-18题解p b a cO v图4-189如图4-18所示，今有两个任意过程ab及ac，b点及c点在同一条绝热线上，(1) 试问Duab与Duac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，Tb>Tc，所以Duab>Duac。若b点及c点在同一条定温线上，则Duab=Duac。11下列三式的使用条件是什么？p2v2k=p1v1k，T1v1k-1=T2v2k-1，T1=T2使用条件是：理想气体，可逆绝热过程。12Ts图上如何表示绝热过程的技术功wt和膨胀功w？p=0v=04-14 试以可逆绝热过程为例，说明水蒸气的热力过程与理想气体的热力过程的分析计算有什么异同？相同点：都是首先确定起始状态和结束状态，然后在计算过程的作功量等数据。计算过程中，始终要符合热力学第一定律。不同点：理想气体的计算是依靠理想气体状态方程以及功和热量的积分计算式进行计算，而水蒸气是依靠查图查表进行计算。193页思考题5-1热力学第二定律能否表达为：“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能。”这种说法有什么不妥当？答：热能不是不可能全部变成机械能，如定温过程就可以。但想要连续地将热能转变为机械能则是不可能的。5-2理想气体进行定温膨胀时，可从单一恒温热源吸入的热量，将之全部转变为功对外输出，是否与热力学第二定律的开尔文叙述有矛盾？提示：考虑气体本身是否有变化。答：理想气体进行定温膨胀时，压力不断降低，体积越来越大。当压力低到外界压力时，就不能再继续降低了，过程也就停止了。热力学第二定律的开尔文叙述的内容是：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机（第二类永动机是不可能制造成功的。） 一方面压力降低，体积增大就是变化；另一方面，热力发动机要求连续工作，而定温过程做不到。所以，这个过程与热力学第二定律无矛盾。5-3自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这一说法是否正确？答：错。“非自发过程必为可逆过程。”的说法完全错误，非自发过程需付出代价（更强的自发过程）才能实现，可逆过程则是一种实际上不存在的理想过程，两者之间没有什么关系。5-4请给“不可逆过程”一个恰当的定义。请归纳热力过程中有哪几种不可逆因素？答：各种不可逆因素总可以表示为将机械能耗散为热能，例如温差传热，卡诺说：凡是有温度差的地方都可以产生动力。因此，温差传热使得本可以作出的功没有作出，这就相当于将机械能耗散为热能。凡是最终效果都可以归结为使机械能耗散为热能的过程都是不可逆过程。热力过程中的不可逆因素有功热转换、有限温差传热、自由膨胀、混合过程、电阻等等。5-5 试证明热力学第二定律的各种说法的等效性：若克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立。答：热力学第二定律的各种说法都是等效的，可以证明它们之间的等效性。Q1T1T2T2T1Q2Q2Q1QQ2WW0REE图4-1 图4-2如图41所示，某循环发动机E自高温热源T1吸热Q1，将其中一部分转化为机械能W0，其余部分Q2=Q1W0排向低温热源T2，如果可以违反克劳修斯说法，即热量Q2可以不花代价地自低温热源传到高温热源，如图中虚线所示那样，则总的结果为高温热源失去热能(Q1Q2)，循环发动机产生了相应的机械能W0，而低温热源并无变化，相当于一台从单一热源吸热而作功的循环发动机。所以，违反克劳修斯说法必然违反开尔文说法，类似地，违反开尔文说法也必然违反克劳修斯说法，两种说法完全等价（图4-2）。5-6下列说法是否有错误：（1）循环净功Wnet愈大则循环热效率愈高；（2）不可逆循环热效率一定小于可逆循环热效率；（3）可逆循环热效率都相等，。（1） 错。（2） 错。应当是在同样的高温热源和低温热源之间。否则没有比较基础。（3） 错。应当是在同样的高温热源和低温热源之间。否则没有比较基础。5-7循环热效率公式：和是否完全相同？各适用于哪些场合？答：不同。前者适用于一般的循环（可逆和不可逆循环），后者仅适用于在两个恒温热源之间工作的可逆循环。（第三版5-8题）不违反。它是依赖于压力差作功的。5-8下述说法是否正确：（1）熵增大的过程必定为吸热过程；（2）熵减小的过程必为放热过程；（3）定熵过程必为可逆绝热过程；（4）熵增大的过程必为不可逆过程；（5）使系统熵增大的过程必为不可逆过程；（6）熵产Sg>0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，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DS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DS不可逆>DS可逆，DSf，不可逆>DSf，可逆，DSg，不可逆>DSg，可逆；（3）不可逆绝热膨胀终态熵大于初态熵S2>S1，不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵S2<S1;（4）工质经过不可逆循环，。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DS。（2）错。应为DS不可逆=DS可逆、Sf，不可逆<Sf，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，S2>S1。（4）错。，因为熵是状态参数。p b a c 0 v图5345-10从点a开始有两个可逆过程：定容过程ab和定压过程ac，b、c两点在同一条绝热线上（见图534），问qab和qac哪个大？并在Ts图上表示过程ab和ac及qab和qac。答：可逆定容过程a-b和可逆定压过程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½qa-b½>½qc-a½，才能对外输出净功。也就是，qa-b>qa-c。sbsacTsba10题图图中，qa-b为absbsaa围成的面积，qa-c为acsbsaa围成的面积。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。5-14 下列命题是否正确？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）一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值。（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。 235页思考题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p0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. 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。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。3. 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）4. 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 + TS。dg =dhd(Ts) =dhTdssdT，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=0Þdg=0。若此时系统内部发生不可逆变化（外部条件不变），则ds>0，Þdg<0。例如系统内部发生化学反应，化学能转化为内热能（都是热力学能），必要条件是dg<0，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：df<0。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？dgdf=d(hTs)d(uTs)=dhdu=0，对于理想气体可逆等温过程，两者的变化量相等。或者：dhdu= d(pv)=05. 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。6. 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。7. 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。263页思考题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： 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。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。8如图717所示，（a）为渐缩喷管，（b）为缩放喷管。设两喷管工作背压均为0.1MPa，进口截面压力均为1MPa，进口流速cf1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？ 1 2' 2 1 2' 2p1=1MPa pb=0.1MPap1=1MPa pb=0.1MPa 1 2' 2 1 2' 2 (a) (b)图717 思考题78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，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。（喷管内剩余部分流动没有变化）。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。281页思考题3如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩？为什么？答：还需要分级压缩。是为了减小余隙容积的影响。但不需要中间冷却。4压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时，不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？答：压气机耗功中有意义的部分是技术功，不考虑宏观动能和势能的变化，就是轴上输入的功（由设备直接加诸气体的机械功），而同样进出口压力定温过程消耗的技术功比绝热过程少，绝热过程消耗的技术功有一部分用于提高气体温度。7叶轮式压气机不可逆绝热压缩比可逆绝热压缩多消耗功可用图811上面积m2s2'nm表示，这是否即是此不可逆过程作功能力损失？为什么？T p2 2 p1 1 O s图813思考题88附图8如图813所示的压缩过程12若是可逆的，则这一过程是什么过程？它与不可逆绝热压缩过程12的区别何在？两者之中哪一过程消耗的功大？大多少？THANKS !致力为企业和个人提供合同协议，策划案计划书，学习课件等等打造全网一站式需求欢迎您的下载，资料仅供参考-可编辑修改-