《高等工程热力学及传热学》思考题参考答案

以下为高等工程热力学与传热学思考题（江苏大学 单春贤）答案，该答案由多人完成，可能不完全并不保证正确率 。答案仅供参考。 高等工程热力学 1、稳定态 ：当系统与外界之间不存在是外界遗留下有限变化的作用时，不会发生有限状态变化的系统状态。处于稳定态的系统，只要没有受到是外界留下有限变化的作用，就不可能产生有限速率的状态变化。 平衡态： 当系统内的各个参数不随时间而变化，且系统与外界不存在能量与物质的交换，则系统达到平衡态。 联系：稳定平衡态： 一个约束系统，当只容许经历在外界不留下任何净影响的过程时， 从一个给定的初始容许态能够达到唯一的一个稳定态。 区别： 平衡是不存在各种势差；而稳定是状态不随时间变化。 如果一系统在不受外界影响的条件下，已处于稳定态，该系统不一定处于平衡态。 2、热力学第一定律能量表述 ： 加给热力系的热量，等于热力系的能量增量与热力系对外作功之和。 d ； 在热力系统的两个给定稳态之间进行的一切绝热过程的功都是相同的。 热力学第二定律能量表述 ：克劳修斯说：不可能把热从低温物体传导高温物体而不引起其他变 化，即热从低温物体不可能自发地传给高温物体。 热力学第一定律的火用 、火无表述 ：在任何过程中，火用和火无的总量保持不变。 热力学第二定律的火用、火无表述 ：若是可逆过程，则火用保持不变；若是不可逆过程，则部分转化为火无，火无不能转化为火用。 3、 处于稳定态的系统，只要没有受到使外界留下有限变化的作用，就不可能产生有限速率的状态变化。当系统与外界之间不存在使外界遗留下有限变化的作用时，不会发生有限状态变化的系统状态。重物下落时，由于受到重力作用，做匀加速运动，速率发生变化，若不对外界产生影响，则过程不可能实现。 4、（ 1） ( P , V , P , V ) 0 P V P V ( P , V , P , V ) 0 P V ( P , V , P ) n b ( P , V , P )( V n B ) P 合并消去 V ( P , V , P ) ( P , V , P )A C B ( V n B ) P P V n b P P V （ *） ( P ) ( P , V ) ( P )A C ( P ) ( P , V ) ( P )B C ( P , V ) ( P , V ) ( P , V , P ) ( P ) ( P , V ) ( P )A C ( P )( P , V ) ( P , V )( P ) ( P ) 得 ( P , V ) ( P , V ) ( P , V )A B C 2 n b PV n B 5、 4 . 1 5d u d Td s p d v p d 水不可压缩， 得 214 s T 混合后的温度为 350K 所以 3504 3504 494 . 1 5 l n 048s s 因此绝热混合后熵增加，自然界一切自发的过程均为熵增加的过程 6、 （ 1）吸热过程熵不一定增加，熵增不一定是吸热过程，也可能因为做功导致熵增。 （ 2）放热过程不一定熵减小，熵减小不一定是放热过程，也有可能是做功导致。 7、 熵流与熵产都是熵增，但熵流表示的是由于与系统与外界传热引起的熵增，而熵产表示不可逆产生的熵增。熵是状态参数，而熵流与熵产都取决于过程的特性。 8、 1 定压过程，故 51 2 1 0 P a 定熵过程，等熵指数 1 1 . 4 151 . 42 522 1 0( ) 3 0 0 ( ) 3 6 5 . 71 1 0T T （ 1） 1- A 过程： 内功：11( T T ) 1 3 2 . 3 3 k J / k v 推挤功： 11 0 1 01( V ) ( ) 2 6 . 4 5 k J / k R Tw p V 轴功：1 1 1 1 0 5 . 8 8 k J / k x A d Aw w w 外功：1 1 1 1( T T ) ( c c ) ( T T ) 5 2 . 8 9 k J / k r A i A p v Aw c w 程： 内功 ：22( T T ) 4 7 . 1 7 k J / k v 推挤功 22 0 2 02( V ) ( ) 3 3 . 6 2 k J / k gg g R Tw p V 轴功：2 2 2 1 3 . 5 5 k J / k i A d Aw w w 外功：22( c c ) ( T T ) 1 8 . 8 6 k J / k p v （ 2） 1程 总功：12 1 3 2 . 2 2 5 2 . 8 9 4 7 . 1 7 1 8 . 8 8 1 1 9 . 1 9 /gw k J k g 总轴功：12 1 0 5 . 8 8 1 3 . 5 5 9 2 . 3 3 /xw k J k g 总推挤功：12 2 6 . 4 5 3 3 . 6 2 7 . 1 7 /dw k J k g 9、 （ 1）确定 u, h, p,v,T,之间的关系，便于编制工质热力性质表。确定 v 与 p,v,T 的关系，用以建立实际气体状态方程。确定 易测的 v。热力学微分关系式适用于任何工质，可用其检验已有图表、状态方程的准确性。 （ 2）热力学微分关系式不能指名特定物质的具体性质，其最主要的作用是建立不可测热力学参数与可测热力学参数（压力、温度、比容和定压比热容）之间的联系。若欲知某物质的特性，一般还要了解该物质的状态方程。 10由 ( ) ( )开始推导 T、 v、 P、 s 链式关系： ( ) ( ) ( ) 1s s sT v T （ 1） 循环关系： ( ) ( ) ( ) 1v p sP s vs v P （ 2） 由（ 1）（ 2）可推出 ( ) ( )即 ( ) ( )（ 3） 由（ 3）再推 T、 v、 P、 s ( ) ( ) ( ) 1s v （ 4） ( ) ( ) ( ) 1s T sP s T （ 5） 由（ 4）（ 5）得 ( ) ( )（ 6） 接着 T、 v、 P、 s ( ) ( ) ( ) 1T T vP v s （ 7） ( ) ( ) ( ) 1p v v （ 8） 由（ 7）（ 8）得 ( ) ( )（ 9） 接着 T、 v、 P、 s ( ) ( ) ( ) 1v v sT s P (10) ( ) ( ) ( ) 1T s vs v s (11) 由（ 10）（ 11）得 ( ) ( )即 ( ) ( )即原始条件 11、 稳定平衡，随遇平衡，亚稳定平衡，不稳定平衡 一个约束系统，当只容许经历在外界不留下任何净影响的过程时，从一个给定的初始许态能够达到唯一的一个稳定态。 不留任何净影响指的是催化也不应留下任何净的有限影响：能够达到，是指时间可能无限长。 稳定平衡定律是无数事实的抽象总结，真实性可以验证，但无法对它做出绝对证明。 12、 2 5 2 1 2112 7 3 1 . 4 8 1 0 1 8 0 1 0 3 . 3 4 / ( m o l k )3 . 9 2 1 0 ac c 2 8 . 5 3 . 3 4 2 5 . 1 6 / ( m o l k ) 13、理想气体状态方程 ： 反映了在平衡状态下气体的温度、压力及比体积间的基本关系， 适用于 温度不太低 ,压强不太高 的场合。 范德瓦尔方程： )( 2克服了理想气体模型所带来的缺陷，提供相当好的定性分析，说明了气体和液体的连续性。它适用于 压力 高 、温度 低的场合。 维里 方程： 3232 11 系数 B、 C、三维里系数、第四维里系数等等。它适用于低密度和中密度的气体。 对比态方程： 对比态状态方程就是用无量纲对比参数表达的、各种物质通用的状态方程式。 压 缩因子 ： Z 描述真实气体的性质中，最简单，最直接，最准确，使用的压力范围也最广泛的 状态方程 。 Z 反映出真实气体压缩的难易程度 。 式中的 Z 称为压缩因子，表示实际气体偏离 理想气体 行为的程度。当实际气体处于 临界点 此 时的压缩因子称为临界压缩因子 多数气体的临界压缩因子比较接近， 14、 15、无 16、 根据吉布斯 0d T v d p x d u 在恒压下有 0*0 l n ( ) 0px d u R 整理得 即1 1 2 2l n p l n 0x d x d p01 有 1 1 2 2l n f l n f 0x d x d 220 0 11 xf x e 代入上式得 121 亨利系数 121 . 5222 22 2 2x x 错误 !未找到引用源。 ；则 1） 根据逸度系数表达式 错误 !未找到引用源。 则 2） 活度系数 错误 !未找到引用源。 则 18、 设 加入的甲醇和水的总质量为 m，则甲醇质量为 的质量为 尔数 甲醇为 为 合后甲醇体积为 932m 水为 30 7 则总体积为 2000 3得 m= 混合前甲醇 体积为 33 0 . 4 4 0 . 4 6 9 4 4 . 5 932C H O H mV c m 水体积为230 . 6 1 8 . 0 4 1 1 2 3 . 1 1 c 得混合前总体积为32 332 0 6 7 . 7 0 2 0 0 0C H O H H V c m c m 所以混合后总体积减小了，原因混合后摩尔体积都下降了 19、 （ 1） 在物理化学 中 ，吉布斯相律说明了在特定相态下，系统的自由度跟其他变量的关系。 （ 2） 吉布斯相律广泛适用于多相平衡体系。若两相平衡时，压强不相等，则吉布斯相律不适用。如渗透平衡。 （ 3） 错误 !未找到引用源。 ,二元系 k=2，所以有 错误 !未找到引用源。 (4)错误 !未找到引用源。 20、 有化学反应的系统的热力学第一定律的分析 无化学反应的系统的热力学第一定律的分析 21、 假设纯物质在热力学温度 0K（绝对温度零度）时的熵为零，以此为起点的熵称作绝对熵。对化学成分发生变化的化学反应物系等，必须采用绝对熵计算。 绝对熵的提出，使熵有了统一的零点，这就使我们能够 对化学反应的系统共同约定的起点计算熵，从而计算系统的熵变。 高等传热学 1、 因素： 同种物质的导热系数取决于它的化学纯度、物理状态（温度、压力、成分、容积重量、吸湿性等）和结构情况。 导热系数的一般特性： a：固体的导热系数 在所有的固体物质中，金属是最好的导热体。大多数金属的导热系数随纯度的增加而增大。非金属的建筑材料和绝热材料的导热系数与组成和结构有关，通常密度越大， l 值越大；结构越松， l 值越小。固体的导热系数一般随温度的升高而增大。在工程计算上所遇到的固体壁面两侧的温度往往各不相同，在选 用其导热系数时以它们的算术平均温度为准。 b：液体的导热系数 液体分成金属液体和非金属液体， 通常的液体大多数都是非金属液体。在非金属液体中。 水的导热系数最大，除水和甘油外，绝大多数液体的导 热系数随温度的升高而降低。 c：气体的导热系数 气体的导热系数一般随温度升高而增大。 2、 速度边界层： 粘性流体留过固体表面，粘滞性起作用的区域仅仅局限在靠近壁面的薄层内。在此薄层以外，由于速度梯度很小，粘滞性所造成的切应力可以忽略不计。这种在固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层称为速度边界层。由图可知，流体 在垂直于主流方向上的速度变化是十分剧烈的。 热边界层： 在对流传热条件下，主流与壁面之间存在着温差。在避免附近的一个薄层内，流体温度在壁面的发向上发生剧烈的变化，而在此薄层之外，固体表面附近流体温度梯度几乎等于零。因此，固体表面附近流体温度发生剧烈变化的这一薄层称为热边界层。 联系： 这 二者 的 关系 可以 用 朗特数 来描述： 由流体 物性参数 组成 的一个 无量纲参数 ， 表明 温度边界层 和流动 边界层 的 关系 ， 反映流体 物理性质 对 对流传热 过程 的 影响 ，它的 表达式 为 ：p r， 式 中， 为 动力粘度 ；热容 ； k 为 热导率 ； 为 热扩散系数 （ =/c ）单位： 2m /s， v 为 运动粘度 ， 单位 m/ 2s 。 其 中 和 分别表示分子传递过程 中 动量传递 和 热量传递 的 特性 。 当几何尺寸和流速 一 定时 ， 流体 粘度 大 ， 流动 边界层厚度 也大；流体导温系数大 ， 温度传递速度快 ， 温度边界层 厚度发展得快 ,使 温度边界层 厚度增加 。 因此 ,普朗特数 的 大小 可 直接用来衡量两种 边界层厚度 得 比值 。 异同： 在一个薄区域内，速度由 0 变到 99%的那个区域为流动边界层 ； 在一个薄区域内，温度由 0 变到 99%的那个区域为热边界层 。 二者厚度不一定相等，视流动情况 。 3、 火焰辐射： 火焰的辐射和吸收是在整个容积中进行的。火焰一般由双原子气体 ( 2N 、 2O 、 三原子气体 ( 2 2和悬浮固体粒子（炭黑、 飞灰 、焦炭粒子）所组成。其中 2N 和 2O 对 热辐射 是透明的 ,的含量一般很低，因此火焰中具有辐射能力的成分主要是 2各种悬浮的固体粒子。对于燃油 ,发光火焰辐射主要靠炭黑；对于 煤粉 ,发光火焰辐射主要靠焦炭粒子 ,发光火焰辐 射力一般比透明火焰大 2 3倍。 4、 x=0 x=a 两面绝热，