(完整word版)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

1、工程热力学课后思考题答褰第四版沈维道童铃耕主编高等教育出炭补33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改变吗？绝对压力

2、计算公式p=pb+pg(p pb), p= pb-pv(p0PiPiPi所以，qi-2-3qi-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？P 4图4-i8证明:P图 4-i7avOv依题意，TbTc,所以Uab Uac。若b点及C点在同一条定温线上，则Uab= Uaco10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wt=q-h，非理想气体的u和h不一定等于 零，

3、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。11下列三式的使用条件是什么？k 1k 1kkIk-1丁k-1小k丁 小kP2V2=p1V1,I1V1=T2V2,I1P1=T2p2使用条件是：理想气体，可逆绝热过程。4-13在pv和Ts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，wt0。通过过程的起点划等温线（定温线），过程指向定温线下侧,h0、h0。吸收热量，q0;过程指向定熵线左侧，系统释放热量，q0。4-14试以可

4、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。4-15实际过程都是不可逆的，那么本章讨论的理想可逆过程有什么意 义？理想可逆过程是对实际过程的近似和抽象，实际过程过于复杂不 易于分析，通过理想可逆过程的分析以及根据实际过程进行适当修正, 可以了解实际过程能量转换变化情况，以及如何向理想可逆过程靠近 以提高相应的技术指标。u0的过程必为不可逆过

5、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，

6、则S不可逆 S可逆，Sf， 不可逆 Sf， 可逆，Sg， 不可逆 Sg， 可逆； （3）不可逆绝 热膨胀终态熵大于初态熵S2Si，不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵qS2Si;（4）工质经过不可逆循环ds 0,0。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，S2Si。错。-ds 0,因为熵是状态参数。5-10从点a开始有两个可逆过程：定容过程a- b和定压过程a-

7、 c,b、c两点在同一条绝热线上（见图5-34），问qa-b和qa-c哪个大？并在T-s图上表示 过程a-b和a-c及qa- b和qa-c。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qa-b qc-a，才能对外输出净功。也就是，qa-bqa-co图中，qa-b为abSbSaa围成的面积，qa-c为acSbSaa围成的面积。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-v图上和T-s图

8、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。答：见图。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、10题图11题图310K,wi-2,max=w=129.71 kJ/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下列命题是否正确？若

9、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0（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-U2o考虑排斥大气作功，有用功为Wu= U1-U2-P0（V1-V2）,但据火用的概念

10、 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-T0（S1-S2）-p0（V1-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？P1705-1t=T1273.15 20=11.726T1T2293.15 268.153005-4 (1) p1=p20.1150041=27.95MPa1Q2=Q1t11 726 12.5 104=22867.99kJ/h11.726N=W/95%=Qi/(0.95t)=2.5 1 04/(0.95 11.726)

11、=2244.23kJ/h=0.623kWN电炉=Qi=2.5 104kJ/h= 6.944kW5-2不米用回热p2=pi=0.1MPa, T4=TI=300K, T3=T2=1000K, q23=400kJ/kg,qi2=Cp(T2-Ti)=1.004 (1000-300)=702.8kJ/kgq34=Cp(T4-T3)=1.004 (300-1000)=-702.8kJ/kgq23=RT2ln(p2/p3), q41=RT1n(p4/p1)=RT1n(p3/p2)= -RT1In(p2/p3)q41=-T1q23/T2= -300 400/1000=-120kJ/kgt=1- q41+q34

12、/ (q12+q23) =1- -702.8-120 / (702.8+400) = 0.2539米用极限回热，过程34放热回热给过程12,q34q12r=1- q41/q23)=1- -120 /400=0.705-3如图所示，如果两条绝热线可以相交，则令绝 热线S1、S2交于a点，过b、c两点作等压线分 别与绝热线3、S2交于b、c点。于是，过程be、ca、ab组成一闭合循环回路，沿此回路可 进行一可逆循环，其中过程ca、ab均为可逆绝 热过程，只有定压过程bc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，是违反热力

13、学第二定律的。1 .4T2(2)见图。q3i=cp(Ti-T3)=R(TI-T2), q23=k 1=0.59765-5 (1) QH= Wnet= tQ1=3.5 0.40 100=140kJQH,C= cWnet,c= c cQ1=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Q1作为代价，使得部分热量从低温热源T0传到较高温热源TH，因此并不违背300=0.852000(1) W=cQ1=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=cQ1=0.85 2=1.70kJ，Q2=Q1-W=

14、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RT2ln匕300 In-0丄527.95kRT1T2丄1500 300k11.4 1，叫:1RT2ln (p2/p3)= RT2ln (p2/p1)29010000.71,c=THT0360360290=5.141热力学第二定律。可逆循环。(3) Qi, c=Wnet/c=1.5/o.85= 1.765kJ , Qi=Wnet+Q2=1.5+0.5=2.0kJQ1, 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更恩考题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

15、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pi0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

16、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

17、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

18、确定实际气体的状态方程时应用这些共性？答：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 + TS。dg =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=0。若此时系统内部发生 不可逆变化(外部条件不变) ，则ds0，d g0。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：df图 7 - 13 转回曲线(b)TiJA散热，从而使压缩过程离开绝热

19、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。5.压气机所需的功可从热力学第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功并用T-s图上面积表示其值。6.活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工 艺？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8-11上面积m2s2nm表示，这是否即是此不可逆过程作功能力损失？为 什