工程热力学复习第一部分答案

1、第 #页共13页第 页共13页基本概念闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对，为什么？答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡

2、状态与均匀状态有何区别和联系？答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。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？在绝对压力计算公式P，PP(PP?P，Pb-Pv(PP1；Av=Av2-31-4ww1-2-31-4-3（另一方面，P-v图上过程曲线与横轴v之间所夹的面积代表过程功，显见w12=w43=0；w23w43,即w123w143）。根据热力学第一定律：q=Au+w对热力学状态参数u，应有AuAuAuTOC o 1

3、-5 h z1-2-31-4-31-3可见qq1-2-31-4-39.如图4-16所示，今有两个任意过程a-b及a-c，其中b、c在同一条绝热线上。试问Aub与Au哪个大？若b、c在同一条定温线abac上，结果又如何？答：由于b、c在同一条绝热线上，过程b-c为绝热膨胀过程，由热力学第一定律，有w=-Au=u一ubcbcbc过程中系统对外作膨胀功，wbc0，故有ubuc因此，应有uuabac若b、c在同一条定温线上，根据理想气体的热力性质，则有u，ubcu，uabac在T-s图上如何表示绝热过程的技术功wt和膨胀功w？答：根据热力学第一定律，绝热过程的技术功wt和过程功w分别应等于过程的焓增量

4、和热力学能增量的负值，因此,在T-s图上绝热过程技术功wt和膨胀功w的表示，实际上就是过程的焓增量和热力学能增量的表示。具体方法为:(见第3章思考题11)在P-v图和T-s图上如何判断过程中q、w、Au、Ah的正负？答：当过程曲线分别指向绝热线、定容线、定温线的右侧时q、w、Au、Ah值为正；反之为负。热力学第二定律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：热力学第二定律的正确表述应是：热不可能全部变为功而不产生其它影响。所给说法中略去了“其它影响”的条件，因而是不妥当、不正确的。自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这

5、一说法是否正确？答：此说法不正确。自发过程具有方向性，因而必定是不可逆的；非自发过程是在一定补充条件下发生和进行的过程，虽然从理论上说来也许可以做到可逆，但事实上实际过程都不可逆，因为不可逆因素总是避免不了的。请给“不可逆过程”一个恰当的定义。热力过程中有哪几种不可逆因素？答：所谓不可逆过程是指那种系统完成逆向变化回复到原先状态后，与其发生过相互作用的外界不能一一回复到原来状态，结果在外界遗留下了某种变化的过程。简单地讲，不可逆过程就是那种客观上会造成某种不可恢复的变化的过程。典型的不可逆因素有：机械摩擦、有限温差下的传热、电阻、自发的化学反应、扩散、混合、物质从一相溶入另一相的过程等。Q2Q

6、21低温热源1低温热源1图4A热机循环图4B不可能的热机循环热机QiW0高温热源IQi热机W0试证明热力学第二定律各种说法的等效性：若克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立。证：热力学第二定律的克劳修斯表述是：热不可能自发地、不付代价地从高温物体传至低温物体。开尔文表述则为：不可能从单一热源取热使之全部变为功而不产生其它影响。按照开尔文说法，遵循热力学第二定律的热力发动机其原则性工作系统应有如图4A所示的情况。假设克劳修斯说法可以违背，热量Q2可以自发地不付代价地从地温物体传至高温物体，则应有如图4B所示的情况。在这种情况下，对于所示的热机系统当热机完成一个循环时，实际上低温热源既不得到什么

7、，也不失去什么，就如同不存在一样，而高温热源实际上只是放出了热量(Q-Q2)，同时，热力发动机则将该热量全部转变为功而不产生其它影响，即热力学第二定律的开尔文说法不成立。下述说法是否有错误：第 #页共13页第 页共13页循环净功Wt愈大则循环热效率愈高；net不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率1T,=12可逆循环的热效率都相等，tT1。W,=ne答：（1）说法不对。循环热效率的基本定义为：tQi,循环的热效率除与循环净功有关外，尚与循环吸热量Q1的大小有关；说法不对。根据卡诺定理，只是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间”的条件下才能肯定不可逆循环的热效率一定小于可逆循环

8、，离开了这一条件结论就不正确；说法也不正确。根据卡诺定理也应当是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间”的条件下才能,=1T2TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark36tT肯定所有可逆循环的热效率都相等，tT1，而且与工质的性质与关，与循环的种类无关。如果式中的温度分T,=12tT别采用各自的放热平均温度和吸热平均温度则公式就是正确的，即T1，不过这种情况下也不能说是“所有可逆循环的热效率都相等”，只能说所有可逆循环的热效率表达方式相同。qqTT,=厶2,=12循环热效率公式上q1和上T1是否完全相同？各适用于哪些场合？答：不完全相同。前者是循环热效率

9、的普遍表达，适用于任何循环；后者是卡诺循环热效率的表达，仅适用于卡诺循环，或同样工作于温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源间的一切可逆循环。与大气温度相同的压缩空气可以膨胀作功，这一事实是否违反了热力学第二定律？答：不矛盾。压缩空气虽然与大气有相同温度，但压力较高，与大气不处于相互平衡的状态，当压缩空气过渡到与大气相平衡时，过程中利用系统的作功能力可以作功，这种作功并非依靠冷却单一热源，而是依靠压缩空气的状态变化。况且，作功过程中压缩空气的状态并不依循环过程变化。下述说法是否正确:.熵增大的过程必定为吸热过程：熵减小的过程必为放热过程；定熵过程必为可逆绝热过程。答：说法不对。系统的熵变来

10、源于熵产和热熵流两个部分，不可逆绝热过程中工质并未从外界吸热，但由于存在熵产工质的熵也会因而增大；说法是对的。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，其中熵产必定是正值，因而仅当系统放热，热熵流为负值时，系统的熵值才可能减小；这种说法原则上是不对的。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，其中熵产必定是正值，对于不可逆的放热过程，其热熵流为负值，当热熵流在绝对数值上恰好与熵产一样时，过程将成为定熵的。因此：可逆的绝热过程为定熵过程，而定熵过程却不一定是绝热过程。下述说法是否有错误：熵增大的过程必为不可逆过程；使系统熵增大的过程必为不可逆过程；熵产S0的过程必为不可逆过程；不可逆过程的熵变AS无法计

11、算；g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SSSSSS不可逆可逆、f,不可逆f,可逆、g,不可逆g,可逆；ds0不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵，S2S,不可逆绝热压缩的终态熵小于初态熵S2vS；工质经过不可逆循环有答：说法不正确。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，其中熵产必定是正值（含零），热熵流则可为正值，亦可为负值。当系统吸热时热熵流为正值，即便是可逆过程（熵产为零）系统的熵也增大；此说法与是一样的。如果所说的“系统”指的是孤立系统则说法是正确的。不过实在不应该这样含糊“系统”这一概念！根据熵产原理，这一说法是正确的。此说法完全错误。熵是状态参数，只要过程

12、的初、终状态确定了，系统的熵变就完全确定，与过程无关。因此，不可逆过程熵变的计算方法之一便是借助同样初、终状态的可逆过程来进行计算。至于利用熵的一般关系式进行熵变计算，它们根本就与过程无关。根据熵为状态参数知，两种过程的端点状态相同时应有相同的熵变，认为S不可逆S可逆是错误的；SS不可逆过程将有熵产生，而可逆过程则不会产生熵，因此说g,不可逆g,可逆是正确的；cccaccSf,不可逆=S-Sg,不可逆，式中Sg,不可逆0熵是状态参数，过程端点状态相同时应有相同熵变，由系统熵方程SfSg，过程可逆时Sf,可逆；不可逆时可见应有Sf,可逆Sf,不可逆，而不是Sf,不可逆Sf,可逆此说法不对。根据熵

13、产原理，系统经历不可逆绝热过程后，无论是膨胀或受压缩，其熵都将增大。,ds0由熵为状态参数知，工质经过循环过程后其熵应不变，所以认为是不正确的；根据克劳修斯不等式知,dqqc-aa-ba-c在T-s图上qa-b的大小如面积abcsbsaa所示；qa-c的大小如面积acsbsaa所示；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某种理想气体压缩到相同的终压，在P-v图和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。答：作图如下图中12s为可逆绝热压缩；12为不可逆绝热压缩。第8页共13页第 页共13页第 页共13页T1=T1面积12ss1s11为可逆绝热压缩

14、消耗的技术功；面积12s2S,1为不可逆绝热压缩消耗的技术功。s1s2sPP2T0为环境温度，带阴影线部分面积为不可逆过程的火用损失。12.立系统中进行了P1可逆过程；不可逆过程。问孤立系统的总能、总熵、总火用各自如何变化也答：经历可逆过程后，孤立系统的总能、总熵、总火用均不改变；经历不可逆过程后，孤立系统的总能将保持不变，总熵将增加，总火用将减少。简要计算与分析题1刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如右图所示。若将隔板抽去，试分析容器中空气的状态参数（T、P、u、s、v）如何变化，并简述为什么。答：u、T不变，P减小，v增大，s增大。2试在所给参数坐标图上定性

15、地画出理想气体过点1的下述过程，分别指出该过程的过程指数n应当在什么数值范围内（图中请标明四个基本过程线）：1）压缩、升温、吸热的过程2）膨胀、降温、吸热的过程。答：(1)nk如图所示T_s图上理想气体任意可逆过程12的热量如何表示？热力学能变化量、焓变化量如何表示？若过程12是不可逆的，上述各量是否相同？(请写出简明的作图方法。)答：对可逆过程，热量为面积l-m-k-2-l,热力学能变化量为面积l-m-n-2v-l,焓变化量为l-m-g-2p-l。对不可逆过程，热量无法表示，热力学能和焓变化量相同第 #页共13页第 #页共13页第 #页共13页第 #页共13页c22其中：QWsh，Q+(h1

16、60 x10360c2+-+gz)m(h2l2，1000(J/s)pVm二一1-RTgl95x103287x(273+25)34060c2+gz)ma)，6.2944(kg/s)四综合计算题l.压气机在95kPa、25C的状态下稳定地以340m3/min的容积流率吸入空气，进口处的空气流速可以忽略不计；压气机排口处的截面积为0.025m2,排出的压缩空气的参数为200kPa、l20C。压气机的散热量为60kJ/min。已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg.K)，比定热容cV=0.7l7kJ/(kg.K)，求压气机所消耗的功率。(l6分)解：以压气机中空气为研究对象，其稳定工况的能量方

17、程为+gz)m(h+C+gz)m，0l222c0m/slAz，0mmRT6.2944x287x(273+l20)g2，141.99(m/s)pApA200 x103x0.0252222Ah，hh，cAT，(273+717)x(12025)，95380.0(7/s)2lp第 页共13页第 页共13页co唤LJ0.07MP卫:爲C|0.1附a17CAHVAVBmRTAgA1PA1mRTBgB122973400.07106，2.8851m3PB182972900.1106，6.8904m3（4分）取A+B中的气体为系统（CM）,m=mA+mB=2+8=10kgV=VA+VB=2.8851+6.890

18、4=9.7755m3(2分)AB终态时的气体压力mRTP,g22V102973139.7755，0.0951MPa(2分)将以上数据代入式（a）,可得压气机所消耗的功率为：141992W，-1000+6.2944（95380.0-），-6.648105（J/s）sh22.在高温环境中有一容器,A侧装有2kg氮气,压力为0.07MPa,温度为67C；B侧装有8kg氮气,压力为0.1MPa,温度为17C,。A和B的壁面均为透热壁面，它们之间用管道和阀门相连，见附图。现打开阀门，氮气由B流向A。氮气可视为理想气体，已知气体常数Rg,N=297J/（kgK）,过程中的平均定容比热容cv=0.742kJ

19、/（kgK）,，若压力平衡时容器中气体温度为t2=40C,试求：（1）平衡时终压力P2;吸热量Q:气体的熵变。（18分）解：（1）容器A和B的容积分别为按题给，系统不对外作功，有Q，U，meTc(mT+mT)v2vAA1BB1，100.7423130.742(2340+8290)(5分)，2322.462226，96.46kJ原在A中的氮气熵变（2分）Tp273+4000951S，m(cln2Rln2),2(1.039ln0.297ln)，0.3540kJ/KTOC o 1-5 h zAAPTgP273+670.07AA原在B中的氮气熵变(2分)TP273+4000951S，m(cln2Rln

20、2),2(1.039ln0.297ln)，0.7538kJ/KBBpTgP273+170.1BB全部氮气的熵变S，S+S，0.3540+0.7538，0.3998kJ/K(1分)AB第11页共13页一、1水蒸气定压发生过程在P-V和T-S图上所表示的特征归纳为一点：临界点,二线：饱和水线饱和蒸汽线;三区：未饱和水，湿饱和蒸汽，过饱和蒸汽。孤立系统中进行可逆变化时系统总熵不变，进行不可逆变化时总熵必增大。如果势力系处于不平衡状态下，则不能在状态图上标示。4组成制冷系统的四大设备是换热器、压缩机、膨胀机、冷却器。5在最高温度与最低温度相同的所有的循环中以卡诺循环的热效率最高。湿空气含水蒸气和干空气

21、两种成分。运用于闭口系统，理想和实际气体，可逆和不可逆过程。将相同质量的氢气和氧气分别储存在相同容器内，二容器温度相等，两者压力为氢气压力氧气压力。朗肯循环由两个等压和两个绝热过程构成。理想气体的焓是温度的单值函数。水蒸气定压加热过程水加热生成过热蒸汽经五种变化，即过冷水，饱和水，湿饱和蒸汽，干饱和蒸汽，过热蒸汽。在T-S图中任意逆过程吸热小于放热13.定量的某种气体经历某种过程不可能发生的是吸热降温对外做负功同一地区阴雨天的大气压力比晴天的压力高可逆过程一定是准静态过程。16.水蒸气定压气化过程温度不变卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成。经一个不等温传热热量的可用能减小，废热增大。经过

22、一个不可逆过程，工质可以恢复原来状态20缩放管进口参数P1下和背压p一定时，在渐扩管切去一段，则出口面积减小这出口速度c减小，流量Q不变。理想气体可逆定温过程焓不变。不可逆过程的熵产必定大于零。工质经历一个不可逆过程后，熵不变。24迈耶公式Cp-Cv=Rg适用于理想气体是否定比热容不限。25.焓的表达式H=U+PV26理想气体的比热容随气体的种类而不同，但对某种气体而言，比热容是气体的单值函数。27不可逆循环的熵产必然大于零绝热过程P=常数，k=Cp/Cv,适用于理想气体定比热容可逆绝热过程。郎肯循环可理想化为两个定压过程和两个等熵过程。二、1.提高新蒸汽的温度、压力和降低乏汽压力理论上都可以提高郎肯循环热效率。正确）已知饱和湿蒸汽的温度和压力不能确定它的其他状态参数。（错误）3只要气体的比热容是常数,Cp-Cv=Rg.（错误）准静态过程一定是可逆过程（错误）喷管内稳定流动的气体在各截面上的流速不同，但各截面的流量相同（正确）理想气体只有取定比热容时，才能满足迈耶公式Cp-Cv=R（错误）稳定状态不一定是平衡状态（正确）绝热闭口系的熵增就是孤立系的熵增（错误）绝热节流后气体的温度可能升高。（错误）饱和湿蒸汽的干球温度等于湿球温度等于露点温度（正确）容器中气体的压力不变，则压力表的读数绝对不变（错误）已知饱和湿蒸汽的温度和压力不能确定其