工程热力学答案

第一章 1. 平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什幺要引入平衡态的概念？ 答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。而稳定状态则是不论有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。 2. 表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？ 答：不能，因为表压力或真空度只是一个相对压力。若工质的压力不变，测量其压力的压力表或真空计的读数可能变化，因为测量所处的环境压力可能发生变化。 3． 当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈大还是愈小？ 答：真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈小。 4. 准平衡过程与可逆过程有何区别？ 答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。 5. 不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？ 答：不正确。不可逆过程是指不论用任何曲折复杂的方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。 6. 没有盛满水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧，这是什幺原因？ 答：水温较高时，水对热水瓶中的空气进行加热，空气压力升高，大于环境压力，瓶塞被自动顶开。而水温较低时，热水瓶中的空气受冷，压力降低，小于环境压力，瓶塞被自动吸紧。 7. 用U形管压力表测定工质的压力时，压力表液柱直径的大小对读数有无影响？ 答：严格说来，是有影响的，因为U型管越粗，就有越多的被测工质进入U型管中，这部分工质越多，它对读数的准确性影响越大。 1-3解： 第二章 1.绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问：⑴ 空气的热力学能如何变化？ ⑵ 空气是否作出了功？ ⑶ 能否在坐标图上表示此过程？为什么？答：（1）空气向真空的绝热自由膨胀过程的热力学能不变。（2）空气对外不做功。 （3）不能在坐标图上表示此过程，因为不是准静态过程。 2. 下列说法是否正确？ ⑴ 气体膨胀时一定对外作功。 错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。 ⑵ 气体被压缩时一定消耗外功。 对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。 ⑶ 气体膨胀时必须对其加热。 错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，不用对其加热。 ⑷ 气体边膨胀边放热是可能的。 对，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边膨胀边放热。 ⑸ 气体边被压缩边吸入热量是不可能的。 错，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边压缩边吸热。 ⑹ 对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。 错，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，其温度反而降低。 3“任何没有体积变化的过程就一定不对外作功”的说法是否正确？ 答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张力功等等，如果只考虑体积功的话，那么没有体积变化的过程就一定不对外作功。 4. 试比较图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各量的大小：⑴ W12与W1a2；  (2) U12 与 U1a2； (3) Q12与Q1a2 答：（1）W1a2大。 (2)一样大。 （3）Q1a2大。 5. 说明下列各式的应用条件： ⑴ 闭口系的一切过程 ⑵ 闭口系统的准静态过程 ⑶ 开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零 ⑷ 开口系统的稳定定压流动过程，并且轴功为零；或者闭口系统的定压过程。 2－4解：状态b和状态a之间的内能之差为： 所以，a-d-b过程中工质与外界交换的热量为： 工质沿曲线从b返回初态a时，工质与外界交换的热量为： 根据题中给定的a点内能值，可知b点的内能值为60kJ，所以有: 由于d-b过程为定容过程，系统不对外作功，所以d-b过程与外界交换的热量为： 所以a-d-b过程系统对外作的功也就是a-d过程系统对外作的功，故a-d过程系统与外界交换的热量为： 2－5 过程 Q kJ W kJ U kJ 1-2 1390 0 1390 2-3 0 395 -395 3-4 -1000 0 -1000 4-1 0 -5 5         2-5 解：由于汽化过程是定温、定压过程，系统焓的变化就等于系统从外界吸收的热量，即汽化潜热，所以有： 内能的变化为： 2-8  解：压缩过程中每千克空气所作的压缩功为： 忽略气体进出口宏观动能和势能的变化，则有轴功等于技术功，所以生产每kg压缩空气所需的轴功为： 所以带动此压气机所需的功率至少为： 2-11解：此过程为开口系统的稳定流动过程，忽略进出口工质的宏观动能和势能变化，则有： 由稳定流动过程进出口工质的质量守恒可得到： 所以整个系统的能量平衡式为： 故发电机的功率为： 第三章 思考题 1. 理想气体的 和 之差及 和 之比是否在任何温度下都等于一个常数？ 答：理想气体的 和 之差在任何温度下都等于一个常数，而 和 之比不是。 2. 如果比热容是温度t的单调增函数，当 时，平均比热容 、 、 中哪一个最大？哪一个最小？ 答：由 、 、 的定义可知 ，其中 ，其中 ，其中 因为比热容是温度t的单调增函数，所以可知 > ，又因为 故可知 最大， 又因为： 所以 最小。 3. 如果某种工质的状态方程式遵循 ，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅是温度的函数吗？ 答：不一定，比如理想气体遵循此方程，但是比热容不是常数，是温度的单值函数。这种物质的比热容不一定仅是温度的函数。由比热容的定义，并考虑到工质的物态方程可得到： 由此可以看出，如果工质的内能不仅仅是温度的函数时，则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。 9.有人认为由理想气体组成的封闭系统吸热后，其温度必定增加，这是否完全正确？你认为哪一种状态参数必定增加？ 答：不正确，因为对于成分固定的混合理想气体，其内能是仅是温度的单值函数，如果在过程中吸热的同时对外作正功，当作的正功大于吸热量，其内能必然减少，温度必然降低。只有熵值必定增加，因为根据克劳休斯不等式有: 其中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程，对于不可逆过程，T为热源的温度，由于温度T恒大于零，所以当过程为吸热过程（ ）时，系统的熵必然增加。 3-3解：⑴气体可以看作是理想气体，理想气体的内能是温度的单值函数，选取绝热气缸内的两部分气体共同作为热力学系统，在过程中，由于气缸绝热，系统和外界没有热量交换，同时气缸是刚性的，系统对外作功为零，故过程中系统的内能不变，而系统的初温为30℃，所以平衡时系统的温度仍为30℃。 ⑵设气缸一侧气体的初始参数为 ，终态参数为 ，另一侧气体的初始参数为 ，终态参数为 ，重新平衡时整个系统的总体积不变，所以先要求出气缸的总体积。 终态时，两侧的压力相同，即 ，对两侧分别写出状态方程， 联立求解可得到终态时的压力为： 3-7解：⑴ 定温： ，由理想气体的状态方程可得到初终态的体积： 所以气体对外所作的功和吸收的热量分别为： ⑵ 定熵：相当于可逆绝热过程，气体对外所作的功和热量分别为： 终温为： ⑶ n=1.2：为多方过程，根据过程方程可得到气体的终温为： 气体对外所作的功和热量分别为： 3－13 解：假设气体的定压和定容比热容都是常数，首先计算此理想气体的气体常数和定压、定容比热容： 所以其焓变和熵变分别为： 第四章 1. 循环的热效率公式 和  有何区别？各适用什么场合？ 答：前式适用于各种可逆和不可逆的循环，后式只适用于可逆的卡诺循环。 2. 循环输出净功愈大，则热效率愈高；可逆循环的热效率都相等；不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率，这些说法是否正确？为什么？ 答： 不正确，热效率为输出净功和吸热量的比，因此在相同吸热量的条件下，循环输出的出净功愈大，则热效率愈高。不是所有的可逆循环的热效率都相等，必须保证相同的条件下。在相同的初态和终态下，不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。 3. 热力学第二定律可否表述为“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能”？ 答： 不对， 必须保证过程结束后对系统和外界没有造成任何影响这一条件。否则热能可以全部变为机械能，比如理想气体的定温膨胀过程，系统把从外界吸收的热量全部转化为机械能，外界虽然没有任何任何变化，但是系统的体积发生改变了。 4. 下列说法是否正确？为什么？ ⑴ 熵增大的过程为不可逆过程； ⑵ 不可逆过程的熵变 无法计算； 3 若工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，则不可逆途径的 必大于可逆途径的 ； 4 工质经历不可逆循环后 ； 5 自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现； 6 工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小。 答： （1）不正确，只有孤立系统才可以这样说； （2）不正确，S为状态参数，和过程无关，知道初态和终态就可以计算； （3）不对，S为状态参数，和过程无关， 相等； （4）不对，工质经历可逆和不可逆循环后都回到初态，所以熵变为零。 （5）不对，比如系统的理想气体的可逆定温压缩过程，系统对外放热，熵减小。 （6）工质被加热熵一定增大，但是系统放热，熵不一定减小。如果是可逆过程，熵才一定减小。 5. 若工质从同一初态出发，分别经历可逆绝热过程与不可逆绝热过程膨胀到相同的终压力，两过程终态的熵哪个大？对外作的功哪个大？试用坐标图进行分析. 答：不可逆过程熵大，可逆过程作功大 4－1  解: 由热量守恒 由克劳休斯不等式： 它的设计是不合理的 4－7  解： （1）由孤立系统熵增原理： 所以有： （2）总功量为： （3） 所以 总熵变为： 4-12  解：根据温度流动的过程方程有： 所以 空气在压缩过程中的熵变为： 所以做功能力的损失为： 4-19 解：根据热力学第一定律有： 环境的熵变为： 选取气缸中的气体和环境为研究的热力学系统，此系统为孤立系统，其熵变等于熵产所以： 第五章 2.锅炉产生的水蒸气在定温过程中是否满足 的关系？为什么？ 答：不对，因为水蒸气不能看作是理想气体，其内能不仅是温度的函数，还是压力的函数，故此定温过程内能是改变的， 不等于0。 3．有无0℃或低于0℃的蒸汽存在？有无低于0℃的水存在？为什么？ 答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在，只要压力足够低就可能，但是没有低于0℃的水存在，因为水的三相点温度为0.01℃，低于三相点温度，只可能是固态或是气态。 4.25MPa的水，是否也象1MPa的水那样经历汽化过程？为什么？