工程熱力學(xué)課后思考題答案__第四版_沈維道_童鈞耕主編_高等教育出版社.doc

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_30頁思考題1閉口系與外界無物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎？不一定，穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量也保持恒定。2有人認(rèn)為開口系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱系。對(duì)不對(duì)，為什么？不對(duì)，絕熱系的絕熱是指熱能單獨(dú)通過系統(tǒng)邊界進(jìn)行傳遞（傳熱量），隨物質(zhì)進(jìn)出的熱能（準(zhǔn)確地說是熱力學(xué)能）不在其中。4倘使容器中氣體的壓力沒有改變，試問安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)會(huì)改變嗎？絕對(duì)壓力計(jì)算公式p2=pg2+p1pbpg2pg1p1=pg1+pb4題圖p=pb+pg (p pb), p= pb -pv (pTc，所以DuabDuac。若b點(diǎn)及c點(diǎn)在同一條定溫線上，則Duab=Duac。11下列三式的使用條件是什么？p2v2k=p1v1k，T1v1k-1=T2v2k-1，T1=T2使用條件是：理想氣體，可逆絕熱過程。12Ts圖上如何表示絕熱過程的技術(shù)功wt和膨脹功w？p=0v=04-14 試以可逆絕熱過程為例，說明水蒸氣的熱力過程與理想氣體的熱力過程的分析計(jì)算有什么異同？相同點(diǎn)：都是首先確定起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，然后在計(jì)算過程的作功量等數(shù)據(jù)。計(jì)算過程中，始終要符合熱力學(xué)第一定律。不同點(diǎn)：理想氣體的計(jì)算是依靠理想氣體狀態(tài)方程以及功和熱量的積分計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算，而水蒸氣是依靠查圖查表進(jìn)行計(jì)算。193頁思考題5-1熱力學(xué)第二定律能否表達(dá)為：“機(jī)械能可以全部變?yōu)闊崮埽鵁崮懿豢赡苋孔優(yōu)闄C(jī)械能?！边@種說法有什么不妥當(dāng)？答：熱能不是不可能全部變成機(jī)械能，如定溫過程就可以。但想要連續(xù)地將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能則是不可能的。5-2理想氣體進(jìn)行定溫膨脹時(shí)，可從單一恒溫?zé)嵩次氲臒崃?，將之全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?duì)外輸出，是否與熱力學(xué)第二定律的開爾文敘述有矛盾？提示：考慮氣體本身是否有變化。答：理想氣體進(jìn)行定溫膨脹時(shí)，壓力不斷降低，體積越來越大。當(dāng)壓力低到外界壓力時(shí)，就不能再繼續(xù)降低了，過程也就停止了。熱力學(xué)第二定律的開爾文敘述的內(nèi)容是：不可能制造出從單一熱源吸熱，使之全部轉(zhuǎn)化為功而不留下其他任何變化的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)（第二類永動(dòng)機(jī)是不可能制造成功的。） 一方面壓力降低，體積增大就是變化；另一方面，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)要求連續(xù)工作，而定溫過程做不到。所以，這個(gè)過程與熱力學(xué)第二定律無矛盾。5-3自發(fā)過程是不可逆過程，非自發(fā)過程必為可逆過程，這一說法是否正確？答：錯(cuò)?！胺亲园l(fā)過程必為可逆過程?！钡恼f法完全錯(cuò)誤，非自發(fā)過程需付出代價(jià)（更強(qiáng)的自發(fā)過程）才能實(shí)現(xiàn)，可逆過程則是一種實(shí)際上不存在的理想過程，兩者之間沒有什么關(guān)系。5-4請(qǐng)給“不可逆過程”一個(gè)恰當(dāng)?shù)亩x。請(qǐng)歸納熱力過程中有哪幾種不可逆因素？答：各種不可逆因素總可以表示為將機(jī)械能耗散為熱能，例如溫差傳熱，卡諾說：凡是有溫度差的地方都可以產(chǎn)生動(dòng)力。因此，溫差傳熱使得本可以作出的功沒有作出，這就相當(dāng)于將機(jī)械能耗散為熱能。凡是最終效果都可以歸結(jié)為使機(jī)械能耗散為熱能的過程都是不可逆過程。熱力過程中的不可逆因素有功熱轉(zhuǎn)換、有限溫差傳熱、自由膨脹、混合過程、電阻等等。5-5 試證明熱力學(xué)第二定律的各種說法的等效性：若克勞修斯說法不成立，則開爾文說法也不成立。答：熱力學(xué)第二定律的各種說法都是等效的，可以證明它們之間的等效性。Q1T1T2T2T1Q2Q2Q1QQ2WW0REE圖4-1 圖4-2如圖41所示，某循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)E自高溫?zé)嵩碩1吸熱Q1，將其中一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能W0，其余部分Q2=Q1W0排向低溫?zé)嵩碩2，如果可以違反克勞修斯說法，即熱量Q2可以不花代價(jià)地自低溫?zé)嵩磦鞯礁邷責(zé)嵩?，如圖中虛線所示那樣，則總的結(jié)果為高溫?zé)嵩词崮?Q1Q2)，循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了相應(yīng)的機(jī)械能W0，而低溫?zé)嵩床o變化，相當(dāng)于一臺(tái)從單一熱源吸熱而作功的循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。所以，違反克勞修斯說法必然違反開爾文說法，類似地，違反開爾文說法也必然違反克勞修斯說法，兩種說法完全等價(jià)（圖4-2）。5-6下列說法是否有錯(cuò)誤：（1）循環(huán)凈功Wnet愈大則循環(huán)熱效率愈高；（2）不可逆循環(huán)熱效率一定小于可逆循環(huán)熱效率；（3）可逆循環(huán)熱效率都相等，。（1） 錯(cuò)。（2） 錯(cuò)。應(yīng)當(dāng)是在同樣的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g。否則沒有比較基礎(chǔ)。（3） 錯(cuò)。應(yīng)當(dāng)是在同樣的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g。否則沒有比較基礎(chǔ)。5-7循環(huán)熱效率公式：和是否完全相同？各適用于哪些場合？答：不同。前者適用于一般的循環(huán)（可逆和不可逆循環(huán)），后者僅適用于在兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g工作的可逆循環(huán)。（第三版5-8題）不違反。它是依賴于壓力差作功的。5-8下述說法是否正確：（1）熵增大的過程必定為吸熱過程；（2）熵減小的過程必為放熱過程；（3）定熵過程必為可逆絕熱過程；（4）熵增大的過程必為不可逆過程；（5）使系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程；（6）熵產(chǎn)Sg0的過程必為不可逆過程。答：（1） 錯(cuò)。不可逆絕熱過程熵也會(huì)增大。（2） 錯(cuò)，不準(zhǔn)確。不可逆放熱過程，當(dāng)放熱引起的熵減大于不可逆引起的熵增時(shí)（亦即當(dāng)放熱量大于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時(shí)），它也可以表現(xiàn)為熵略微減少，但沒有可逆放熱過程熵減少那么多。（3） 錯(cuò)。不可逆放熱過程，當(dāng)放熱引起的熵減等于不可逆引起的熵增時(shí)（亦即當(dāng)放熱量等于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時(shí)），它也可以表現(xiàn)為熵沒有發(fā)生變化。（4）錯(cuò)?？赡嫖鼰徇^程熵增大。（5）錯(cuò)。理由如上?？梢哉f：“使孤立系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程?！保?）對(duì)。5-9下述說法是否有錯(cuò)誤：（1）不可逆過程的熵變DS無法計(jì)算；（2）如果從同一初始態(tài)到同一終態(tài)有兩條途徑，一為可逆，另一為不可逆，則DS不可逆DS可逆，DSf，不可逆DSf，可逆，DSg，不可逆DSg，可逆；（3）不可逆絕熱膨脹終態(tài)熵大于初態(tài)熵S2S1，不可逆絕熱壓縮終態(tài)熵小于初態(tài)熵S2S1;（4）工質(zhì)經(jīng)過不可逆循環(huán)，。答：（1）錯(cuò)。熵是狀態(tài)參數(shù)，只要能夠確定起迄點(diǎn)，就可以確定熵變DS。（2）錯(cuò)。應(yīng)為DS不可逆=DS可逆、Sf，不可逆Sg，可逆。因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)，同一初始狀態(tài)和同一終了狀態(tài)之間的熵差保持同一數(shù)值，與路徑無關(guān)。（3）錯(cuò)。不可逆絕熱壓縮過程的終態(tài)熵也大于初態(tài)熵，S2S1。（4）錯(cuò)。，因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)。p b a c 0 v圖5345-10從點(diǎn)a開始有兩個(gè)可逆過程：定容過程ab和定壓過程ac，b、c兩點(diǎn)在同一條絕熱線上（見圖534），問qab和qac哪個(gè)大？并在Ts圖上表示過程ab和ac及qab和qac。答：可逆定容過程a-b和可逆定壓過程a-c的逆過程c-a以及可逆絕熱線即定熵線上過程b-c構(gòu)成一可逆循環(huán)，它們圍成的面積代表了對(duì)外作功量，過程a-b吸熱，過程c-a放熱，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，必然有qa-bqc-a，才能對(duì)外輸出凈功。也就是，qa-bqa-c。sbsacTsba10題圖圖中，qa-b為absbsaa圍成的面積，qa-c為acsbsaa圍成的面積。5-12孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了（1）可逆過程；（2）不可逆過程，問孤立系統(tǒng)的總能、總熵、總火用各如何變化？答：（1）孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了可逆過程后，總能、總熵、總火用都不變。（2）孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了不可逆過程后，總能不變，總熵、總火用都發(fā)生變化。5-14 下列命題是否正確？若正確，說明理由；若錯(cuò)誤，請(qǐng)改正。（1）成熟的蘋果從樹枝上掉下，通過與大氣、地面的摩擦、碰撞，蘋果的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境介質(zhì)的熱力學(xué)能， 勢能全部是火用，全部轉(zhuǎn)變?yōu)榛馃o。（2）在水壺中燒水，必有熱量散發(fā)到環(huán)境大氣中，這就是火無，而使水升溫的那部分稱之為火用。（3）一杯熱水含有一定的熱量火用，冷卻到環(huán)境溫度，這時(shí)的熱量就已沒有火用值。（4）系統(tǒng)的火用只能減少不能增加。（5）任一使系統(tǒng)火用增加的過程必然同時(shí)發(fā)生一個(gè)或多個(gè)使火用減少的過程。 235頁思考題1. 實(shí)際氣體性質(zhì)與理想氣體性質(zhì)差異產(chǎn)生的原因是什么？在什么條件下才可以把實(shí)際氣體作理想氣體處理？答：差異產(chǎn)生的原因就是理想氣體忽略了分子體積與分子間作用力。當(dāng)p0時(shí)，實(shí)際氣體成為理想氣體。實(shí)際情況是當(dāng)實(shí)際氣體距離其液態(tài)較遠(yuǎn)時(shí)，分子體積與分子間作用力的影響很小，可以把實(shí)際氣體當(dāng)作理想氣體處理。2. 范德瓦爾方程的精度不高，但是在實(shí)際氣體狀態(tài)方程的研究中范德瓦爾方程的地位卻很高，為什么？答：范德瓦爾方程是第一個(gè)實(shí)際氣體狀態(tài)方程，在各種實(shí)際氣體狀態(tài)方程中它的形式最簡單；它較好地定性地描述了實(shí)際氣體的基本特征；其它半理論半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)方程都是沿范德瓦爾方程前進(jìn)的。答：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于實(shí)際，而范德瓦爾臨界壓縮因子與實(shí)際的壓縮因子誤差較大，所以由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的接近于實(shí)際。3. 什么叫對(duì)應(yīng)態(tài)定律？為什么要引入對(duì)應(yīng)態(tài)定律？什么是對(duì)比參數(shù)？答：在相同的對(duì)比態(tài)壓力和對(duì)比態(tài)溫度下，不同氣體的對(duì)比態(tài)比體積必定相同。引入對(duì)應(yīng)態(tài)原理，可以使我們在缺乏詳細(xì)資料的情況下，能借助某一資料充分的參考流體的熱力性質(zhì)來估算其它流體的性質(zhì)。某氣體狀態(tài)參數(shù)與其臨界參數(shù)的比值稱為熱力對(duì)比參數(shù)。（對(duì)比參數(shù)是一種無量綱參數(shù)）4. 自由能和自由焓的物理意義是什么？兩者的變化量在什么條件下會(huì)相等？答：H=G + TS，U=F + TS。dg =dhd(Ts) =dhTdssdT，簡單可壓縮系統(tǒng)在可逆等溫等壓條件下，處于平衡狀態(tài)：dg =Tds，ds=0dg=0。若此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生不可逆變化（外部條件不變），則ds0，dg0。例如系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)熱能（都是熱力學(xué)能），必要條件是dg0，否則過程不能發(fā)生。類似地，簡單可壓縮系統(tǒng)在等溫等容條件下，內(nèi)部發(fā)生變化的必要條件是：df0。引申：系統(tǒng)的g、f沒有時(shí)，dg=0，df=0。內(nèi)部變化不再進(jìn)行。進(jìn)而可以認(rèn)為g、f是系統(tǒng)內(nèi)部變化的能力和標(biāo)志，所以分別稱為自由焓、自由能，相應(yīng)地，TS可稱為束縛能。與火用相比，吉布斯自由能和亥姆霍茲自由能不需要與環(huán)境狀態(tài)聯(lián)系，且是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)。搞理論熱力學(xué)的人（物理學(xué)家們）根本不拿火用當(dāng)回事。兩者的變化量在什么條件下會(huì)相等？有什么意義呢？dgdf=d(hTs)d(uTs)=dhdu=0，對(duì)于理想氣體可逆等溫過程，兩者的變化量相等?；蛘撸篸hdu= d(pv)=05. 什么是特性函數(shù)？試說明u=u(s, p)是否是特性函數(shù)。答：某些狀態(tài)參數(shù)表示成特定的兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)的函數(shù)時(shí)，只需一個(gè)狀態(tài)參數(shù)就可以確定系統(tǒng)的其它參數(shù)，這樣的函數(shù)就稱為特性函數(shù)。熱力學(xué)能函數(shù)僅在表示成熵及比體積的函數(shù)時(shí)才是特性函數(shù)，換成其它獨(dú)立參數(shù)，如u=u(s, p)，則不能由它全部確定其它平衡性質(zhì)，也就不是特性函數(shù)了。6. 試導(dǎo)出以T、p及p、v為獨(dú)立變量的du方程及以T、v及p、v為獨(dú)立變量的dh方程。7. 本章導(dǎo)出的關(guān)于熱力學(xué)能、焓、熵的一般關(guān)系式是否可用于不可逆過程？答：由于熱力學(xué)能、焓、熵都是狀態(tài)參數(shù)，其變化與過程無關(guān)，所以其結(jié)果也可以用于不可逆過程。263頁思考題2如何用連續(xù)性方程解釋日常生活的經(jīng)驗(yàn)：水的流通截面積增大，流速就降低？答： 在日常生活中，水可視為不可壓縮流體，其比體積不會(huì)發(fā)生變化，因而由上式有 Acf=常數(shù)，即截面積變化與速度變化成反比。6考慮摩擦損耗時(shí)，為什么修正出口截面上速度后還要修正溫度？答：如上。8如圖717所示，（a）為漸縮噴管，（b）為縮放噴管。設(shè)兩噴管工作背壓均為0.1MPa，進(jìn)口截面壓力均為1MPa，進(jìn)口流速cf1可忽略不計(jì)。若（1）兩噴管最小截面積相等，問兩噴管的流量、出口截面流速和壓力是否相同？（2）假如沿截面22切去一段，將產(chǎn)生哪些后果？出口截面上的壓力、流速和流量將起什么變化？ 1 2 2 1 2 2p1=1MPa pb=0.1MPap1=1MPa pb=0.1MPa 1 2 2 1 2 2 (a) (b)圖717 思考題78附圖答：（1）兩噴管最小截面積相等，則兩噴管的流量相等，出口截面流速和壓力不相等。漸縮噴管出口截面流速為當(dāng)?shù)匾羲?，出口截面壓力等于臨界壓力（0.528Mpa），縮放噴管出口截面壓力等于背壓（充分膨脹情況下），出口截面流速為超聲速（）。（2）漸縮噴管，沿截面22切去一段后，臨界狀態(tài)前移到22截面，出口速度為當(dāng)?shù)匾羲伲隹诮孛鎵毫Φ扔谂R界壓力（0.528Mpa），由于出口面積變大，噴管流量增大?？s放噴管，沿截面22切去一段后，噴管形狀不足以保持完全膨脹，出口壓力高于背壓，出口流速比切去一段以前?。ㄈ詾槌曀伲?，噴管流量不變。（噴管內(nèi)剩余部分流動(dòng)沒有變化）。10既然絕熱節(jié)流前后焓值不變，為什么作功能力有損失？答：絕熱節(jié)流后氣體的壓力降低，可逆絕熱膨脹過程焓降所能作出的功沒有作出，導(dǎo)致節(jié)流后焓仍然等于節(jié)流前。該作出的功沒有作出，就產(chǎn)生了作功能力損失。281頁思考題3如果由于應(yīng)用氣缸冷卻水套以及其他冷卻方法，氣體在壓氣機(jī)氣缸中已經(jīng)能夠按定溫過程進(jìn)行壓縮，這時(shí)是否還需要采用分級(jí)壓縮？為什么？答：還需要分級(jí)壓縮。是為了減小余隙容積的影響。但不需要中間冷卻。4壓氣機(jī)按定溫壓縮時(shí)，氣體對(duì)外放出熱量，而按絕熱壓縮時(shí)，不向外放熱，為什么定溫壓縮反較絕熱壓縮更為經(jīng)濟(jì)？答：壓氣機(jī)耗功中有意義的部分是技術(shù)功，不考慮宏觀動(dòng)能和勢能的變化，就是軸上輸入的功（由設(shè)備直接加諸氣體的機(jī)械功），而同樣進(jìn)出口壓力定溫過程消耗的技術(shù)功比絕熱過程少，絕熱過程消耗的技術(shù)功有一部分用于提高氣體溫度。7葉輪式壓氣機(jī)不可逆絕熱壓縮比可逆絕熱壓縮多消耗功可用圖811上面積m2s2nm表示，這是否即是此不可逆過程作功能力損失？為什么？T p2 2 p1 1 O s圖813思考題88附圖8如圖813所示的壓縮過程12若是可逆的，則這一過程是什么過程？它與不可逆絕熱壓縮過程12的區(qū)別何在？兩者之中哪一過程消耗的功大？大多少？THANKS 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