《高等工程熱力學(xué)及傳熱學(xué)》思考題參考答案

以下為高等工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)思考題（江蘇大學(xué) 單春賢）答案，該答案由多人完成，可能不完全并不保證正確率 。答案僅供參考。 高等工程熱力學(xué) 1、穩(wěn)定態(tài) ：當(dāng)系統(tǒng)與外界之間不存在是外界遺留下有限變化的作用時(shí)，不會(huì)發(fā)生有限狀態(tài)變化的系統(tǒng)狀態(tài)。處于穩(wěn)定態(tài)的系統(tǒng)，只要沒(méi)有受到是外界留下有限變化的作用，就不可能產(chǎn)生有限速率的狀態(tài)變化。 平衡態(tài)： 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)參數(shù)不隨時(shí)間而變化，且系統(tǒng)與外界不存在能量與物質(zhì)的交換，則系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)。 聯(lián)系：穩(wěn)定平衡態(tài)： 一個(gè)約束系統(tǒng)，當(dāng)只容許經(jīng)歷在外界不留下任何凈影響的過(guò)程時(shí)， 從一個(gè)給定的初始容許態(tài)能夠達(dá)到唯一的一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。 區(qū)別： 平衡是不存在各種勢(shì)差；而穩(wěn)定是狀態(tài)不隨時(shí)間變化。 如果一系統(tǒng)在不受外界影響的條件下，已處于穩(wěn)定態(tài)，該系統(tǒng)不一定處于平衡態(tài)。 2、熱力學(xué)第一定律能量表述 ： 加給熱力系的熱量，等于熱力系的能量增量與熱力系對(duì)外作功之和。 d ； 在熱力系統(tǒng)的兩個(gè)給定穩(wěn)態(tài)之間進(jìn)行的一切絕熱過(guò)程的功都是相同的。 熱力學(xué)第二定律能量表述 ：克勞修斯說(shuō)：不可能把熱從低溫物體傳導(dǎo)高溫物體而不引起其他變 化，即熱從低溫物體不可能自發(fā)地傳給高溫物體。 熱力學(xué)第一定律的火用 、火無(wú)表述 ：在任何過(guò)程中，火用和火無(wú)的總量保持不變。 熱力學(xué)第二定律的火用、火無(wú)表述 ：若是可逆過(guò)程，則火用保持不變；若是不可逆過(guò)程，則部分轉(zhuǎn)化為火無(wú)，火無(wú)不能轉(zhuǎn)化為火用。 3、 處于穩(wěn)定態(tài)的系統(tǒng)，只要沒(méi)有受到使外界留下有限變化的作用，就不可能產(chǎn)生有限速率的狀態(tài)變化。當(dāng)系統(tǒng)與外界之間不存在使外界遺留下有限變化的作用時(shí)，不會(huì)發(fā)生有限狀態(tài)變化的系統(tǒng)狀態(tài)。重物下落時(shí)，由于受到重力作用，做勻加速運(yùn)動(dòng)，速率發(fā)生變化，若不對(duì)外界產(chǎn)生影響，則過(guò)程不可能實(shí)現(xiàn)。 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 水不可壓縮， 得 214 s T 混合后的溫度為 350K 所以 3504 3504 494 . 1 5 l n 048s s 因此絕熱混合后熵增加，自然界一切自發(fā)的過(guò)程均為熵增加的過(guò)程 6、 （ 1）吸熱過(guò)程熵不一定增加，熵增不一定是吸熱過(guò)程，也可能因?yàn)樽龉?dǎo)致熵增。 （ 2）放熱過(guò)程不一定熵減小，熵減小不一定是放熱過(guò)程，也有可能是做功導(dǎo)致。 7、 熵流與熵產(chǎn)都是熵增，但熵流表示的是由于與系統(tǒng)與外界傳熱引起的熵增，而熵產(chǎn)表示不可逆產(chǎn)生的熵增。熵是狀態(tài)參數(shù)，而熵流與熵產(chǎn)都取決于過(guò)程的特性。 8、 1 定壓過(guò)程，故 51 2 1 0 P a 定熵過(guò)程，等熵指數(shù) 1 1 . 4 151 . 42 522 1 0( ) 3 0 0 ( ) 3 6 5 . 71 1 0T T （ 1） 1- A 過(guò)程： 內(nèi)功：11( T T ) 1 3 2 . 3 3 k J / k v 推擠功： 11 0 1 01( V ) ( ) 2 6 . 4 5 k J / k R Tw p V 軸功：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： 內(nèi)功 ：22( T T ) 4 7 . 1 7 k J / k v 推擠功 22 0 2 02( V ) ( ) 3 3 . 6 2 k J / k gg g R Tw p V 軸功：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 總功：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 總軸功：12 1 0 5 . 8 8 1 3 . 5 5 9 2 . 3 3 /xw k J k g 總推擠功：12 2 6 . 4 5 3 3 . 6 2 7 . 1 7 /dw k J k g 9、 （ 1）確定 u, h, p,v,T,之間的關(guān)系，便于編制工質(zhì)熱力性質(zhì)表。確定 v 與 p,v,T 的關(guān)系，用以建立實(shí)際氣體狀態(tài)方程。確定 易測(cè)的 v。熱力學(xué)微分關(guān)系式適用于任何工質(zhì)，可用其檢驗(yàn)已有圖表、狀態(tài)方程的準(zhǔn)確性。 （ 2）熱力學(xué)微分關(guān)系式不能指名特定物質(zhì)的具體性質(zhì)，其最主要的作用是建立不可測(cè)熱力學(xué)參數(shù)與可測(cè)熱力學(xué)參數(shù)（壓力、溫度、比容和定壓比熱容）之間的聯(lián)系。若欲知某物質(zhì)的特性，一般還要了解該物質(zhì)的狀態(tài)方程。 10由 ( ) ( )開(kāi)始推導(dǎo) T、 v、 P、 s 鏈?zhǔn)疥P(guān)系： ( ) ( ) ( ) 1s s sT v T （ 1） 循環(huán)關(guān)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） 接著 T、 v、 P、 s ( ) ( ) ( ) 1T T vP v s （ 7） ( ) ( ) ( ) 1p v v （ 8） 由（ 7）（ 8）得 ( ) ( )（ 9） 接著 T、 v、 P、 s ( ) ( ) ( ) 1v v sT s P (10) ( ) ( ) ( ) 1T s vs v s (11) 由（ 10）（ 11）得 ( ) ( )即 ( ) ( )即原始條件 11、 穩(wěn)定平衡，隨遇平衡，亞穩(wěn)定平衡，不穩(wěn)定平衡 一個(gè)約束系統(tǒng)，當(dāng)只容許經(jīng)歷在外界不留下任何凈影響的過(guò)程時(shí)，從一個(gè)給定的初始許態(tài)能夠達(dá)到唯一的一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。 不留任何凈影響指的是催化也不應(yīng)留下任何凈的有限影響：能夠達(dá)到，是指時(shí)間可能無(wú)限長(zhǎng)。 穩(wěn)定平衡定律是無(wú)數(shù)事實(shí)的抽象總結(jié)，真實(shí)性可以驗(yàn)證，但無(wú)法對(duì)它做出絕對(duì)證明。 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、理想氣體狀態(tài)方程 ： 反映了在平衡狀態(tài)下氣體的溫度、壓力及比體積間的基本關(guān)系， 適用于 溫度不太低 ,壓強(qiáng)不太高 的場(chǎng)合。 范德瓦爾方程： )( 2克服了理想氣體模型所帶來(lái)的缺陷，提供相當(dāng)好的定性分析，說(shuō)明了氣體和液體的連續(xù)性。它適用于 壓力 高 、溫度 低的場(chǎng)合。 維里 方程： 3232 11 系數(shù) B、 C、三維里系數(shù)、第四維里系數(shù)等等。它適用于低密度和中密度的氣體。 對(duì)比態(tài)方程： 對(duì)比態(tài)狀態(tài)方程就是用無(wú)量綱對(duì)比參數(shù)表達(dá)的、各種物質(zhì)通用的狀態(tài)方程式。 壓 縮因子 ： Z 描述真實(shí)氣體的性質(zhì)中，最簡(jiǎn)單，最直接，最準(zhǔn)確，使用的壓力范圍也最廣泛的 狀態(tài)方程 。 Z 反映出真實(shí)氣體壓縮的難易程度 。 式中的 Z 稱(chēng)為壓縮因子，表示實(shí)際氣體偏離 理想氣體 行為的程度。當(dāng)實(shí)際氣體處于 臨界點(diǎn) 此 時(shí)的壓縮因子稱(chēng)為臨界壓縮因子 多數(shù)氣體的臨界壓縮因子比較接近， 14、 15、無(wú) 16、 根據(jù)吉布斯 0d T v d p x d u 在恒壓下有 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 亨利系數(shù) 121 . 5222 22 2 2x x 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ；則 1） 根據(jù)逸度系數(shù)表達(dá)式 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 則 2） 活度系數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 則 18、 設(shè) 加入的甲醇和水的總質(zhì)量為 m，則甲醇質(zhì)量為 的質(zhì)量為 爾數(shù) 甲醇為 為 合后甲醇體積為 932m 水為 30 7 則總體積為 2000 3得 m= 混合前甲醇 體積為 33 0 . 4 4 0 . 4 6 9 4 4 . 5 932C H O H mV c m 水體積為230 . 6 1 8 . 0 4 1 1 2 3 . 1 1 c 得混合前總體積為32 332 0 6 7 . 7 0 2 0 0 0C H O H H V c m c m 所以混合后總體積減小了，原因混合后摩爾體積都下降了 19、 （ 1） 在物理化學(xué) 中 ，吉布斯相律說(shuō)明了在特定相態(tài)下，系統(tǒng)的自由度跟其他變量的關(guān)系。 （ 2） 吉布斯相律廣泛適用于多相平衡體系。若兩相平衡時(shí)，壓強(qiáng)不相等，則吉布斯相律不適用。如滲透平衡。 （ 3） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ,二元系 k=2，所以有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (4)錯(cuò)誤 !未找到引用源。 20、 有化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律的分析 無(wú)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律的分析 21、 假設(shè)純物質(zhì)在熱力學(xué)溫度 0K（絕對(duì)溫度零度）時(shí)的熵為零，以此為起點(diǎn)的熵稱(chēng)作絕對(duì)熵。對(duì)化學(xué)成分發(fā)生變化的化學(xué)反應(yīng)物系等，必須采用絕對(duì)熵計(jì)算。 絕對(duì)熵的提出，使熵有了統(tǒng)一的零點(diǎn)，這就使我們能夠 對(duì)化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)共同約定的起點(diǎn)計(jì)算熵，從而計(jì)算系統(tǒng)的熵變。 高等傳熱學(xué) 1、 因素： 同種物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)取決于它的化學(xué)純度、物理狀態(tài)（溫度、壓力、成分、容積重量、吸濕性等）和結(jié)構(gòu)情況。 導(dǎo)熱系數(shù)的一般特性： a：固體的導(dǎo)熱系數(shù) 在所有的固體物質(zhì)中，金屬是最好的導(dǎo)熱體。大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料和絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)與組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常密度越大， l 值越大；結(jié)構(gòu)越松， l 值越小。固體的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而增大。在工程計(jì)算上所遇到的固體壁面兩側(cè)的溫度往往各不相同，在選 用其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)以它們的算術(shù)平均溫度為準(zhǔn)。 b：液體的導(dǎo)熱系數(shù) 液體分成金屬液體和非金屬液體， 通常的液體大多數(shù)都是非金屬液體。在非金屬液體中。 水的導(dǎo)熱系數(shù)最大，除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo) 熱系數(shù)隨溫度的升高而降低。 c：氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而增大。 2、 速度邊界層： 粘性流體留過(guò)固體表面，粘滯性起作用的區(qū)域僅僅局限在靠近壁面的薄層內(nèi)。在此薄層以外，由于速度梯度很小，粘滯性所造成的切應(yīng)力可以忽略不計(jì)。這種在固體表面附近流體速度發(fā)生劇烈變化的薄層稱(chēng)為速度邊界層。由圖可知，流體 在垂直于主流方向上的速度變化是十分劇烈的。 熱邊界層： 在對(duì)流傳熱條件下，主流與壁面之間存在著溫差。在避免附近的一個(gè)薄層內(nèi)，流體溫度在壁面的發(fā)向上發(fā)生劇烈的變化，而在此薄層之外，固體表面附近流體溫度梯度幾乎等于零。因此，固體表面附近流體溫度發(fā)生劇烈變化的這一薄層稱(chēng)為熱邊界層。 聯(lián)系： 這 二者 的 關(guān)系 可以 用 朗特?cái)?shù) 來(lái)描述： 由流體 物性參數(shù) 組成 的一個(gè) 無(wú)量綱參數(shù) ， 表明 溫度邊界層 和流動(dòng) 邊界層 的 關(guān)系 ， 反映流體 物理性質(zhì) 對(duì) 對(duì)流傳熱 過(guò)程 的 影響 ，它的 表達(dá)式 為 ：p r， 式 中， 為 動(dòng)力粘度 ；熱容 ； k 為 熱導(dǎo)率 ； 為 熱擴(kuò)散系數(shù) （ =/c ）單位： 2m /s， v 為 運(yùn)動(dòng)粘度 ， 單位 m/ 2s 。 其 中 和 分別表示分子傳遞過(guò)程 中 動(dòng)量傳遞 和 熱量傳遞 的 特性 。 當(dāng)幾何尺寸和流速 一 定時(shí) ， 流體 粘度 大 ， 流動(dòng) 邊界層厚度 也大；流體導(dǎo)溫系數(shù)大 ， 溫度傳遞速度快 ， 溫度邊界層 厚度發(fā)展得快 ,使 溫度邊界層 厚度增加 。 因此 ,普朗特?cái)?shù) 的 大小 可 直接用來(lái)衡量?jī)煞N 邊界層厚度 得 比值 。 異同： 在一個(gè)薄區(qū)域內(nèi)，速度由 0 變到 99%的那個(gè)區(qū)域?yàn)榱鲃?dòng)邊界層 ； 在一個(gè)薄區(qū)域內(nèi)，溫度由 0 變到 99%的那個(gè)區(qū)域?yàn)闊徇吔鐚?。 二者厚度不一定相等，視流動(dòng)情況 。 3、 火焰輻射： 火焰的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的。火焰一般由雙原子氣體 ( 2N 、 2O 、 三原子氣體 ( 2 2和懸浮固體粒子（炭黑、 飛灰 、焦炭粒子）所組成。其中 2N 和 2O 對(duì) 熱輻射 是透明的 ,的含量一般很低，因此火焰中具有輻射能力的成分主要是 2各種懸浮的固體粒子。對(duì)于燃油 ,發(fā)光火焰輻射主要靠炭黑；對(duì)于 煤粉 ,發(fā)光火焰輻射主要靠焦炭粒子 ,發(fā)光火焰輻 射力一般比透明火焰大 2 3倍。 4、 x=0 x=a 兩面絕熱，