工程熱力學思考題答案,第一章

#第一章基本概念與定義閉口系與外界無物質交換，系統(tǒng)內質量保持恒定，那么系統(tǒng)內質量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎？答:不一定。穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)內質量也可以保持恒定.有人認為,開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質交換，而物質又與能量不可分割,所以開口系統(tǒng)不可能是絕熱系。對不對，為什么？答：這種說法是不對的.工質在越過邊界時，其熱力學能也越過了邊界.但熱力學能不是熱量，只要系統(tǒng)和外界沒有熱量地交換就是絕熱系。3。平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別和聯系，平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)有何區(qū)別和聯系？答:只有在沒有外界影響的條件下，工質的狀態(tài)不隨時間變化,這種狀態(tài)稱之為平衡狀態(tài)。穩(wěn)定狀態(tài)只要其工質的狀態(tài)不隨時間變化，就稱之為穩(wěn)定狀態(tài)，不考慮是否在外界的影響下，這是他們的本質區(qū)別。平衡狀態(tài)并非穩(wěn)定狀態(tài)之必要條件.物系內部各處的性質均勻一致的狀態(tài)為均勻狀態(tài).平衡狀態(tài)不一定為均勻狀態(tài)，均勻并非系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)之必要條件。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會改變嗎?絕對壓力計算公式，中，當地大氣壓是否必定是環(huán)境大氣壓?答:壓力表的讀數可能會改變，根據壓力儀表所處的環(huán)境壓力的改變而改變。當地大氣壓不一定是環(huán)境大氣壓.環(huán)境大氣壓是指壓力儀表所處的環(huán)境的壓力.溫度計測溫的基本原理是什么?答:選作溫度計的感應元件的物體應具備某種物理性質隨物體的冷熱程度不同有顯著的變化。有兩個系統(tǒng)分別和第三個系統(tǒng)處于熱平衡,則兩個系統(tǒng)彼此必然處于熱平衡.6。經驗溫標的缺點是什么？為什么?答：任何一種經驗溫標不能作為度量溫度的標準。由于經驗溫標依賴于測溫物質的性質,當選用不同測溫物質的溫度計、采用不同的物理量作為溫度的標志來測量溫度時,除選定為基準點的溫度，其他溫度的測定值可能有微小的差異。促使系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因是什么?舉例說明答：系統(tǒng)內部各部分之間的傳熱和位移或系統(tǒng)與外界之間的熱量的交換與功的交換都是促使系統(tǒng)狀態(tài)變。分別以圖參加公路的自行車賽車運動員、運動手槍中的壓縮空氣、杯子內的熱水和正在運行的電視機為研究對象，說明這是什么系統(tǒng)。答:賽車運動員因為有呼吸有物質交換，運動員對自行車作功，因此有能量交換，因此賽車運動員是開口系統(tǒng)。壓縮空氣只有對子彈作功，因此為閉口系統(tǒng)。杯子內的熱水對外既有能量交換又有物質交換,因此為開口系統(tǒng)，正在運行的電視機有能量交換物物質交換，因此為閉口系統(tǒng)9．家用加熱電器是利用電加熱水的家用設備，通常其表面散熱可忽略。取正在使用的家用電熱水器為控制體（不包括電機熱器），這是什么系統(tǒng)？把電加熱器包括在研究對象內,是什么系統(tǒng)?什么情況下構成孤立的系統(tǒng)？答:僅僅考慮電熱水器為控制體，因有蓋,不能與外界進行物質交換但與電機熱器有熱交換,因此是閉口系統(tǒng).將電加熱器包括在內，無熱量交換因此是絕熱過程。如果電加熱器內電流非外部，而是用電池,即可認為絕熱系統(tǒng)。10。分析汽車動力系統(tǒng)與外界的質能交換情況？答：汽車發(fā)動機有吸氣，壓縮，作功，排氣四個過程，因此吸氣過程吸收外界的空氣，過程中既有物質的進入,也有隨物質進入帶入的能量。壓縮后噴油點火,這個過程中壓縮點火為能量交換，噴油為物質交換。作功過程為向外輸出功，能量交換。排氣過程排除了較高溫度的煙氣，因此既有能量交換又有物質交換。11。經歷一個不可逆過程后,系統(tǒng)能否恢復原來狀態(tài)？包括系統(tǒng)和外界的整個系統(tǒng)能否恢復原來狀態(tài)?答：經歷一個不可逆過程后系統(tǒng)可以恢復為原來狀態(tài)。系統(tǒng)和外界整個系統(tǒng)不能恢復原來狀態(tài)。容器為剛性容器（1）將容器分成兩部分，一部分裝氣體，一部分抽成真空，中間是隔板。若突然抽去隔板，氣體（系統(tǒng)）是否做功?（2）設真空部分裝有許多隔板,每抽去一塊隔板讓氣體先恢復平衡再抽去一塊，問氣體（系統(tǒng)）是否做功?（3）上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài)，其過程是否都可在p-v圖上表示？答：（1）第一種情況如圖1—1（a）,不作功（2）第二種情況如圖1—1（b），作功（3）第一種情況為不可逆過程不可以在p—v圖上表示出來，第二種情況為可逆過程可以在p—v圖上表示出來。13。圖1—23中過程1-a—2是可逆過程，過程1—b-2是不可逆過程.有人說過程1—a—2對外作功小于過程1—b—2，你是否同意他的說法？為什么？答:不一定?如果將1-b-2看為可逆過程，由功的積分關系式可知1—b—2要比1-a—2過程做的功要多，但是不可逆過程存在不可逆因素，使得原本應輸出的功的一部分用來克服不可逆因素，因而1—b—2對外作功等于可逆空減去不可逆的損失。不可逆損失未知，因此不能與1—a—2對外作功比較。14．系統(tǒng)經歷一可逆正向循環(huán)及其逆向可逆循環(huán)后，系統(tǒng)和外界有什么變化？若上述正向及逆向循環(huán)環(huán)中有不可逆因素，則系統(tǒng)及外界有什么變化？答：系統(tǒng)經歷一可逆正向循環(huán)及其逆向可逆循環(huán)后，系統(tǒng)恢復到原來狀態(tài)，外界沒有變化。若存在不可逆因素，系統(tǒng)恢復到原狀態(tài)，外界產生變化。15。工質及氣缸、活塞組成的系統(tǒng)經循環(huán)后，系統(tǒng)輸出的功中是否要減去活塞排斥大氣功才是有用功？答:不一定。主要看輸出功的主要作用是什么，排斥大氣功是否有用.第二章熱力學第一定律熱力學能就是熱量嗎?答:不是，熱是能量的一種,而熱力學能包括內位能，內動能，化學能,原子能，電磁能，熱力學能是狀態(tài)參數,與過程無關,熱與過程有關。若在研究飛機發(fā)動機中工質的能量轉換規(guī)律時把參考坐標建在飛機上，工質的總能中是否包括外部儲能?在以氫氧為燃料的電池系統(tǒng)中系統(tǒng)的熱力學能是否包括氫氧的化學能？答：不包括,相對飛機坐標系，外部儲能為0；以氫氧為燃料的電池系統(tǒng)的熱力學能要包括化學能，因為系統(tǒng)中有化學反應能否由基本能量方程得出功、熱量和熱力學能是相同性質的參數結論？答：不會，可知，公式中的為熱力學能的差值，非熱力學能,熱力學能為狀態(tài)參數，與過程無關.剛性絕熱容器中間用隔板分為兩部分，A中存有高壓空氣，B中保持真空，如圖2—1所示。若將隔板抽去，分析容器中空氣的熱力學能如何變化？若隔板上有一小孔，氣體泄漏入B中，分析A、B兩部分壓力相同時A、B兩部分氣體的熱力學能如何變化?答：將隔板抽去，根據熱力學第一定律其中所以容器中空氣的熱力學能不變。若有一小孔,以B為熱力系進行分析只有流體的流入沒有流出，忽略動能、勢能B部分氣體的熱力學能增量為，A部分氣體的熱力學能減少量為熱力學第一定律能量方程式是否可以寫成下列兩種形式:，的形式，為什么?答：熱力學第一定律能量方程式不可以寫成題中所述的形式。對于 只有在特殊情況下，功w可以寫成pv。熱力學第一定律是一個針對任何情況的定律，不具有w=pv這樣一個必需條件?對于公式，功和熱量不是狀態(tài)參數所以不能寫成該式的形式。6?熱力學第一定律解析式有時寫成下列兩種形式：分別討論上述兩式的適用范圍。答：適用于任何過程，任何工質?？赡孢^程,任何工質7。 為什么推動功出現在開口系能量方程式中，而不出現在閉口系能量方程式中？答:推動功是由流進（出）系統(tǒng)的工質傳遞而由工質后面的物質系統(tǒng)作出的?對于閉口系統(tǒng)，不存在工質的流進（出）所以不存在這樣進行傳遞的功。8。 焓是工質流入（或流出）開口系時傳遞入（或傳遞出）系統(tǒng)的總能量，那么閉口系統(tǒng)有沒有焓值？答：有焓值。等于系統(tǒng)的內能U加上壓強p和體積V的乘積，即H=U+pV9氣體流入真空容器中，是否需推動功?答:無推動功，但有膨脹功10。 穩(wěn)定流動能量方程式是否可應用于活塞式壓氣機這種機械的穩(wěn)定工況運行的能量分析？為什么？答:可以。穩(wěn)定流動能量方程式可應用于任何穩(wěn)定流動過程，對于連續(xù)工作的周期性動作的能量轉換裝置，只要在平均單位時間所作的軸功、吸熱量以及工質的平均流量為常量，雖然它內部工質的狀態(tài)及流動情況是變化的,但這種周期性的變化規(guī)律不隨時間而變，所以仍然可以利用穩(wěn)定流動能量方程式分析其能量轉換關系11。 為什么穩(wěn)定流動開口系內不同部位工質的比熱力學能，比焓，比熵等都會改變，而整個系統(tǒng)的，？答:穩(wěn)定流動的含義是參數不隨時間的變化而改變，因此，，但不同部位的比熱力學能，比焓，比熵等都會變的，與位置有關。12。 開口系實施穩(wěn)定流動過程，是否同時滿足下列三式:上述三式中的相互關系是什么？答:同時滿足。進、出口工質的流動動能及重力位能的變化可以忽略不計時，穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)的軸功即等于技術功；膨脹功等于技術功與流動功的代數和.13。 幾股流體匯合成一股流體稱為合流，如圖2-2所示。工程上幾臺壓氣機同時向主氣道送氣以及混合式換熱器等都有合流的問題。通常合流過程都是絕熱的.取1—1、2—2和3—3截面之間的空間為控制體積，列出能量方程式并導出出口截面上焓值h3的計算式。答：忽略動能影響的穩(wěn)定流動、且混合過程為絕熱所以第三章理想氣體的性質1。 怎樣正確看待“理想氣體”這個概念？在進行實際計算是如何決定是否可采用理想氣體的一些公式？答：理想氣體:分子為不占體積的彈性質點，除碰撞外分子間無作用力。理想氣體是實際氣體在低壓高溫時的抽象，是一種實際并不存在的假想氣體。判斷所使用氣體是否為理想氣體（1）依據氣體所處的狀態(tài)（如：氣體的密度是否足夠?。┕烙嬜鳛槔硐霘怏w處理時可能引起的誤差；（2）應考慮計算所要求的精度。若為理想氣體則可使用理想氣體的公式。2。 氣體的摩爾體積是否因氣體的種類而異？是否因所處狀態(tài)不同而異？任何氣體在任意狀態(tài)下摩爾體積是否都是0。022414m3/mol？答:氣體的摩爾體積在同溫同壓下的情況下不會因氣體的種類而異;但因所處狀態(tài)不同而變化。只有在標準狀態(tài)下摩爾體積為0.022414m3/mol3。 摩爾氣體常數R值是否隨氣體的種類不同或狀態(tài)不同而異？答：摩爾氣體常數不因氣體的種類及狀態(tài)的不同而變化。4。 如果某種工質的狀態(tài)方程式為pv=RT,那么這種工質的比熱容、熱力學能、焓都僅僅是溫度的函數嗎？g答：一種氣體滿足理想氣體狀態(tài)方程則為理想氣體，那么其比熱容、熱力學能、焓都僅僅是溫度的函數。5。 對于一種確定的理想氣體，是否等于定值？是否為定值？在不同溫度下、是否總是同一定值?答：對于確定的理想氣體在同一溫度下為定值,為定值。在不同溫度下為定值，不是定值.6。 麥耶公式是否適用于理想氣體混合物？是否適用于實際氣體？答:邁耶公式的推導用到理想氣體方程，因此適用于理想氣體混合物不適合實際氣體。7。 氣體有兩個獨立的參數，u（或h）可以表示為p和v的函數，即?但又曾得出結論，理想氣體的熱力學能、焓、熵只取決于溫度，這兩點是否矛盾?為什么？答：不矛盾?實際氣體有兩個獨立的參數。理想氣體忽略了分子間的作用九所以只取決于溫度。8。 為什么工質的熱力學能、焓、熵為零的基準可以任選？理想氣體的熱力學能或焓的參照狀態(tài)通常選定哪個或哪些個狀態(tài)參數值？對理想氣體的熵又如何？答:在工程熱力學里需要的是過程中熱力學能、焓、熵的變化量。熱力學能、焓、熵都只是溫度的單值函數，變化量的計算與基準的選取無關?熱力學能或焓的參照狀態(tài)通常取0K或0°C時焓時為0,熱力學能值為0。熵的基準狀態(tài)取p0=101325Pa、T0=0K熵值為0。9。 氣體熱力性質表中的h、u及s0的基準是什么狀態(tài)？答:氣體熱力性質表中的h、u及s0的基準是什么狀態(tài)Pa。10。在如圖3—1所示的T-s圖上任意可逆過程1—2的熱量如何表示?理想氣體在1和2狀態(tài)間的熱力學能變化量、焓變化量如何表示？若在1-2經過的是不可逆過程又如何？答:圖3—2中陰影部分面積為多變過程1—2的熱量.對于多變過程其熱力學能變化量及焓變化量可由下面兩式計算得到:過初始狀態(tài)點,做定容線2—2'，圖3—3中陰影部分面積為多變過程1-2的熱力學能變化量。過初始狀態(tài)點，做定壓線2—2',圖3—4中陰影部分面積為多變過程1-2的焓變化量。若為不可逆過程，熱力學能、焓不變如上圖。熱量無法在圖中表示出來.11。理想氣體熵變計算式（3—39）、（3-41）、（3-43）等是由可逆過程導出的，這些計算式是否可用于不可逆過程初、終態(tài)的熵變?為什么?答：可以.因為熵是狀態(tài)參數，只與初終狀態(tài)有關，與過程無關.熵的數學定義式為，比熱容的定義式為，故理想氣體的比熱容是溫度的單值函數，所以理想氣體的熵也是溫度的單值函數.這一結論是否正確？若不正確，錯在何處？答中，為一微元可逆變化過程中與熱源交換的熱量,而中為工質溫度升高所吸收的熱量，他們是不能等同的,所以這一結論是錯誤的.13。是判斷下列說法是否正確:（1）氣體吸熱后熵一定增大（）。（2）氣體吸熱后溫度一定升高（）。（3）氣體吸熱后熱力學能一定升高（）。（4）氣體膨脹時一定對外做功（）（5）氣體壓縮時一定耗功（）答：（1）（x）（2）（x）（3）（x）（4）（x）（5）（7）。氮、氧、氨這樣的工質是否和水一樣也有飽和狀態(tài)的概念，也存在臨界狀態(tài)？答:水的汽液飽和狀態(tài)可以推廣到所有的存物質,并且這種液相和氣相動態(tài)平衡的概念也可以推廣到固相和氣相及固相和液相,他們的飽和壓力與飽和溫度也是一一對應的.因此氮、氧、氨為存物質，也有飽和狀態(tài)的概念,也存在臨界狀態(tài)。．水的三相點的狀態(tài)參數是不是唯一確定的？三相點與臨界點有什么差異?答:水的三相點狀態(tài)參數不是唯一的，其中溫度、壓力是定值而比體積不是定值;臨界點是唯一的,其比體積、溫度、壓力都是確定的；三相點是三相共存的點，臨界點是飽和水線與飽和蒸汽線的交點,在該點飽和水線與飽和蒸汽線不再有分別。16．水的汽化潛熱是否為常數？有什么變化規(guī)律？答：水的汽化潛熱與壓力有關，在一定的范圍內壓力增加，汽化潛熱減小,當壓力達到臨界點以上時，汽化潛熱為017．水在定壓過程中，溫度維持不變,因此，根據有人認為過程中的熱量等于膨脹功，即，對不對？為什么？答:這種說法是不對的。因為溫度不變不表示熱力學能不變。這里分析的是水，定壓汽化有相變，不能作為理想氣體來處理，所以。不能得到這樣的結果。18．有人認為熱力學第一定律解析式和比熱容定義,所以認為是普遍適用于一切工質的.進而推論得出水定壓汽化時,溫度不變因此其焓變量。這一結論錯誤在哪里?答：適用于理想氣體，不能應用于水定壓汽化過程，水不能作為理想氣體來處理。第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程4。1試以理想氣體的定溫過程為例，歸納氣體的熱力過程要解決的問題及使用方法解決。答:主要解決的問題及方法：（1） 根據過程特點（及狀態(tài)方程）——確定過程方程（2） 根據過程方程——確定始、終狀態(tài)參數之間的關系（3） 由熱力學的一些基本定律——計算（4）分析能量轉換關系（P—V圖及T—S圖）（根據需要可以定性也可以定量）例:1）過程方程式：=常數（特征）=常數（方程）2）始、終狀態(tài)參數之間的關系：=3）計算各量:=0、=0、==4） P-V圖,T-S圖上工質狀態(tài)參數的變化規(guī)律及能量轉換情況4。2對于理想氣體的任何一種過程，下列兩組公式是否都適用？答：不是都適用.第一組公式適用于任何一種過程。第二組公式適于定容過程，適用于定壓過程。4.3在定容過程和定壓過程中，氣體的熱量可根據過程中氣體的比熱容乘以溫差來計算。定溫過程氣體的溫度不變,在定溫過程中是否需對氣體加入熱量？如果加入的話應如何計算？答：定溫過程對氣體應加入的熱量4。4過程熱量和過程功都是過程量,都和過程的途徑有關。由理想氣體可逆定溫過程熱量公式可知，故只要狀態(tài)參數、和確定了，的數值也確定了,是否與途徑無關？答：對于一個定溫過程，過程途徑就已經確定了。所以說理想氣體可逆過程是與途徑有關的。4.5在閉口熱力系的定容過程中,外界對系統(tǒng)施以攪拌功,問這是否成立？答：成立.這可以由熱力學第一定律知，由于是定容過為零。故，它與外界是否對系統(tǒng)做功無關.4。6絕熱過程的過程功和技術功的計算式：=，=是否只限于理想氣體？是否只限于可逆絕熱過程？為什么？答:不只限于理想氣體和可逆的絕熱過程。因為和是通用公式，適用于任何工質任何過程，只要是絕熱過程無論是可逆還是不可逆。所以=，=不只限于可逆絕熱過程.4。7試判斷下列各種說法是否正確:定容過程既無膨脹(或壓縮)功的過程;絕熱過程即定熵過程；多變過程即任意過程。答：(l)(X);(2)(X)；(3)(X)4。8參照圖4—17：試證明：。途中1-2、4—3為定容過程，1—4、2—3為定壓過程。證明：=，=因為:是狀態(tài)量與過程無關，與起始狀態(tài)一樣，故=，由圖知,所以:4。9如圖4—18所示.今有兩個任意過程a-b及a-c,b點及c點在同一條絕熱線上,試問：(1)與哪個大？(2)若b、c在同一條定溫線上，結果又如何？答:b、c在同一條絕熱線上，若b、c在同一條定溫線上，二者相等。因為，a—b加上b—c過程二a-c過程，而b—c是個絕熱過程,=0=,<0,故>0,所以有。若在定溫線上=0,所以。4。10理想氣體定溫過程的膨脹功等于技術功能否推廣到任意氣體？答:不能。因為它們公式的推導過程中引入了理想氣體狀態(tài)方程式,對于一般氣體一般狀態(tài)下是不適用的。4。11下列三式的使用條件是什么？,,答：使用條件理想氣體可逆絕熱過程。4。12在T-s圖上如何表示絕熱過程的技術功和膨脹功？答：絕熱過程,不管是否是可逆過程都有,故有：其中,(圖中陰影部分)(1—2絕熱線')及可表示膨脹功和技術功的變化情況。4。13在p—v圖和T—s圖上如何判斷過程中的正負？4。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熱力過程的分析計算有什么異同?答：對于可逆絕熱過程水蒸氣和理想氣體都有:,差別在于水蒸氣沒有適當而簡單的狀態(tài)方程,同時也不都是溫度的單值函數。4。15實際過程都不可逆,那么本章討論的理想可逆過程有什么意義？答：意義在與實際過程是很復雜的不可逆過程,我們可以借助理想可逆過程分析、尋找出過程中狀態(tài)參數變化及能量轉化的規(guī)律,抓住過程的主要特征。對于不可逆實際過程,再借助實驗和一些經驗系數進行修正,及可得到實際氣體的規(guī)律。第五章熱力學第二定律5.1熱力學第二定律能否表達為：“機械能可以全部變?yōu)闊崮?而熱能不可能全部變?yōu)闄C械能。"這種說法有什么不妥當？答:不能這樣表述.表述不正確,對于可逆的定溫過程,所吸收的熱量可以全部轉化為機械能,但是自身狀態(tài)發(fā)生了變化。所以這種表述不正確。5.2理想氣體進行定溫膨脹時,可從單一恒溫熱源吸入的熱量，將之全部轉變功對外輸出，是否與熱力學第二定律的開爾文敘述矛盾?提示：考慮氣體本身是否有變化。答：不矛盾，因為定溫膨脹氣體本身狀態(tài)發(fā)生了改變。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：不正確.自發(fā)過程是不可逆過程是正確的.非自發(fā)過程卻不一定為可逆過程。5。4請歸納熱力過程中有哪幾類不可逆因素?答:.不可逆因素有：摩擦、不等溫傳熱和不等壓做功。5.5試證明熱力學第二定律各種說法的等效性：若克勞修斯說法不成立,則開爾文說也不成立.答：熱力學第二定律的兩種說法反映的是同一客觀規(guī)律一一自然過程的方向性一是一致的，只要一種表述可能，則另一種也可能。假設熱量Q2能夠從溫度T2的低溫熱源自動傳給溫度為T1的高溫熱源?，F有一循環(huán)熱機在兩熱源間工作，并且它放給低溫熱源的熱量恰好等于Q2。整個系統(tǒng)在完成一個循環(huán)時，所產生的唯一效果是熱機從單一熱源(T1)取得熱量Q1-Q2，并全部轉變?yōu)閷ν?/p>