清华大学工程热力学思考题答案.doc

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工程热力学思考题参考答案目录第一章 思考题参考答案2第二章 思考题参考答案4第三章 思考题参考答案9第四章 思考题参考答案16第五章 思考题参考答案21第六章 思考题参考答案25第七章 思考题参考答案27第八章 思考题参考答案31第九章 思考题参考答案34第十章 思考题参考答案39第十二章 思考题参考答案45第一章 思考题参考答案1进行任何热力分析是否都要选取热力系统？答：是。热力分析首先应明确研究对象，根据所研究的问题人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间，目的是确定空间内物质的总和。2引入热力平衡态解决了热力分析中的什么问题？答：若系统处于热力平衡状态，对于整个系统就可以用一组统一的并具有确定数值的状态参数来描述其状态，使得热力分析大为简化。3平衡态与稳定态的联系与差别。不受外界影响的系统稳定态是否是平衡态？答：平衡态和稳定态具有相同的外在表现，即系统状态参数不随时间变化；两者的差别在于平衡态的本质是不平衡势差为零，而稳定态允许不平衡势差的存在，如稳定导热。可见，平衡必稳定；反之，稳定未必平衡。根据平衡态的定义，不受外界影响的系统，其稳定态就是平衡态。在不受外界影响（重力场除外）的条件下，如果系统的状态参数不随时间变化，则该系统所处的状态称为平衡状态。4表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？答：由于表压力和真空度都是相对压力，而只有绝对压力才是工质的压力。表压力与真空度与绝对压力的关系为：其中为测量当地的大气压力。工质的压力不变化，相当于绝对压力不变化，但随着各地的纬度、高度和气候条件的不同，测量当地的大气压值也会不同。根据上面两个关系式可以看出，虽然绝对压力不变化，但由于测量地点的大气压值不同，当地测量的压力表或真空表的读数也会不同。5准静态过程如何处理“平衡状态”又有“状态变化”的矛盾？答：准静态过程是指系统状态改变的不平衡势差无限小，以致于该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态。准静态过程允许系统状态发生变化，但是要求状态变化的每一步，系统都要处在平衡状态。6准静态过程的概念为什么不能完全表达可逆过程的概念？答：可逆过程的充分必要条件为：1、过程进行中，系统内部以及系统与外界之间不存在不平衡势差，或过程应为准静态的；2、过程中不存在耗散效应。即“无耗散”的准静态过程才是可逆过程，因此准静态过程的概念不能完全表达可逆过程的概念。7有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？答：不对。系统经历不可逆过程后是可以恢复到起始状态的，只不过系统恢复到起始状态后，外界却无法同时恢复到起始状态，即外界的状态必将发生变化。8., 可以用于不可逆过程么？为什么？答：计算得到的是准静态过程的容积变化功，因此仅适用于准静态过程或可逆过程；对于非准静态过程，其过程曲线无法在P-V图上表达，因此也就无法用上面的公式进行计算。仅用于可逆过程：根据熵的定义式：，对于可逆过程，计算出的是传热量，此时仅表示熵流；对于不可逆过程，熵的变化不仅包括熵流，还包括熵产，即，因此中的不仅包括由于传热产生的熵流，还包括由于不可逆导致的熵产，因此上式不适用于不可逆过程，例如绝热过程，系统由于经历了不可逆过程，熵增，但此时传热量为零规定吸热，对外做功。(1) 不一定；工质膨胀对外做功，由于可以使，因此可能出现，即对外放热；(2) 能，如(1)中所示；能；工质被压缩，对内做功，由于可以使，因此可能出现，即(3) 吸入热量；(4) 不一定；工质吸热，由于可以使，即工质对外做功，因此可能出现，即工质内能减小；(5) 可能；对工质加热，由于可以使，即工质对外做功，因此可能出现，对于理想气体，其内能仅为温度的单值函数，因此对于理想气体来说温度可能降低。1 一绝热刚体容器，用隔板分成两个部分，左边贮有高压气体，右边为真空。抽去隔板时，气体立即充满整个容器。问工质内能、温度将如何变化？如该刚体容器为绝对导热的，则工质内能、温度又如何变化？答：对于绝热刚体容器，以高压气体为对象：容器绝热：；且右边为真空，高压气体没有对外做功对象，即自由膨胀，有。由闭口系统热力学第一定律：，工质的内能不发生变化，如果工质为理想气体，那么其温度也不发生变化。如果该刚体容器为绝对导热，那么初始状态下容器内工质与外界环境等温，而自由膨胀过程终了时容器内工质仍旧与外界环境等温。当外界环境温度不发生变化时，容器内工质温度在整个自由膨胀过程中温度不变。仍取工质为研究对象，由于工质与外界有热交换，这里工质温度高于环境温度，即对外放热，且自由膨胀，由闭口系统热力学第一定律，有。该工质一定为非理想气体，其势能变小。2 图2-9 中，过程1-2与过程1-a-2 有相同的初、终点，试比较： 与，与，与答：根据图2-9，由于是p-v图，因此有：0（对外做功）；=；由闭口系统热力学第一定律，有0（吸热）。3 推进功与过程有无关系？ 答：推进功是因工质出、入开口系统而传递的功。推进功是工质在流动中向前方传递的功，并且只有在工质的流动过程中才出现。当系统出口处工质状态为（，）时，1kg工质流出系统，系统所需要做出的推进功为。推进功的大小仅与选取出口处的压力和比容数值的乘积有关，因此是状态参数，且为广延参数。4 你认为“任何没有体积变化的过程就一定不对外做功”的说法是否正确？答：错误。体积变化仅产生容积变化功。除了容积变化功外，还有电功、推进功等等，这些功不需要体积发生变化。5 说明下述说法是否正确：（1） 气体膨胀时一定对外做功。（2） 气体压缩时一定消耗外功。答：对“功”的理解，功可以分为有用功和无用功，有用功是指有目的且产生有用效果的功。（1）气体膨胀时不一定对外做功，如气体的自由膨胀，由于气体没有做功对象，因此气体对外做功为零；（2）不一定。当热气体冷却时，如果外界大气做的功为有用功，则（）成立，但是如果外界大气做的功为无用功，则（）不成立。6 下列各式是否正确：（）（）（）各式的适用条件是什么？答：三个式子都针对1kg工质。（）式是针对闭口系的能量方程，且忽略闭口系的位能和动能变化，为闭口系统与外界交换的净功。（2）式是针对简单可压缩系统准静态过程（或可逆过程）的能量方程，为系统与外界交换的容积变化功。（3）式是针对技术功为零的稳定流动能量方程，即，且。7 试写出表2-1内所列四种过程的各种功计算式。过程种类液体的流动过程（）0气体的定压流动过程（）液体的定压流动过程（，）000低压气体的定温流动过程（）0注：低压气体可以认为是理想气体，且内能仅为温度的单值函数。计算依据：（1） （2） （3）（） 空气经过绝热节流过程，压力确实下降，但温度不变：因为绝热节流过程为一个等焓过程，而空气可视为理想气体，理想气体的焓为温度的单值函数，因此温度不变。但对于非理想气体和一般液体，经过绝热节流过程，虽然焓不变，但温度和压力都要发生变化，压力减小，但温度可能升高、不变或者降低。第三章 思考题参考答案1 容积为1m3的容器中充满氮气N2，其温度为20，表压力为1000 mmHg,为了确定其质量，不同人分别采用了以下几种计算式得出了结果，请判断它们是否正确？若有错误请改正。答：(1)错误：1) 不应直接用表压计算，应先转化为绝对压力；2) 压力应转换为以Pa为单位，1mmHg=133.3Pa；3) Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa* m3=J；4) 温度的单位应该用K。(2)错误：1) 不应直接用表压计算，应先转化为绝对压力；2) Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa* m3=J(3)错误：1) 1at=1kgf/cm2=9.80665E04 Pa1atm,因此这里计算绝对压力时，大气压力取错; 2) Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa* m3=J；(4)错误：1)相对压力单位为工程大气压（at），与标准大气压（atm）不同；2）气体常数Rm应该用8314J/kmol*K。正确结果：2.695kg52 理想气体的cp与cv之差及cp与cv之比是否在任何温度下都等于一个常数？答： 根据定压比热容和定容比热容的定义，以及理想气体状态方程可以推导出，（见课本79页）。可见，两者之差为常数。同时，定义对于理想气体，当不考虑分子内部的振动时，内能与温度成线性关系，从而根据摩尔定压和定温热容的定义，推导出摩尔定压和定温热容均为定值。但通常只有在温度不太高，温度范围比较窄，且计算精度要求不高的情况下，或者为了分析问题方便，才将摩尔热容近似看作定值。实际上理想气体热容并非定值，而是温度的单值函数，因此两者之比在较宽的温度范围内是随温度变化的，不是一个常数。3 知道两个独立参数可确定气体的状态。例如已知压力和比容就可确定内能和焓。但理想气体的内能和焓只决定于温度，与压力，比容无关，前后有否矛盾，如何理解？答：不矛盾。理想气体内能和焓只决定于温度，这是由于理想气体本身假设决定的。对于理想气体模型，假设其分子之间没有相互作用力，也就不存在分子之间的内位能。再结合理想气体方程，则有：因此，理想气体的内能和焓只决定于温度，而与压力、比容无关。4 热力学第一定律的数学表达式可写成： （1） （2）两者有何不同。答：(1)式为闭口系统热力学第一定律方程，是普适式；(2)式适用的范围为：1) 对象理想气体，内能为温度的单质函数；2) 系统经历准静态过程，只做容积变化功。5 如果比热容c是温度t的单调递增函数，当时，平均比热容、中哪一个最大？哪一个最小？答：由于比热容c是温度t的单调递增函数，且由平均比热容的定义：由作图法可以清楚地看出，最小，最大。6 如果某种工质的状态方程遵循，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅仅是温度的函数么？答：这种物质的比热不一定是常数，至少应该是温度的函数。对于理想气体，仅仅对于定压和定容过程的比热容才是温度的单值函数，且为状态量。而这里所指的比热容并不是在以上特定过程下的比热容，因此仅可以表示成为：。可见，这里所指的比热容是由两个参数决定的，且是与过程有关的量。7 理想气体的内能和焓为零的起点是以它的压力值、还是以它的温度值、还是压力和温度一起来规定的？答：由于理想气体的内能和焓仅为温度的单值函数，与压力无关，因此理想气体的内能和焓为零的起点是以它的温度值（热力学温度值）来规定的。8 若已知空气的平均摩尔定压热容公式为， 现在确定80-200之间的平均摩尔定压热容，有人认为，但有人认为，你认为哪个正确？答：第一个是正确的。由平均摩尔定压热容的定义：当： 在平均摩尔定压热容的表达式形式比较特殊的情况下，可以得到一些非常简便的求解过程。9 有人从熵和热量的定义式(1)，(2)，以及理想气体比热容c是温度的单值函数等条件出发，导得，于是他认为理想气体的熵应是温度的单值函数。判断是否正确？为什么？答：是不正确的。因为得到结论的条件中有错误，理想气体的比热容不是温度的单值函数。对于理想气体，只有定容和定压比热容才是温度的单值函数。同时，的表述有问题，因为，因此得到的不仅是可逆过程的换热量，而是任意过程的换热量。因此将(2)代入(1)中是不正确的。10 在u-v图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程，可逆定压加热过程，可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。答：11 试求在定压过程中加给空气的热量有多少是利用来作功的？有多少是来改变内能？答：由热一率 ，对定压过程，技术功为零，则，可得，12 将满足下列要求的多边过程表示在p-v图和T-s图上（工质为空气）：（） 工质又升压、又升温，又放热；（） 工质又膨胀、又降温，又放热；（） n=1.6的膨胀过程，判断q, w, Du 的正负；（） n=1.3 的压缩过程，判断q, w, Du 的正负；答：13 对于定温压缩的压缩机，是否需要采用多级压缩？问什么？答：对于定温压缩的压缩机，不需要采用多级压缩了。因为采用多级压缩，就是为了改善绝热或多边压缩过程，使其尽量趋紧与定温压缩，一方面减少功耗，另一方面降低压缩终了气体的温度。对于定温压缩来说，压气机的耗功最省，压缩终了的气体温度最低。14 在T-s图上，如何将理想气体任意两状态间的内能变化和焓的变化表示出来。答：解题思路：T-s图中容易直接表示的是热（量），因此应考虑将其他量的变化转化为相应过程热量的值。根据热力学第一定律：，且对理想气体，则对定容过程，。在T-s图中，过状态点1作一定容线，与状态2的定温线交与A，则定容过程1A下的面积即为，对理想气体内能仅与温度有关，即。因此任意两状态间的内能变化可用T-s图中定容过程1A下的面积表示。同理，任意两状态间的内能变化可用T-s图中定压过程1B下的面积表示。15 有人认为理想气体组成的闭口系统吸热后，温度必定增加，你的看法如何？在这种情况下，你认为那一种状态参数必定增加？答：根据闭口系统能量方程，,系统吸热，在保持内能不变的情况下，系统可以对外做功。对于理想气体，内能仅为温度的单值函数，因此在这种情况下温度不变。当系统吸热时，甚至温度可以降低，分析方法同前。在这种情况下，系统的熵必定增加。因为有热量传入系统，就意味着熵流大于零，即使对于可逆过程，熵产为零，系统的熵也会增大。第四章 思考题参考答案1 若将热力学第二定律表述为“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能”，有何不妥？答：有两点不妥：1) 热能是可以全部变为机械能的，例如理想气体的等温过程；但应该注意的是，热能不可能连续不断地转化为机械能；2) 没有提到热能和机械能之间的转化过程是否对产生了其它影响，不是说热不能完全变成功，而是在“不引起其它变化”的条件下，热不能完全变成功。例如理想气体等温过程，引起了“其它变化”，即气体的体积变大。2 “循环功越大，则热效率越高”；“可逆循环热效率都相等”；“不可逆循环效率一定小于可逆循环效率”。这些结论是否正确？为什么？答：1) 描述不准确，只有从温度相同的恒温热源中吸相同热量的情况下，才可以比较热效率大小。如果满足前提条件，则循环功越大，热效率越高。2) 描述不准确，只有工作在具有相同温度的两个高、低温恒温热源间的可逆热机，其循环热效率才相等。3) 描述不准确，只有工作在具有相同温度的两个高、低温恒温热源间的可逆或不可逆热机才可以比较循环效率，否则将失去可比性。3 循环热效率公式(1)和(2)有何区别？各适用什么场合？答：（1）和（2）都是用于计算卡诺热机效率的公式，区别在于适用范围不同：式（1）适用于计算一般热机的效率; 式（2）仅适用于计算卡诺可逆热机的效率。134 理想气体定温膨胀过程中吸收的热量可以全部转换为功，这是否违反热力学第二定律？为什么？答：理想气体定温膨胀过程中吸收的热量可以全部转换为功，这个过程不违反热力学第二定律。因为在上述过程中，气体的体积变大，也就是说这个热量全部转换为功的过程引起了其它变化，所以不违反热力学第二定律。同时，理想气体定温膨胀过程仅仅是一个单独的过程，而不是一个循环，这就意味着这个过程不能连续不断地将热量全部转换为功，因此从这个角度来讲上述过程也不违反热力学第二定律。5 下述说法是否正确，为什么？(1) 熵增大的过程为不可逆过程；答：错误，熵增可能有两种可能：熵流和熵产。对于可逆过程，虽然熵产为零，但如果有吸热过程，则熵流大于零，导致熵增。(2) 不可逆过程无法计算；答：错误。熵为状态参数，只要知道不可逆过程前后足够的状态参数，就可以计算出过程的。(3) 若从某一初态经可逆与不可逆两条途径到达同一终态，则不可逆途径的必大于可逆过程途径的；答：错误。由于熵为状态参数，由于可逆过程和不可逆过程的初、终态相同，因此两个过程的相同。(4) 工质经不可逆循环，；答：由于熵是状态参数，工质经不可逆循环，从初态又回到初态，因此。(5) 工质经不可逆循环，由于，所以；答：错误。对于工质经不可逆循环，且有。(6) 可逆绝热过程为定熵过程，定熵过程就是可逆绝热过程；答：可逆绝热过程为定熵过程，但定熵过程不一定是可逆绝热过程。例如：对于任意一个循环，其，但是这个循环可能包含不可逆过程。(7) 自然界的过程都是朝着熵增大的方向进行，因此熵减小过程是不可能实现的。答：错误。自然界中所有的自发过程都是朝着熵增大的方向进行的，例如热量从高温传向低温。熵减小的过程在人为作用下是可以实现的，例如人为地对系统输入有用功，例如制冷循环，输入电功使得热量从低温传向高温的过程。(8) 加热过程，熵一定增大；放热过程，熵一定减小。答：熵的变化可以由两个因素导致：传热过程导致的熵流和不可逆过程导致的熵产。分可逆和不可逆两个过程考虑：1) 可逆：对于加热过程，熵产为零，但由于系统吸热，熵流大于零，因此熵一定增大；对于放热过程，虽然系统放热，熵流为负，2）不可逆过程：由于熵产大于零，因此不能肯定熵一定减小。6 若工质从同一初态经历可逆过程和不可逆过程，若热源条件相同且两过程中吸热量相同，工质终态熵是否相同？答：工质终态熵不相同。虽然两个过程热源条件相同且过程中吸热量相同，即熵流相同，但是由于不可逆过程的熵产要大于可逆过程的熵产（可逆过程熵产为零），且工质初态相同，即两个过程工质初始的熵值相同，因此不可逆过程工质终态的熵要大于可逆过程终态的熵。7 若工质从同一初态出发，分别经可逆绝热过程与不可逆绝热过程到达相同的终压，两过程终态熵如何？答：从T-S图上可以看出，从同一初态出发，达到相同的终压（注意仅为相同终压，不是相同状态）：1) 对于可逆绝热过程，熵增为零，2) 对于不可逆绝热过程，熵流为零，熵产大于零，因此熵要增大。由于工质从同一个初态出发，因此不可逆绝热过程终态的熵要大于可逆绝热过程终态的熵。8 闭口系统经历一个不可逆过程，作功15kJ,放热5kJ,系统熵变为正、为负或不能确定？答：不能确定。对于闭口系统，系统熵的变化仅取决于两个因素：与外界传热引起的熵流和不可逆过程引起的熵产。已知系统对外放热，则熵流为负，但是由于不能确定过程不可逆的程度，即不能定量计算出该不可逆过程的熵产，因此不能确定系统的熵变。第五章 思考题参考答案1 活塞式内燃机的平均吸热温度相当高，为什么循环热效率还不是很好？是否因平均放热温度太高所致？答：活塞式内燃机主要有萨巴德循环(混合加热循环)、奥图(Otto)循环以及狄塞尔(Diesel)循环。对于活塞式内燃机，虽然平均吸热温度相当高，但平均放热温度也较高，即平均吸热温度和平均放热温度之间的差值较小，是导致该循环热效率不高的一个原因。同时，由于受气缸材料和混合气体自燃温度的限制，压缩比不能很高，因此循环热效率有限。172 如图5-23所示，若把3-4绝热膨胀过程持续到，然后实现定压放热过程，这样在奥图循环基础上作了改善之后的新循环，是否可以通过降低平均放热温度而提高循环效率？ 若可以，为何实际上没有这种发动机。Tspv3241512345 图5-23答：在T-S图上可以看出，当气缸中绝热膨胀过程持续到，然后实现定压放热过程，确实可以降低平均放热温度，从而提高循环效率。但实际上没有这种发动机，因为这种做法在经济上并不值得：a、放热平均温度降低量有限，通过这种方法减小的排气损失量较小。b、要将绝热膨胀持续到，就要增大气缸容积，增加制造成本。3 为什么内燃机一般具有体积小、单位质量功率大的特点？答：由于在内燃机循环过程中，循环工质是在封闭的有限空间内燃烧取得热量的；在做功设备入口处，工质的温度和压力水平较外燃机（如朗肯循环）高(即做功能力大)，因此内燃机体积小，单位质量功率大。4 既然压缩过程需要消耗功，为什么内燃机或燃气轮机装置在燃烧过程前要有压缩过程？ 答：对于内燃机或燃气轮机，都是靠高温高压的气体工质推动活塞或叶轮机械来对外做功的（即膨胀降压过程）。为了连续地输出有用功，就必须连续地产生高温高压的气体工质，因此在燃烧过程前要进行压缩过程，主要目的是提高气体工质的压力，同时工质温度也有所提高。5 在相同压缩比的情况下，奥图循环与卡诺循环有相同的热效率（表达式形式），这是否意味着这种情况下奥图循环达到了卡诺循环的理想水平。答：否。奥图循环的吸放热过程为定容过程，是一个变温过程；而卡诺循环的吸、放热过程为定温过程。在相同的压缩比下，奥图循环与卡诺循环有虽有形式相同的热效率表达式，但奥图循环的吸、放热温限不同于卡诺循环（对于奥图循环，热效率公式中代入的应是平均吸、放热温度，而不是吸、放热温限），因此不能说明奥图循环达到了卡诺循环的理想水平。6 勃雷登循环采用回热的条件是什么？一旦可以采用回热，为什么总会带来循环效率的提高？2134Ts4R2R2A答：勃雷登循环采用回热的条件是：燃气轮机的排气温度高于压气机出口的空气温度。一旦采用回热，循环平均吸热温度上升，平均放热温度下降，既平均吸热温度和放热温度的温差加大，则循环效率总会提高。或解释为：在做出相同功量的前提下，经回热后，循环从外界吸收的热量减小，从而循环热效率将提高。Ts7 气体的压缩过程，定温压缩比绝热压缩耗功少。但在勃雷登循环中，如果不采用回热，气体压缩过程越趋近于定温压缩反而越使循环热效率降低。这是为什么？1234答：对于勃雷登循环，从T-S图中可以看出，如果不采用回热，当气体越趋近于定温压缩时(12变短)，平均吸热温度越低，由，在平均放热温度不变的情况下，循环热效率将会降低。8 为什么说从能源问题和环境污染问题出发，斯特林发动机又重新引起人们的重视？答：A、斯特林循环是概括性的卡诺循环，其理想循环的热效率为同温限卡诺循环的热效率，因此能源利用效率高。B、斯特林循环不是通过在气缸内燃烧取得热量，而是通过气缸外高温热源取得热量。这样可采用价廉易得的燃料，也可用太阳能及原子能作为热源，这对于节约能源、减少污染是一种很好的途径。第六章 思考题参考答案1 有没有500的水？有没有0或负摄氏温度的蒸汽？有没有v0.004m3/kg的水？为什么？pT液气固三相点临界点流体答：已知水的临界参数为，。当水的温度、压力或比容任何一个数值大于相应临界参数，水将从液态转变为超临界状态，水的该状态既不属于液态也不属于气态。因此，没有500的水，也没有v0.004m3/kg的水。但是，只要外界压力足够低，此压力下对应的水的升华温度可以为0，甚至为负摄氏温度，因此0或负摄氏温度的蒸汽是存在的（升华过程，见水的p-T相图）。2 25MPa的水汽化过程是否存在？为什么？答：25MPa已经高于水的临界压力，此状态下的水处于超临界区域，其状态为超临界状态，不存在汽化过程。3 在h-s图上，已知湿饱和蒸汽压力，如何查出该蒸汽的温度？答：水在两相区中经历的是等温等压过程，湿饱和蒸汽的压力和温度一一对应，即两相区内等压线和等温线重合。因此，根据已知的饱和蒸汽压力，找到相应的等压线，找到等压线与上界线和下界线的交点，通过该交点和临近的等温线可以确定该蒸汽的温度。4 在p-v图，T-s图、h-s图上，分别绘出临界点，下界线、上界线和定压线、定温线及定熵线。vpvTpCsTpv24hsCx=1x=0pvTx答：p-v图中定上线要陡于定温线，但要平缓于定容线。水的临界参数，5 画出水的相图，即p-T图。答：pT液气固三相点临界点流体6 前已学过适用于一切工质定压过程（比热容为常数），蒸汽定压汽化过程中，由此得出结论：蒸汽汽化时焓变化。此结论是否正确？为什么？答：此结论并不正确。仅能反映水定压汽化过程中的显热，而不能反映由于水汽化而带来的相变潜热。从水的h-s图中可以看出，水的定压汽化过程的焓变不为零，其值为水在该压力下的相变潜热。25第七章 思考题参考答案1 简单蒸汽动力装置由哪几个主要设备组成？画出系统图。在p-v图、T-s图上如何表示？锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器1342pv4321Ts答：简单蒸汽动力装置由四部分组成：水泵，锅炉，蒸汽透平，冷凝器。系统图请见p233页图7-1，p-v图、T-s图请见p234 图7-2：12 汽轮机定s膨胀23 凝汽器定p放热34 给水泵定s压缩41 锅炉定p吸热2 卡诺循环效率比同温限下其它循环效率高，为什么蒸汽动力循环不采用卡诺循环方案？sT642110987531112答：与朗肯循环相同温限下的卡诺循环，吸热过程将在气态下进行，事实证明气态物质实现定温过程是十分困难的，所以过热蒸汽卡诺循环至今没有被采用（图见p237 图7-4）。对于利用饱和区域定温即定压的特性形成饱和区的卡诺循环也不可行，其有两个关键问题：其一，汽轮机出口位于饱和区干度不高处，湿度太大使得高速运转的汽轮机不能安全运行。同时不可逆损失增大，因此，实际使用的汽轮机出口干度一般限制在不小于0.85-0.88。其二，这样的卡诺循环，压缩过程将在湿蒸汽区进行，汽液混合工质的压缩会给泵的设计与制造带来难以克服的困难。综上所述，蒸汽动力循环至今未采用卡诺循环。3 蒸汽动力循环热效率不高的原因是冷凝器放热损失大，能否取消冷凝器而用压缩机将乏气送回锅炉？答：首先，冷凝器放出的热量数量虽大，但品质很低，其中大部分为An，这部分An不能再转变为功了。根据热力学第二定律，对于蒸汽动力循环，要求将这部分低品位的能量释放出去，才能保证热量连续不断地转化为功（可以从朗肯循环的T-s图上看出）。其次，乏气体积大，直接用压缩机压缩耗功大，用压缩机将乏气送回锅炉的做法相当于耗功来换功（并非将热量转变为功，品位提高），这样做是不值得的。因此不能取消冷凝器而用压缩机将乏气送回锅炉。4 上题同样的原因，能否取消冷凝器，直接将乏气送回锅炉加热，以免冷凝放热损失?答：不能这样做。原因有二：第一个原因与上题相同，这是受热力学第二定律的限制，因此不能取消冷凝器；其次，若直接将乏气送回锅炉加热，势必将给锅炉的设计带来麻烦，使其结构复杂化。5 蒸汽中间再过热的主要作用是什么？是否总能通过再过热提高循环热效率？什么条件下中间再过热才能对提高热效率有好处？答：为了提高循环热效率，可以提高蒸汽初温和初压。但是提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，而提高初温又要受到金属材料的限制，为了解决这一矛盾，常常采用蒸汽中间再过热的方法，流程图和T-S图见p251图7-15。应该注意的是，再热循环不一定能够提高循环热效率。再热循环的平均吸热温度是再热前吸热过程和再热过程平均吸热温度的加权叠加。由于中间再热压力不同，再热循环的平均吸热温度可能高于、等于和低于原简单循环的平均吸热温度，进而导致再热循环热效率由于中间再热压力（即蒸汽膨胀到何程度时抽出再过热）的不同而可能大于、等于或小于朗肯循环热效率。只有选择合适的中间再热压力时（一般在蒸汽初压力的20%-30%），再热过程的平均吸热温度高于再热前吸热过程的平均吸热温度，此时再热循环热效率高于朗肯循环热效率。此时，可以达到即提高乏气干度，又提高循环热效率的目的。6 抽气回热循环，由于抽出蒸汽，减少了作功，为什么还能提高循环热效率呢？答：与相同参数的朗肯循环相比，由于部分蒸汽从中间压力抽出，这就使得回热循环比功（单位工质做功）小于朗肯循环，导致回热循环汽耗率增大。但与此同时，抽汽回热把本来要放给冷源的热量（抽汽的显热和潜热）利用起来去加热工质，以减少工质从外界吸收的热量。对于抽汽回热循环，没有被抽出的这部分工质循环热效率没有改变，而被抽出的那部分工质在被抽出前做功量没有变化，同时在被抽出后又将热量返回给了系统（这部分蒸汽的平均吸热温度有所提高，图7-17所示），这样必然将提高了循环的整体热效率。7 总结蒸汽参数对于循环的影响，有何利弊？答：初参数：提高蒸汽的初温和初压可以提高循环的热效率。因此，现代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展。但与此同时，提高蒸汽初压将导致乏气干度下降，对汽轮机的安全工作不利；而提高初温又要受到金属材料的限制。终参数：降低乏气压力可以提高循环热效率，但乏气压力是受环境温度制约的（除海水冷却外）。8 热效率法和火用效率法有何不同？答：热效率法和火用效率法的分析结论都反映了系统以及各个部件能量利用的情况。有所不同的是，热效率法反映了与“能量数量”相关的信息，例如锅炉的热效率为92%，表示输入的能量中有92%被利用。热效率法没有考虑能量品质的差异；火用效率法同时反映了与“能量数量”和“能量品质”相关的信息，例如锅炉的热效率虽然很高，但其火用效率却很低。这是由于煤的化学能的品质很高，但最终通过锅炉转变为品质相对较低的热能，转化过程中由于各种不可逆因素的存在，使得能量品质大为下降。从系统评价的全面性和指导性来看，火用效率法优于热效率法。第八章 思考题参考答案1蒸气压缩制冷循环与空气压缩制冷循环相比有哪些优点？为什么有些时候还要用空气压缩制冷循环？答：蒸汽压缩制冷循环中吸、放热过程是依靠工质的相变潜热，通常相变潜热是比较大的，因此与空气压缩制冷循环相比，蒸汽压缩制冷循环有以下两个优点：1) 工质单位质量的制冷量大，这就决定了在相同的制冷能力下，蒸汽压缩制冷系统的体积小于空气压缩制冷系统；2)由于工质是相变传热（工质侧温度在两相区内恒定），因此缩小了传热温差，减小了温差传热导致的不可逆性。但随着回热和叶轮式压缩机和膨胀机技术的出现，空气压缩制冷循环再一次得到了人们的注意。对于采用回热和叶轮机械的空气压缩制冷循环，工质流量大大提高，同时实际循环的制冷系数也有所提高。当制冷温度不是很低，且对设备体积要求不高时，可以考虑采用空气压缩制冷循环。2蒸汽压缩制冷循环可以采用节流阀来代替膨胀机，空气压缩制冷循环是否也可以采用这个方法？为什么？答： 对于空气压缩制冷循环，不能用节流阀代替膨胀机。膨胀机的作用是同时降低空气的温度和压力，使得循环正常运行。如果采用节流阀，考虑空气通过节流阀是一个等焓过程，且将空气近似视为理想气体，则经过节流后空气的压力虽然下降，但其温度不变，这样无法同时达到降温降压的目的，不能保证空气压缩制冷循环正常工作。3如图8-9所示，若蒸汽压缩制冷循环按照1-2-3-4-6-1运行，循环耗功量没有变化仍为h1-h2, 而制冷量则由h1-h5增大为h1-h6。可见这种循环的好处是明显的，但为什么没有被采用？答：如图8-8，蒸气压缩制冷循环一般采用空气冷却，冷凝器出口的工质为饱和液体状态（4点），温度接近环境温度。若要实现4-6熵减过程，需外加温度低于环境温度的外加冷源实现4-6的放热过程，而循环本身目的即是制冷，这样做是没有实际意义的。4制冷循环与热泵循环相比，它们之间的异同点是什么？答： 制冷循环与热泵循环相同之处在于它们都是逆循环。不同之处在于工作的温度水平。制冷循环是在比环境温度低的某一个工况下（或低温冷源）吸热，将热量释放到环境（高温冷源）中，其目的是制冷；热泵循环则是从环境（低温热源）中吸热，将这部分热量释放到比环境温度高的工况下（高温热源），其目的是制热。由此，制冷循环和热泵循环的热工性能系数计算方法也有所不同：305逆向卡诺循环的高温热源与低温热源之间的温差越大越好，还是越小越好？与正向卡诺循环的情况是否相同？答：逆向卡诺循环与正向卡诺循环情况不同，高温热源与低温热源温差越小越好。温差越小，耗功越小，制冷（热）系数越大。6为什么要首先限产直至禁用CFCs物质？答：主要是出于保护环境，减小臭氧层破坏的目的出发。由于C