北京科技大学热工学第1章和第2章重点思考题和习题解答.pdf

1 第第 1 1 章和第章和第 2 2 章重点思考题和习题解答章重点思考题和习题解答 第第 1 1 章章 基本概念基本概念 思考题思考题 1. 平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什么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。 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。 习题 1-3 某容器被一刚性壁分为两部分，在容器不同部位装有 3 块压力表，如图 19 所示。压 力表 B 上的读数为 1.75 bar，表 A 的读数为 1.10 bar，如果大气压力计读数为 0.97 bar，试 确定表 C 的读数及两部分容器内气体的绝对压力。 解： barppp ab 07 . 2 10 . 1 97 . 0 1 =+=+= barppp b 32 . 0 75 . 1 07 . 2 12 = 0.97 bar Cb ppp+= 2 barppp bC 65 . 0 32 . 0 97 . 0 32 . 0 2 = 1-4 如图 110 所示一圆筒形容器，其直径为 450 mm，表 A 的读数为 360 kPa， 表 B 的 读数为 170 kPa，大气压力为 100 mmHg，试求， 真空室及 1、2 两室的绝对压力； 表 C 的读数； 圆筒顶面所受的作用力。 解： kPaHppp b 0gmm0100100 汞柱真空室 kPappp a 3603600 1 =+=+= 真空室 kPappp B 190170360 12 = kPapppc190190 2 = 真空室 2 NAppF b 0 . 21190.45 4 1 133.3100)( 2 = 真空室 1-7 一热力系发生状态变化，压力随体积的变化关系为= 3 . 1 pV常数，若热力系初态为 600 1 =pkPa，3 . 0 1 =V m3，问当系统体积膨胀至 5 . 0 2 =V m3 时，对外作功为多少？ 解：改过程系统对外作的功为 = 0.5 0.3 3 . 0 1 3 . 0 2 3 . 1 11 1.3 3 . 1 1 5 . 0 3 . 0 2585.)( 0.3V W 1 kJVV Vp dV Vp pdV （积分公式：x dx = 1 1 x + + ） 1-9 某气缸中气体由 0.1 m3膨胀至 0.3 m3，若气体的压力及容积按 MPa 和 m3计算，则膨 胀过程中气体的压力和体积的函数关系为04 . 0 24 . 0 +=Vp，试求，气体所作的膨胀功。 解：气体所作的膨胀功为： =+= 0.3 0.1 46 101.76d100.04)(0.24JVVW 1-10 利用储气罐中的压缩空气， 在温度不变的情况下给气球充气。 开始时气球内没有气体， 故可认为其初始体积为零；充满气体后气球的体积为 2 m3，若大气压力为 0.09 MPa，求充 气过程中气体所作的功。 解：由于假设气球的初始体积为零，则气球在充气过程中，内外压力始终保持相等，恒等 于大气压力 0.09MPa，所以气体对外所作的功为： JVpW 56 108 . 121009 . 0 = 第第 2 2 章章 热力学第一定律热力学第一定律 思考题思考题 2. 下列说法是否正确？ 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。 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。 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。 3 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， 那幺没有体积变化的过程就一定不对外作功。 5. 说明下列各式的应用条件： wuq+= 闭口系的一切过程 +=pdvuq 闭口系统的准静态过程 )( 1122 vpvpuq+= 开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零 )( 12 vvpuq+= 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。 习题 2-2 某热机每完成一个循环，工质由高温热源吸热 2000 kJ，向低温热源放热 1200 kJ。在压 缩过程中工质得到外功 650 kJ，试求在膨胀过程中工质作功多少？ 解：kJQWQW145012006502000 放压吸膨 =+=+= 2-3 某房间夏日使用的电风扇功率为 2 kW，若室外高温空气向室内传递的热量忽略不计， 求每小时室内空气的热力学能变化多少？ 解：hJQU/107.23600102 63 = 2-4 如图 2-7 所示。某闭口系统，工质沿 a-c-b 由状态 a 变化到状态 b 时，吸热 100 kJ，对 外作功 40 kJ。当工质沿 a-d-b 过程变化到状态 b 时，对 外作功 20 kJ，求 a-d-b 过程中工质与外界交换的热量。 当工质沿曲线从b返回初态a时， 外界对系统作功30 kJ， 求 此 过 程 中 工 质 与 外 界 交 换 的 热 量 ； 如 果 40,0= da UU kJ ,求过程 a-d 与 d-b 与外界交换的 热量。 解：状态 b 和状态 a 之间的内能之差为： kJWQUUU abab 6040100= 图 2-7 习题 2-4 附图 4 所以，a-d-b 过程中工质与外界交换的热量为： kJWUQ abbda 802060=+=+= 工质沿曲线从 b 返回初态 a 时，工质与外界交换的热量为： kJWUWUUQ abbaab 903060=+=+= 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: kJUUU dbdb 204060= 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： kJUUUQ dbbdbd 20= 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： kJWUWUQ bdaaddaadda 602040=+=+=+= 2-5 定量工质，经历了由下表所列四个过程组成的循环，请填充下表中空缺的数据 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 2-8 空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数 为10 1 .p = MPa, 2 v= 0.845 m3/kg。压 缩后为80 2 .p =MPa, 1750 2 .v = m3/kg，若在压缩过程中每 kg 空气的热力学能增加为 146.5 kJ，同时向外界放热 50 kJ；压气机每分钟生产压缩空气 10 kg，试求： （1） 压缩过程中对每 kg 空气所作的压缩功； （2） 生产每 kg 压缩空气所需的轴功； （3） 带动此压气机所需功率至少为多少 kW？ 解：压缩过程中每千克空气所作的压缩功为： kgkJuqw/196.5146.550= 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： 5 kgkJhqw/252100.845)0.10.175(0.8146.550 3 s = 所以带动此压气机所需的功率至少为： kW w P s 42 60 10 = = 2-12 某稳定流动系统，已知进口处气体参数为62 . 0 1 =pMPa, 37 . 0 1 =vm3/kg ， 2100 1 =u kJ/kg,300 1 =c m/s ； 出 口 参 数 为 13 . 0 2 =pMPa,2 . 1 2 =v m3/kg ， 1500 2 =ukJ/kg，150 2 =c m/s。气体的质量流量 4= m q kg/s，流过系统时向外传出的热 量为 30 kJ/kg。假定气体流过系统时重力位能的变化忽略不计，求气体流过系统对外输出的 功率。 解：由于过程是稳定流动过程，气体流过系统时重力位能的变化忽略不计，所以系统的能量 平衡式为: Sf WcmHQ+= 2 2 1 其中，气体在进口处的比焓为： kgJvpuh/232940037 . 0 1062 . 0 102100 63 1111 =+=+= 气体在出口处的比焓为： kgJ