热力学答案.doc

热 力 学一、名词解释1过程：热力系从一个状态变化到另一个状态时所经历的全部状态的集合。2循环：热力系统(工质)经过一系列变化回到初态，这一系列变化过程称为热力循环，简称循环。3稳定状态：状态参数不随时间变化的状态称为稳定状态。4热力学第零定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡，则这两个系统彼此必然处于热平衡。5内能：指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，用u表示。6开口系统：与外界有物质交换的系统称为开口系。7平衡状态：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。8可逆过程：系统经历某一过程后，如令过程逆行而能使系统与外界同时恢复到初始状态，而不留下任何痕迹，则此过程为可逆过程。9卡诺定律：在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机中，以可逆热机的效率为最高。(1)在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆机，热效率相等，与其工质无关。(2)在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切不可逆机，其热效率低于可逆机的热效率。10基本状态参数：描述系统所处状态的一些宏观物理量称为状态参数；热工学中状态参数有六种，即压力、比容、温度、内能、熵、焓，其中压力、比容、和温度是三个可以直接测量而且又常用的状态参数，称为基本状态参数。11理想气体：凡遵循克拉贝隆状态方程的气体(分子之间无作用力，分子本身不占容积)称为理想气体。12稳定温度场：换热系统中空间各点温度场分布不随时间变化的场。*13制冷：用人为的方法将物体或空间冷却，并使之低于环境温度，并维持这个低温的过程。*14传热过程：热量从间壁一侧的热流体通过间壁传给另一侧的冷流体，这种热量传递的过程称为传热过程。二、判断判断命题是否正确并简要说明理由1.稳定流动热力系必为平衡热力系() 平衡热力系各状态参数值是确定的，且不随时间变化。稳定不一定平衡，系统可能有内外势差存在。2. 两种相对湿度相同的湿空气，温度高者其吸收水分能力强。() 湿空气吸收 水蒸气的能力只与相对湿度有关，而与温度无关3.两个不同的恒温热源之间工作所有热机以卡诺机的热效率为最高。() 在两个不同温度的恒温热源之间工作的一切热机中，卡诺循环的效率最高。4.可逆过程就是系统可以逆向进行回复原态的过程。() 可逆过程不是能自发的逆向进行，而是说若当过程逆向进行时，逆过程在外界留下的痕迹能将原来正过程的痕迹完全消除(必须指出可以自发进行的)。5.工质以初态1变化到另一状态2，不论中间经历什么过程，其内能的变化量均相等。() 内能是指组成热力系的大量微观粒子本身所具有的能量，是一个状态量。内能的变化量u=u2-u1=Q-W，变化量的大小是由从初状态1到另一状态2过程中工质做功和吸热(或放热)大小所确定，与中间经历的过程无关.6.任何状态都可以用坐标图上的点表示。() 热力系不平衡状态，是无法表示在坐标系中的，因为热力系各部分状态参数不一致。7.可逆过程一定是准静态过程。() 可逆过程=准静态过程+无耗散效应，所以可逆一定是准静态过程，而准静态过程不是可逆过程。可逆过程能重复正过程的每一状态，而不引起其他变化。8.一杯沸水比一杯同体积的凉水具有更多的热量。() 热量是过程量，不是状态量。而单纯说热水和冷水，不存在热量传递过程。可以这么说，一杯沸水比一杯同体积的凉水具有更多的热力学能量。9.循环效率越高，则循环向外输出的功也越多。() 效率高，只能说明在同样循环吸收热量的条件下，循环向外输出的功越多。10.工质经历了一个不可逆循环后其熵变为零。() 工质经历了一个不可逆循环后其熵不变，熵的变化量为零。11.凡是符合能量守恒定律的热力过程都是可以无条件实行的。() 能量守恒定律是在说能量从一种形式转化到另一种形式，数量上的相等；热力学第二定律从能量转化的方向解释了，能量的转化过程是由一定方向的，即：热量不能自动的无偿地从低温物体传至高温物体。12.使系统熵增加的过程一定是不可逆的过程。() 对于孤立系统，此说法是正确的。但在开口系统中，由知，如果在可逆过程中，系统与外界发生热量的交换，即，系统熵同样可以增加，故错误。13.过热蒸汽的温度一定高于湿蒸汽的温度。() 过热蒸汽的温度和外界压力有关。有可能高压下的湿蒸汽温度高于低压下的过热蒸汽温度。14.绝热节流过程是定熵过程。() 节流阀绝热节流前后焓相等既能量相等。但是节流过程中焓有变化，缩口处速度变大，焓值并不处处相等。15.压力机把一定量的气体从相同的初状态压缩到相同的终压时，可逆定温压缩过程消耗的功最小()三、选择题 D D D C A C D C B B1.准静态过程就是A. 平衡过程 B. 可逆过程 C. 不可逆过程 D. 无限接近平衡的过程2.可逆过程一定是A. 非平衡过程. B. 存在着损耗的准静态过程 C. 工质能回复到初态的过程 D. 准静态过程3.热力系与外界既有物质交换,又有能量交换,可能是A. 闭口系统 B. 开口系统 C. 绝热系统 D. B或C4.经过一个不可逆循环,工质不能恢复原来状态A. 这种说法是错误的 B. 这种说法是正确的 C. 这种说法在一定条件下是正确的 D. 这种说法无法判断5.系统和外界发生能量传递时,功和热量是A. 过程量 B. 强度量 C. 广延量 D. 状态参数6.在T-S图上,任意一个逆向循环其A. 吸热大于放热 B. 吸热等于放热 C. 吸热小于放热 D. 吸热和放热关系不定7.理想气体的比热容是A. 常数 B. 随气体种类不同而异,但对某种理想气体而言,比热容为常数C. 随气体种类不同而异, 但对某种理想气体某种过程而言,比热容为常数D. 随气体种类不同而异, 但对某种理想气体某种过程而言,比热容为是温度的函数.8迈耶公式A.仅适用于理想气体,定比热容 B.适用于任意气体,但定比热容C.适用于理想气体,是否定比热容不限 D.适用于任意气体9.某理想气体自状态1经历一个可逆多变过程到达状态2,其温度下降,熵增大,则气体A.压力升高、比体积增大,对外作正功 B.压力降低、比体积增大,对外作正功C.压力升高、比体积减小,对外作负功 D.压力降低、比体积减小,对外作负功10定量的某种理想气体，经历某种可逆过程，过程中不可能同时发生A. 吸热、升温又对外作正功 B. 吸热、降温又对外作负功C. 吸热、升温又对外作负功 D. 吸热、降温又对外作正功四、简答题1.蒸汽压缩制冷循环装置采用了节流阀来代替膨胀机，试简述这样做的利弊？ 利：液体制冷剂在膨胀机中体积膨胀不大，做功很小，且膨胀机内不允许出现液体，以免损坏叶片，所以，通常在实际循环多采用结构简单、造价便宜、操作方便的节流阀代替膨胀机。弊：节流阀不对外做功膨胀降温效果没有膨胀机对外做功降温效果显著。流体介质在节流阀流速较大的情况下，易出现汽蚀现象，致使部分零件表面很快损坏，同样节流阀精度不高，不宜调节，密封性较差，效率低。2. 霉雨季节时一些冷水管表面带有水珠出现，这是为什么？ 梅雨季节，空气比较湿润，即空气含湿量较大一般达到饱和含湿量，当这些水蒸气遇到温度相对较冷的水管达到水蒸气的露点温度时就会液化，形成水滴凝结在水管表面。3.简述为什么空调可以降低室内温度，而敞开的冰箱却不能？ 空调是利用制冷系统把冷空气排在室内，而把制冷产生的热气排出室外。冰箱却是全排在室外，所以空调可以降低室内温度，敞开的冰箱却不能。4.用热水泵输送容器内热水到一定高度的另一系统内，为防止热水在泵送过程中可能产生汽化，试问热水泵应装在容器下还是装在容器上若干米处？5.若分别以某种服从p(v-b)=RgT的气体(其中b为常数)和理想气体为工质，在两个恒温热源之间进行卡诺循环，试比较哪个循环的热效率大一些？为什么？ 两个循环的热效率相等，由卡诺循环推论，在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆热机，具有相同的热效率，且与工质的性质有关。6.0的冰在温度为20的大气中逐渐融化成水，试分析该过程是否可逆？过程中冰的熵变和大气的熵变哪个大？为什么？ 该过程不是可逆的，由于大气和冰可以看作是一个孤立系，大气在冰融化前后可以看作温度不变，冰融化前后温度也不变，既满足温差传热。熵变公式dSQ/T，又空气温度比水大故冰的熵变大7.简述平衡态、稳定态、均匀态的关系 “平衡态”是指当系统内各个状态参量都不再随时间而变化，且系统与外界不存在物质与能量的交换，则系统达到平衡态。“稳定态”也是状态参量不随时间改变，但系统可与外界进行能量交换。稳定态不一定是平衡态，平衡态一定是稳定态，平衡态不一定是均匀态，单相平衡态是均匀态。8. 若系统从A状态出发，经不可逆绝热过程到达B态，该系统能不能从A态出发，经可逆绝热过程到达B态？ 不能。由熵变表达式：，对于绝热过程：。系统从A态出发，经过不可逆过程到B态，则SAB = SB-SA0，所以SBSA。若可逆过程终态为B 则SAB=SB-SA=0所以SB= SB因此SBtc时，不论压力多大都不能使水蒸气液化，500已经远超过了tc，所以不存在500的水。13.解释“下雪不冷化雪冷”首先根据热二律，热量只能从高温物体传递到低温物体，下雪时的气温低于雪的温度，雪不可能从空气中吸收热量化掉，因而不会导致气温下降。化雪时，需要从周围的空气吸热，导致温度降低。所以人们会感觉下雪不冷化雪冷。*14.试用传热学理论解释热水瓶的保温原理。 保温瓶中间为双层玻璃瓶胆，两层之间抽成真空状态并镀银或铝。双层玻璃和镀层能把热射线反射回去，断绝了热辐射的通路；胆被抽成真空，破坏了对流传导的条件；用不易传热的木塞，隔断了对流传热的通路；以上三点保证了保温瓶的保温效果。*15.简述影响强制对流换热的各因素。 (1)流动状态(包括层流和紊流)和流动原因；(2)流体的物理性质；(3)壁面的几何特性对速度场合温度场多有影响，从而影响对流换热过程五、证明题1试用热力学第一定律证明第一类永动机不可能制造出来。 热力学第一定律是当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。就是说为了得到机械能必须花费热能或其它能量。而第一类永动机是不消耗任何形式的能量就能循环动作、对外做功的机器，它违反能量守恒定律。2试用热力学第二定律证明，在状态图上，两条可逆绝热过程线不可能相交。热二律表述为：不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。若一条等温线与一条绝热线有两个交点，则两条曲线构成了一个循环过程，它仅从单一的热源吸热，且全部转换为功，热机效率达100%，违背了热力学第二定律的开尔文说法，所以不成立。3利用热力学第二定律证明，状态图上定熵线与定温线不可能交于两点。 若两条绝热线相交，那么我们一定可以取一条和这两条绝热线都相交的等温线，这样就间接构成了我上面所提的等温线和绝热线(实际是相交的两条，但是连在一起变成了一条)组成的循环。很显然，这违背了“一条等温线与一条绝热线不能有两个交点”的命题。所以两条绝热线不能相交。4 试证明理想气体的定压比热与定容比热之差恒为一个常数。证明：由理想气体定压比热的表达式有：， 因为 ， 所以 ， 及 ， 其中：是定压比热，是定容比热，是气体常数. 所以 理想气体的定压比热与定容比热之差恒为一个常数。六、计算题1冬天用一热泵对房间供热，若房间的热损失是每小时50000kJ，室外环境温度为-10，要使该房间内保持室温20，则带动该热泵所需的最小功率是多少kW？(10分)解：当热泵按逆卡诺循环工作时，其供热系数最高，带动热泵所需功率就最小。因此，应按逆卡诺循环计算。现热泵工作于-10和20两个热源之间，由式（1-3-5），当它按逆卡诺循环工作时，其供热系数为：又由知，带动此热泵每小时需消耗的外功：因此，带动该热泵所需最小功率为：*2已知空气温度为30，压力为1bar，相对湿度为60%，试求空气的含湿量。已知30时饱和空气压力为42.41mbar(10分)解：由题知B=1bar=100000 Pa，Ps=42.41mbar=4241Pa，于是Pw=Ps=0.64241=2544.6 Pa，d=622Pw/(B-Pw)=6222544.6/(100000-2544.6)=16.24 g/kg(D)32kg质量某种理想气体按可逆多变过程膨胀到原有体积的三倍，温度从300下降到60，膨胀过程中做功418.68kJ，吸热83.736kJ.求该气体的定压比热容和定容比热容(10分)解：W=418.68kJ, Q=83.736kJ, H=u+pv=CpmT, u=Q+W=CvmT, pv=W=428.68kJ, u=Q+W=502.416=CvmT, Cv=502.416/(2240)=1.047 J/kg,H=u+pv=502.416+418.68=921.096=CpmT, Cp=921.096/(2240)=1.919 J/kg.4某理想气体在定压下从t1加热到t2，并做了膨胀功W(KJ/kg)，该气体定压比热cp为定值，试用t1、t2、cp等已知参数表示：(1) 该气体的气体常数R。(2) 热力过程中单位质量气体内能的改变量。(3) 热力过程中单位质量气体的吸热量。(4) 热力过程中单位质量气体熵变。解：(1) (2) (3) (4) 5设室内100W电灯泡的表面温度为110，试确定此电灯泡在稳定工作时的熵产率解：100W=10