工程热力学课后思考题答案__第四版_沈维道_童钧耕主编_高等教育出版社

1、3 Q 页 思 考 题1 .闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定， 那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。2 .有人认为开口系统内系统与外界有物质交换，而 物质又与能量不可分割，所以开口系统不可能是绝热 系。对不对，为什么？不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界 进行传递（传热量），随物质进出的热能（准确地说 是热力学能）不在其中。4 .倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该 容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公p=pb+pg ( p> Pb),p= Pb-pv ( p< pb)中，当地大气压是否必定是环境大气压

2、？Pb4题图当地大气压pb改变, 压力表读数就会改变。当 地大气压pb不一定是环境大气压。6 .经验温标的缺点是什么？为什么?不同测温物质的测温结果有较大的误差， 因为测温结果依赖于测温物质的性质。7 .促使系统状态变化的原因是什么？举例说明。有势差(温度差、压力差、浓度差、电位差等等) 存在。9.家用电热水器是利用电加热水的家用设备，通常其表面散热可忽略。取正在使用的家用电热水器为控 制体（但不包括电加热器），这是什么系统？把电加 热器包括在研究对象内，这是什么系统？什么情况下 能构成孤立系统？不包括电加热器为开口（不绝热）系统（a图） 包括电加热器则为开口绝热系统（b图）。将能量传递和质量

3、传递（冷水源、热水汇、热源、电源等）全部包括在内，构成孤立系统。或者说，孤立系统把所有发生相互作用的部分均包括在内。12.图1-22中容器为刚性绝热 容器，分成两部分，一部分装气 体，一部分抽成真空，中间是隔 板，(1)突然抽去隔板，气体(系 统)是否作功？(2)设真空部分装有许多隔板，逐个抽去隔板，每 抽一块板让气体先恢复平衡在抽下一块， 则又如何?(3)上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否 都可在p-v图上表示？56页思考遨：隔板4 一刚性容器，中间用绝 热隔板分为两部分，A中存有高压空气，B 中保持真空，如图2-12 所示。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能将如何变化？若在隔板上

4、有一小孔，气体泄漏入B中，分析A、B 两部分压力相同时A、 B 两部分气体热力学能如何变化？q= u wq=0， u 为负值（ u 减少） ，转化为气体的动能，动能在B中经内部摩擦耗散为热能被气体重新吸收，热力学能增加，最终u =0。5 热力学第一定律的能量方程式是否可写成下列形式？为什么？q= u+pvq2-q 1=（u 2-u 1）+（w2-w1）不可以。w不可能等于pv, w是过程量，pv则是状态 参数。q和w都是过程量，所以不会有q2-qi和w-wi。8焓是工质流入（或流出）开口系时传递入（或传递出） 系统的总能量，那么闭口系工质有没有焓值？比较正规的答案是，作为工质的状态参数，闭口系

5、工质也有焓值，但是由于工质不流动，所以其焓值没有什么意义。焓 =热力学能+占位能9气体流入真空容器，是否需要推动功？推动功的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。下游无工质，故不需要推动功。利用开口系统的一般能量方程式推导的最终结果也是如此。11 为什么稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等都会改变，而整个系统的UCV=0、HCV=0、SCV=0?控制体的UCV=0、HCV=0、SCV=0 是指过程进行时间前后的变化值，稳定流动系统在不同时间内各点的状态参数都不发生变化，所以UCV=0、HCV=0、SCV=0。稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比 始、比嫡等的

6、改变仅仅是依坐标的改变。13.几股流体汇合成一股流体称为合流，如图 2-13 所示。工程上几台压气机同时向主气道送气以及混合 式换热器等都有合流的问题。通常合流过程都是绝热 的。取1-1、2-2和3-3截面之间的空间为控制体积， 列出能量方程式并导出出口截面上始值h3的计算式。进入系统的能量-离开系统的能量=系统贮存能量的变化系统贮存能量的变化：不变。进入系统的能量：qmi带入的和qm2带入的。没有热量 输入。qmi (hi+Cfi2/2+gz i) + q m2 (h2+Cf2 2/2+gz 2)离开系统的能量：qm3带出的，没有机械能(轴功)输 出。2qm3 (h3+cf3 /2+gz3)

7、如果合流前后流速变化不太大，且势能变化一般可以 忽略，则能量方程为：出口截面上始值h3的计算式h3=(qmi hi+ q m2 h2)/ q m3本题中，如果流体反向流动就是分流问题，分流与合 流问题的能量方程式是一样的，一般习惯前后反过来 写。qml hl = q m2 h2+ q m3 h3§3页志考题o3 .摩尔气体常数R值是否随气体的种类而不同或状态不同而异？摩尔气体常数R是基本物理常数，它与气体的种 类、状态等均无关。4 .如果某种工质的状态方程式为 pv=RT,这种工质 的比热容、热力学能、始都仅仅是温度的函数吗？是的。7.气体有两个独立的参数，u （或h）可以表示为p

8、和v的函数，即u=f（p, v）。但又曾得出结论，理想 气体的热力学能（或始）只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？不矛盾。pv=RT。热力学能（或始）与温度已经相当于一个状态参数，他们都可以表示为独立参数p和 v 的函数。9 .气体热力性质表中的u、h及s0的基准是什么状态？标准状态10 .在图3-15所示的T-s图上任意可逆过程1-2的热量如何表示？理想气体1 和 2状态间热力学能变化量、始变化量能否在图上用面积表示？若 1 - 2经过的是不可逆过程又如何？由线1-2下的曲边梯形面积就是任意可逆过程1-2 的热量。dQ=TdS&过程白积分。Q=U+WW以U=Q W不可逆过程传热量不

9、能用曲边梯形面积表达，但是热 力学能和给还可以用原方式表达，因为热力学能和始 都是状态参数，其变化与过程路径无关。12.嫡的数学定义式为 ds=dq/T ,又dq=cdT,故 ds=(cdT)/T 。因理想气体的比热容是温度的单值函数，所以理想气体的嫡也是温度的单值函数，这一结论是否正确？若不正确，错在何处？不正确。错在c不是状态参数，与过程有关。是温度单值函数的是定过程比热。13试判断下列各说法是否正确：（ 1）气体吸热后熵一定增大；（ 2）气体吸热后温度一定升高；（ 3）气体吸热后热力学能一定增加；（ 4）气体膨胀时一定对外作功；（ 5）气体压缩时一定耗功。（ 1）正确；（ 2）不正确；（

10、 3）不正确；（ 4）正确； （ 5）正确。15 水的三相点的状态参数是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？水的三相点的状态参数是唯一确定的，这一点由吉布斯相律确认：对于多元（如k 个组元）多相（如f 个相）无化学反应的热力系，其独立参数，即自由度 n = k - f + 2。三相点：k =1, f= 3,故 n = 0c三相点是三相共存点，在该点发生的相变都具有相变潜热。临界点两相归一，差别消失，相变是连续相变，没有相变潜热。三相点各相保持各自的物性参 数没有巨大的变化，临界点的物性参数会产生巨大的 峰值变化。三相点和临界点是蒸汽压曲线的两个端 点。三相点容易实现，临界点不容易实现。1

11、7.水在定压汽化过程中，温度保持不变，因此，根 据q= u+w,有人认为过程中的热量等于膨胀功，即 q=w,对不对？为什么？不对。u=cv T是对单相理想气体而言的。水既 不是理想气体，汽化又不是单相变化，所以q=w的结 论是错的。133页思考题2.对于理想气体的任何一种过程，下列两组公式是否都适用？u=cv( 12 - 11) , h=cp( 12 - 11) ； q= u=cv( 12 - 11), q= h=Cp(t2-ti)第一组都适用，第二组不适用。第二组第一式只适用于定容过程，第二式只适用于定压过程。4.过程热量q和过程功w都是过程量，都和过程的途径有关。由理想气体可逆定温过程热量

12、公式q=piviinv2可知，只要状态参数pi、vi和V2确定了，q vi的数值也确定了，是否可逆定温过程的热量q与途径无关？“可逆定温过程”已经把途径规定好了， 此时谈 与途径的关系没有意义。再强调一遍，过程热量q和 过程功w都是过程量，都和过程的途径有关。7.试判断下列各种说法是否正确？(1)定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程;(2)绝热过程即定嫡过程；7题图(3)多变过程即任意过程。答：(1)定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程；正确。(2)绝热过程即定嫡过程；错误，可逆绝热过程是定嫡过程，不可逆绝热过程不是定嫡过程。(3)多变过程即任意过程。一一错误，右图中的过程就不是多变过程。9.如图

13、4-18所示，今有两个任意过程a - b及a- c,图 4-18Ob点及C点在同一条绝热线上，(1)试问Uab与Uac 哪个大？(2)若b点及C点在同一条定温线上，结果 又如何？依题意，Tb>TC,所以Uab> Uac。若b点及c点在同一条定温线上，则 Uab= Uac11 .下列三式的使用条件是什么？k k _k-1 _k-11212p2v2 =piVi , T1V1 =Kv2 , Ti pi k =T2 p2 k使用条件是：理想气体，可逆绝热过程。12 . T- s图上如何表示绝热过程的技术功w和膨胀4-14试以可逆绝热过程为例，说明水蒸气的热力过程与理想气体的热力过程的分析计

14、算有什么异同？相同点：都是首先确定起始状态和结束状态， 然 后在计算过程的作功量等数据。计算过程中，始终要 符合热力学第一定律。不同点：理想气体的计算是依靠理想气体状态方 程以及功和热量的积分计算式进行计算， 而水蒸气是 依靠查图查表进行计算。L33页思考题5-1热力学第二定律能否表达为：“机械能可以全部 变为热能，而热能不可能全部变为机械能。”这种说 法有什么不妥当？答：热能不是不可能全部变成机械能，如定温过 程就可以。但想要连续地将热能转变为机械能则是不 可能的。5-2理想气体进行定温膨胀时，可从单一恒温热源吸 入的热量，将之全部转变为功对外输出，是否与热力 学第二定律的开尔文叙述有矛盾？

15、提示： 考虑气体本 身是否有变化。答：理想气体进行定温膨胀时，压力不断降低， 体积越来越大。当压力低到外界压力时，就不能再继 续降低了，过程也就停止了。热力学第二定律的开尔文叙述的内容是：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机 （ 第二类永动机是不可能制造成功的。 ） 一方面压力降低，体积增大就是变化；另一方面，热力发动机要求连续工作，而定温过程做不到。所以，这个过程与热力学第二定律无矛盾。5-3 自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这一说法是否正确？答：错。 “非自发过程必为可逆过程。 ”的说法完全错误，非自发过程需付出代价（更强的自发过程）才

16、能实现，可逆过程则是一种实际上不存在的理想过程，两者之间没有什么关系。5-4 请给“不可逆过程”一个恰当的定义。请归纳热力过程中有哪几种不可逆因素？答： 各种不可逆因素总可以表示为将机械能耗散为热能，例如温差传热，卡诺说：凡是有温度差的地 方都可以产生动力。因此，温差传热使得本可以作出 的功没有作出，这就相当于将机械能耗散为热能。 凡 是最终效果都可以归结为使机械能耗散为热能的过 程都是不可逆过程。热力过程中的不可逆因素有功热 转换、有限温差传热、自由膨胀、混合过程、电阻等 等。5-5试证明热力学第二定律的各种说法的等效性： 若 克劳修斯说法不成立，则开尔文说法也不成立。答：热力学第二定律的各

17、种说法都是等效的，可 以证明它们之间的等效性。图4-1图4-2如图4-1所示，某循环发动机 E自高温热源Ti 吸热Q,将其中一部分转化为机械能 W,其余部分 Q=Q-W排向低温热源丁2,如果可以违反克劳修斯说 法，即热量Q可以不花代价地自低温热源传到高温热 源，如图中虚线所示那样，则总的结果为高温热源失 去热能（Qi - Q）,循环发动机产生了相应的机械能 W, 而低温热源并无变化，相当于一台从单一热源吸热而 作功的循环发动机。所以，违反克劳修斯说法必然违 反开尔文说法，类似地，违反开尔文说法也必然违反 克劳修斯说法，两种说法完全等价（图 4-2）。5-6下列说法是否有错误：（1）循环净功 W

18、t愈大则 循环热效率愈高；（2）不可逆循环热效率一定小于可 逆循环热效率；（3）可逆循环热效率都相等，t 1以Ti（1）错。（2）错。应当是在同样的高温热源和低温热 源之间。否则没有比较基础。（3）错。应当是在同样的高温热源和低温热源之间。否则没有比较基础。5-7循环热效率公式：t q2和t互工是否完全 qiTi相同？各适用于哪些场合？答：不同。前者适用于一般的循环（可逆和不可 逆循环），后者仅适用于在两个恒温热源之间工作的 可逆循环。（第三版5-8题）不违反。它是依赖于压力差作功的。5-8下述说法是否正确：（1）嫡增大的过程必定为吸 热过程；（2）嫡减小的过程必为放热过程；（3）定嫡 过程必

19、为可逆绝热过程；（4）嫡增大的过程必为不可 逆过程；（5）使系统嫡增大的过程必为不可逆过程；（6）嫡产Sg>0的过程必为不可逆过程。答:（ 1） 错。不可逆绝热过程熵也会增大。（ 2） 错，不准确。不可逆放热过程，当放热引起的熵减大于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量大于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵略微减少，但没有可逆放热过程熵减少那么多。（ 3） 错。不可逆放热过程，当放热引起的熵减等于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵没有发生变化。（ 4） 。可逆吸热过程熵增大。（ 5） 。理由如上。可以说：“使 孤立 系统熵增大的过程必为

20、不可逆过程。”（ 6） 。5-9 下述说法是否有错误：（ 1）不可逆过程的熵变S无法计算；（ 2） 如果从同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，则S 不可逆 > S 可逆 ，s,不可逆 s,可逆，s,不可逆 s,可逆；(3)不可逆绝热膨 胀终态嫡大于初态嫡 S2S,不可逆绝热压缩终态嫡 小于初态嫡SS; (4)工质经过不可逆循环ds 0,。-q 0。Tr答：(1)错。嫡是状态参数，只要能够确定起迄点， 就可以确定嫡变So(2)错。应为 s不可逆=$可逆、s,不可逆s,可逆、sg, 不可逆sg,可逆。因为嫡是状态参数，同一初始状态和同 一终了状态之间的嫡差保持同一数值，与

21、路径无关。(3)错。不可逆绝热压缩过程的终态嫡也大于 初态嫡，GS。(4)错。口ds 0,因为嫡是状态参数。5-10从点a开始有两个可逆过程：定 p；k c容过程a- b和定压过程a-c, b、c两0 v.图5 34点在同一条绝热线上（见图 5 - 34）,问qa-b和qa c 哪个大？并在T- s图上表示过程a- b和a-c及qa b 禾口 q a - c o答：可逆定容过程a-b和可逆定压过程a-c的逆 过程c-a以及可逆绝热线即定嫡线上过程b-c构成一 可逆循环，它们围成的面积代表了对外作功量，过程a-b吸热，过程c-a放热，根据热力学第一定律，必 然有qa-b > qc-a ,才

22、能对外输出净功。也就是，10题图qa-b >qa-c o图中，qa-b为abSbSaa围成的面 积，qa-c为acSbSaa围成的面积。 5-12孤立系统中进行了（ 1）可 逆过程；（2）不可逆过程，问孤 立系统的总能、总嫡、总加各如何变化?答：（1）孤立系统中进行了可逆过程后，总、能、 总嫡、总相都不变(2)孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变, 总嫡、总裕都发生变化。5-14下列命题是否正确？若正确，说明理由；若错 误，请改正。(1)成熟的苹果从树枝上掉下，通过与大气、 地面的摩擦、碰撞，苹果的势能转变为环境介质的热 力学能，势能全部是须全部转变为火己(2)在水壶中烧水，必有热量散

23、发到环境大气 中，这就是“无而使水升温的那部分称之为斓(3) 一杯热水含有一定的热量 加，冷却到环境 温度，这时的热量就已没有加值。(4)系统的明只能减少不能增加。(5)任一使系统 如增加的过程必然同时发生一 个或多个使明臧少的过程。235页思考题1 .实际气体性质与理想气体性质差异产生的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作理想气体处理？答：差异产生的原因就是理想气体忽略了分子体积与分子间作用力。当p-0时，实际气体成为理想气体。 实际情况是当实际气体距离其液态较远时，分子体积与分子间作用力的影响很小，可以把实际气体当作理想气体处理。2 . 范德瓦尔方程的精度不高，但是在实际气体状态方程

24、的研究中范德瓦尔方程的地位却很高，为什么？答：范德瓦尔方程是第一个实际气体状态方程，在各种实际气体状态方程中它的形式最简单；它较好地定性地描述了实际气体的基本特征；其它半理论半经验的状态方程都是沿范德瓦尔方程前进的。答：实验数据来自于实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子误差较大，所以由试验数据拟合得到的接近于实际。3 . 什么叫对应态定律？为什么要引入对应态定律？什么是对比参数？答：在相同的对比态压力和对比态温度下，不同气体的对比态比体积必定相同。引入对应态原理，可以使我们在缺乏详细资料的情况下，能借助某一资料充分的参考流体的热力性质来估算其它流体的性质。某气体状态参数与其临界参数的比

25、值称为热力对比参数。（对比参数是一种无量纲参数） （对比参数是一种无量纲参数）4 . 自由能和自由焓的物理意义是什么？两者的变化量在什么条件下会相等？答：H=G + TS， U=F + TS。dg =dh - d（Ts） =dh - Tds-sdT,简单可压缩系 统在可逆等温等压条件下，处于平衡状态：dg =-Tds， ds=0 dg=0。 若此时系统内部发生不可逆变化（外部条件不变），则ds>0, dg<0。例如系统内部发生化学反应，化学能转化为内热能(都是热力学能)，必要条件是dg<0,否则过程不能发生。类似地， 简单可压缩系统在等温等容条件下，内部发生变化的必要条件是：

26、df<0。引申：系统的g、f没有时，dg=0, df=0。内部变化不再进行。进而可以认为g、 f 是系统内部变化的能力和标志，所以分别称为自由焓、自由能，相应地，TS可称为束缚能。与 火 用 相比， 吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能不需要与环境状态联系，且是工质的状态参数。搞理论热力学的人(物理学家们)根本不拿火 用 当回事。两者的变化量在什么条件下会相等？有什么意义呢？ dg - df=d(h - Ts) - d(u - Ts)=dh - du=0,对于理想气体可逆等温过程，两者的变化量相等。或者：dh - du= d(pv)=05 . 什么是特性函数？试说明u=u(s, p) 是否是特性

27、函数。答：某些状态参数表示成特定的两个独立参数的 函数时，只需一个状态参数就可以确定系统的其它参 数，这样的函数就称为特性函数。热力学能函数仅在 表示成嫡及比体积的函数时才是特性函数，换成其它 独立参数，如u=u(s, p),则不能由它全部确定其它 平衡性质，也就不是特性函数了。O6 .试导出以T、p及p、v为独立变量的du方程及以 T、v及p、v为独立变量的dh方程。7 .本章导出的关于热力学能、始、嫡的一般关系式 是否可用于不可逆过程？答：由于热力学能、始、嫡都是状态参数，其变 化与过程无关，所以其结果也可以用于不可逆过程。页思考题8 .如何用连续性方程解释日常生活的经验：水的流通截面积增大，流速就降低?答：qm -Acf- constantv在日常生活中，水可视为不可压缩流体，具比体 积不会发生变化，因而由上式有Acf=常数，即截面积变化与速度变化成反比。6.考虑摩擦损耗时，为什么修正出口截面上速度后 还要修正温度？答：如上。8.如图7-17所示，（a）为渐缩喷管，（b）为缩放 喷管。设两喷管工作背压均为 0.1MPq进口截面压 力均为1MPa进口流速Cfi可忽略不计。若（1）两喷 管最小截面积相等，问两喷管的流量、出口截面流速 和压力是否