工程热力学课后思考题答案__第四版_沈维道_童钧耕

1、1 .闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质策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TT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（传热送），随物质进出的热能（准确地说是热力学能）不在其中。3 .平衡状态与稔定状态有何区别和联系？平衡状态一定是稔定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。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？绝对压力计算公式P=Pg（PPb）-P=Pb-fX（P3=cp（t3

2、-t2）=cXt3-t2）+r（T3-t2）,qg=rS-Ts）,qi=Cp（TTi）=j（TTD+R（T4-Ti）。523f.2十生.3=CT厂TiNCg-T。十典13-&）=cTs-TO+RCTr-T：）q43=qi+q：3=C式T4-T）R（TT1）十白（13一TJ=c,（T3-T】）十R（TlT】）于是Ql-2-3-OPlPiPl所以，qi-2-3*qi-4-3证毕。9 .如图4-18所示，今有两个任意过程a-b及ac.b点及c点在同一条绝热线匕（1）试问Au,b与Au1c哪个大？（2）若b点及c点在同一条定温线匕结果又如何？10 .理想气体定温过程的膨胀功等:技术功能否推广到任意气体

3、？从热力学第一定律的第一表达式和第二表达式来看,膨胀功和技术功分别等于、v=q-du和wt=q-Ah,非理想气体的Au和Ah不一定等于零,也不可能相等，所以理想气体定温过程的膨胀功等于技术功不能推广到任意气体.11 .下列三式的使用条件是什么？.-1k-lp2v2k=p1v1k,Tjv/TjV,10-1,TjPlk=T2P2k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取和膨胀功w?D=04-13在pv和Ts图上如何判断过程q、w、Au、Ah的正负。通过过程的起卢划等容线（定容线），过程指向定容线右侧，系统对外作功，、v0；过程指向定容线4侧.系统接收外功，w

4、0通过过程的起点划等压线（定压线），过程指向定乐线下倒，系统对外输出技术功，wO：过程指向定压线上侧，系统接收外来技术功.WS0.通过过程的起点划等温线（定温线）,过程指向定温线卜.侧，Au0,Ah0；通过过程的起点划等墙线（定墙线），过程指向定淄线右值J，系统吸收热成，q0：过程指向定境线左侧.系统拜放热量,q4-14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算TT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，而水热

5、气是依嵬查图查表进行计算.4-15实际过程都是不可逆的，那么本章讨论的理想可逆过程有什么意义？理想可逆过程是对实际过程的近似和抽缴,实际过程过于红杂不易于分析，通过理想可逆过程的分析以及根据实际过程进行适当修正，可以了解实际过程能量转换变化情况，以及如何向理想可逆过程竟近以提高相应的技术指标。193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TT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.52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

6、与热力学第二定律的开尔文叙述有矛历？提示：号虐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/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，非门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J的说法完全错误，非自发过程需付出代价（更强的自发

7、过程）才能实现，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。54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：各种不可逆因索总可以表示为将机械能耗散为热能，例如温主传热，卡诺说：凡是有温度主的地方都可以产生动力。因此，温星传热使得本可以作出的功没行作出，这就相当丁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、有限温爰传热、I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种说法都是等效的

8、，可以证明它们之间的等效性.图4-1图4-2T,如图4-1所示，某循环发动机E门高温热源”吸热QP将其中一部分转化为机械能W。，其余部分Q2=QlW0排向低温热源T?,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（Q1-Q0循环发动机产生了相应的机械能Wo,而低温热源并无变化,相当于一台从中.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42）。5-6下列说法是否仃错误：（1）循环净功W愈大则循环热效率愈高：（2）不可逆循环热

9、效率一定小丁可逆循环热效率（3）可逆循环热效率都相等,7=1一（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）借.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：7；t=qi-q：和77t=上卫是否完全相同？各适用于哪些场合？华工答：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K作功的.58下述说法是否正确：（1）烯增大的过程必定为吸热过程：（2）淄减小的过程必为放热过程：（3）定熠过程必为可逆绝热过程：（4）烯增大的过程必为不可逆过程：（5）

10、使系统崎增大的过程必为不可逆过程：（6）墙产S/0的过程必为不可逆过程。答：1）错.不可逆绝热过程斌也会增大。2）错,不准确。不可逆放热过程,当放热引起的埔减大于不可逆引起的燎增时（亦即当放热量大于不可逆耗散所产生的热显时），它也可以表现为煽略微谶少，但没TT可逆放热过程烯成少那么多.（3）错不可逆放热过程,当放热引起的炳成等丁不可逆引起的脩增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为尴没有发生变化。（4）借。可逆吸热过程焙增大。（5）错。理由如卜.可以说：“使孤立系统埼增大的过程必为不可逆过程。”（6）对.5-9下述说法是否TT错误：（D不可逆过程的炳变AS无法计熨：（2

11、）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,Masas碇，as.as8.wASg.UJ；（3）不可逆绝热膨胀终态嫌大于初态燧S2S,不可逆绝热压缩终态嫌小于初态隔S2Si；（4）工质经过不可逆循环，ds0,僧e答：（1）借。尴是状态参数，只要能够确定起迄点，就可以幽定焙变AS。（2） fno附为AS.可w=AS.电、Sfq.wwSP（4）错。，ds=O,因为淄是状态参数。5-10从点a开始有两个可逆过程：定容过程a-b和定压过程p|a-c,b、c两点在同一条绝热线上（见图5-34）,问q,b和%c哪个大？并在T-s图上表示过程a-b和a-c及q.b和q0图5-34答：可逆定

12、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墙线上过程bc构成一可逆循环,它们闱成的面积代表了对外作功用.过程ab吸热，过程ca放热，根据热力学第一定律，必然TTI1I5/，才能对外输出净功。也就是,围成的面积。可逆绝热压缩两种过程,上画出两过程，并在T失.图中,q*-b为abs21a成的面积,q*-c为acsg1a5-11某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不将气体东缩到相同的终压，在p-v图上和T-s图-s图上示出两过程的技术功及不可逆过程的期损542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、总炳、总娴各如何变化？答：（1）孤立系统中进行了可

13、逆过程后，总能、总燧、总煽都不变。（2）孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变，总墙、总烟都发生变化。5-13例5-12中氮气由045Mpa、310K可逆定温膨胀变化到O.llMPa、310K.w】2gxK=129.71kJ/kg.但根据最大有用功的概念,膨胀功俄去排斥大气功（无用功）才等于有用功，这里是否有矛盾？答：没有矛盾.5-14下列命题是否正确？若正确，说明理由：若借误，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，势能全部是加，全部转变为火无。（2）在水壶中烧水，必有热量散发到环境大气中，这就是火无，而使水升温的那部分称之为攵

14、川。 3）一杯热水含有一定的热量烟，冷却到环境温度，这时的热量就己没有烟值。)=-RTJMpz/内)/.q41Tjq23/T2=-300x400/1000=-120kJ/kgnt=l-Iq4i*q341/(qi:q23)=1-1-70284201/(702.8+400)=0.2539采用极限回热，过程34放热回热给过程12,q乂=如%=1旧/电3)=-1201/400=0705-3如图所示,如果两条绝热线可以相交,则令绝热线S?交于a点.过b、c两点作等压线分别与绝热线3、3?交丁b、c点。T是，过程be、ca、ab组成一闭合循环回路，沿此回路可进行一可逆循环,其中过程ca、ab均为可逆绝热过

15、程，只有定压过程be为吸热过程,而循环回路围成的面积就是对外净输出功.显然,这构成了从玳一热源吸热并将之全部转变为机械能的热力发动机储坏.是违反热力学第二定律的.5-4(l)pi=p2工5J1500V4-1=27.95NlPa300(2)见图。q3i=cp(TrT3)=-R(TrT)5=k-1RT2ln(p2/p3)=RT:ln(p2/pi)300xIn,RTihi也|q_.必(1500-300IJ,=0.59765-5(1)QH=eVae=e,ntQi=3.5x040xl00=140kJ尹，怒%Th-To360=5.14360-290QRc=e；WDecx=ecncQi=5.14x0.71x

16、l00=365.14kJ(3)此复合系统虽未消耗机械功，但由高温热源放出热星Q】作为代价，使得部分热量从低温热源To传到较高温热源丁卬因此并不建背热力学第二定律。T,300=0855-6ic=l-=1T12000(1) W=ncQ)=085x1=085kJ,可能作出的最大功为085kJ,所以这种情形是不可能实现的。(2) W=ncQ1=085x2=170kJ.Q：=Qi-W=2-1.70=03OkJ,所以这种情形有实现的可能(如果门然界存在可逆过程的话)，而且是可逆循环。(3) Qi.Wn=1.5/0.85=1.765kJ,5O.5=2.OkJQtc,此循环可以实现，且耗热比可逆循环要多，所以

17、是不可逆循环。235页思考题1,实际气体性质与理想气体性质若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枳与分子间作用力.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,分子体枳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 .压缩因子Z的物理意义怎么理解？能否将Z当作常数处理？答：由于分子体积和分子间作用力的影响,实际气体的体积与同样状态下的理想气体相比，发生了变化。变化的比例就是压缩因子。Z不能当作常数处理。3 .范馈瓦尔方程的精度不高，但是在实际气体状态方程的研究中范德瓦尔方程的地位却很高

18、，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。4 范德瓦尔方程中的物性常数a和b可以由实脸数据拟介得到，也可以由物质的Ta、Pa、7计算得到，需要较高的精度时应采用哪种方法，为什么？答：实疆数据来自实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子谡差较大.所以由试验数据拟合得到的接近广实际。5 .如何看待维里方程？一定条件下维里系数可以通过理论计算，为什么维里方程没有得到广泛应用？答：维里方程具有坚实的理论基础,各个维里系数具TF明确的物理意义,并且原则上都可以

19、通过理论计克.但是第四维里系数以上的高级维里系数很难计算,三项以内的维里方程已在BWR方程、MH方程中得到了应用.故在计算工质热物理性质时没有必要再使用维里方程，而是在研究实际，体状态方程时有所应用.6 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芍流体的热力性质来估兜其它流体的性质。某气体状态参数与其临界参数的比值称为热力对比参数。(对比参数是一种无量纲参数)7 .物质除了临界状态、p-v图上通过临界点的等温线在临界点的一阶导数等零、两阶

20、导数等于零等性须以外.还有哪些共性？如何在确定实际气体的状态方程时应用这些共性？答：8 门由能和自由结的物理意义是什么？两行的变化策在什么条件下会相等？答：H=G+TS,U=F+TSodg=dh-d(Ts)=dh-Tds-sdT,简单可压缩系统在可逆等温等压条件下，处平衡状态：dg=-Tds,ds=0=dg=0o若此时系统内部发生不可逆变化(外部条件不变)，则ds0,=dg。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dgllOrn-J-=0.0010517m3kg：IMpa.100C时v=0.0010432m3/kgo373.15x0.0010517-0.0010

21、435110-1007(l-0,5)xlQ60.0010432-0.0010435=418.18J/(kgK)15 .水的相图和一般物质的相图区别在哪里？为什么？答：一般物质的相图中，液固平衡曲线的斜率为正值，乐力越高，平衡温度(相变温度)越高。水的相图中,液固平衡曲线的斜率为负值，导致乐力越高,平衡温度(相变温度)越低。16 .平衡的一般判据是什么？讨论自由能判据、自由均判据和炳判据的关系。答：孤立系统爆增原理给出了热力学平衡的一般判据,即炳判据。孤立系统中过程进行的方向是使燎增大的方向,当端达到最大值时,过程不能再进行下去,孤立系统达到热力学平衡状态.在等温定压条件下,埼判在退化为吉布斯自

22、由能（自由玷）判据:系统的自发过程朝着使吉布斯自由能减小的方向进行:等海定容条件下,燔判据退化为亥姆霍等自由能（自由能）判据:系统的自发过程朝着使亥姆霍兹自由能减小的方向进行.263页思考题1 .对改变气流速度起主要作用的是通道的形状还是气流本身的状态变化？答：对改变气流速度起主要作用的是气流本身的状态变化.即力学条件。通道的形状即几何条件也对改变气流速度起重要作用,两者不可或缺。但在某些特殊的、局部的场合，矛盾的主次双方发生转化，通道的形状可能成为主要作用方面.2 .如何用连续性方程解择日常生活的经验：水的流通截面积增大，流速就降低？答:=constantV在口常生活中,水可视为不可压缩流体

23、,其比体积不会发生变化，因而由上式有Ac干常数，即截面枳变化与速度变化成反比。3 .在高空飞行可达到高超音速的K机在海平面上是否能达到用同的高马赫数？答：不能。高空气温低，由理想气体音速a=阿：=J国可知当地声速比较低，一定的飞行速度可以取得收高的马赫数,而海平面温度比高空高几十K,相应声速较大.同样的飞行速度所获得的马林数要小一些.此外,高空空气比海平面稀薄得多飞行阻力也小得多，所以K行速度上也会有差异。4 .当气流速度分别为此声速和超声速时，卜列形状的管道（图7-16）宜于作喷管还是宜于作扩压管？答：亚声速时喷管扩压管喷管都不适合超声速时扩压管喷管扩压管都不合适5 .当1T摩擦损耗时，喷管

24、的流出速度同样可用cc=J2（ho-hj来计兑.里呢?逆绝热膨胀过程,TT摩程结束时温度比可逆似乎与无摩擦损耗时相同，那么，摩擦损耗表现在哪答：如右侧温炳图,两条斜线是等乐线,乖直线是可擦时，过程为不可逆，如虚线所表示显而易见,过情况下要高，这两个温度对应的培之基就是摩擦损耗的表现。6 .考虑摩擦损耗时,为什么修正出口截而上速度后还要修正温度？答：如上.7 .考虑喷管内流动的摩擦损耗时，动能损失是不足就是流动不可逆损失？为什么？答：不是。动能损失就是5题图中的培七。但是由于出口温度高于可逆情形下的出口温度，卡诺讲，凡是有温里的地方就有动力，所以这部分给还具有一定的作功能力,并不是100%作功能

25、力损失（烟损失）。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O.lMPa,进口截而压力均为IMPa,进口流速?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相同？（2）假如沿极面2；7切去-段，将产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流量将起什么变化？（a）（b）图7-17思考题78附图答：（1）两喷管最小截面枳相等,则两喷管的流量相等,出口截面流速和压力不相等。渐缩喷管出口截面流速为当地音速,出口垓面压力等于临界压力（O.528Ipa）,缩放喷管出口截面质力等于背压（充分膨胀情况下），出口截而流速为超声速（）.（2）渐缩

26、喷管，沿截而2：2,切去一段后，临界状态前移到2；2,截而，出口速度为当地音速，出口截面压力等于临界压力（0.528Mpa）,由于出口面积变大，喷管流量增大.缩放喷管，沿截面2；2也J去一段后.喷管形状不足以保持完全膨胀，出口压力高丁背压，出口流速比切去一段以前小（仍为超声速），喷管流量不变。（喷管内剩余部分流动没有变化）。9 .图7-13（b）中定均线是否是节流过程线？既然节流过程不可逆,为何在推导节流微分效应的时可利用dh=O?答：不是.节流过程的起迄点落在者定博线进行.节流微分效应向表-压力的关系,温度、压力均为状等地线等皤线上，但过程不沿达的是节流过程中温度态参数,其变化与路径无关，所

27、以可以利用等培线分析推10.既然绝热节流前后熔值不变，失？答：泡热节流后气体的压力降低，所能作出的功没仃作出.导致节流图7-13转回曲线（b）导。为什么作功能力有损可逆绝热膨胀过程均降后培仍然等于节流曲。该作出的功没有作出,就产生了作功能力损失。11.多股气流汇合成一股混合气流称作合流，请导出各股支流都是理想气体的混合气流温度表达式。混合气体的熠值是否等于各股支流墙值之和,为什么？应该怎么计前？281页思考题1 .利用人工打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机气缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么？答：湿布使打气筒散热增强.气缸水冷或加装肋片也是为了增强散热，从而使压缩过程离开绝热靠近定温.压缩耗功战少。ps,打气筒包裹湿布后耗功减少，人能感觉出来？值得怀疑。2 .既然余隙容积具有不利影响，是否可能