《工程热力学》思考题及答案

《工程热力学》思考题及答案热力学基本概念1.问：平衡状态与稳定状态有何区别和联系？答：平衡状态是宏观性质不随时间变化，且没有外界作用下系统状态参数保持不变的状态，它强调系统内部不存在不平衡势差，如不存在温差、压力差等。稳定状态则是指系统的状态参数不随时间变化，但这种不变可能是由于外界对系统持续作用的结果。例如，一个热交换器，当热流体和冷流体的流量、温度等参数稳定时，热交换器内各点的温度等状态参数也不随时间变化，处于稳定状态，但它不是平衡状态，因为热交换器内部存在温差，有热量传递。联系在于平衡状态一定是稳定状态，但稳定状态不一定是平衡状态。2.问：表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空表的读数是否可能变化？答：表压力或真空度不能作为状态参数进行热力计算。因为表压力和真空度分别是工质绝对压力p与当地大气压力的差值，即=p（当p>），=p（当p<）。当地大气压力会随环境条件（如海拔、气候等）而变化，所以表压力和真空度的值不仅取决于工质的状态，还与当地大气压力有关，不是工质本身的状态属性。若工质的压力不变，但当地大气压力发生变化时，测量其压力的压力表或真空表的读数会变化。例如，在高山上大气压力较低，同样的工质绝对压力下，压力表读数会比在平原地区小。3.问：温度计测温的基本原理是什么？答：温度计测温的基本原理是基于热力学第零定律。热力学第零定律指出，如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡。温度计就是利用这一原理，将温度计与被测物体充分接触，经过一段时间后，温度计与被测物体达到热平衡，此时温度计的温度就等于被测物体的温度，通过温度计上的刻度就可以读出被测物体的温度值。例如，常用的水银温度计，当它与被测物体接触时，水银会因热胀冷缩而发生体积变化，根据水银柱的高度变化来指示温度。热力学第一定律1.问：热力学第一定律的实质是什么？它说明什么问题？答：热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律在热现象中的应用。它表明热能和机械能以及其他形式的能量之间可以相互转换，但在转换过程中能量的总量保持不变。它说明在任何热力过程中，系统与外界交换的热量Q、系统对外界做的功W以及系统内能的变化ΔU之间存在着确定的数量关系，即Q2.问：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？答：系统内质量保持恒定的热力系不一定是闭口系统。闭口系统的定义是与外界无物质交换的系统。而有些系统虽然质量保持恒定，但可能存在物质的流入和流出，只是流入和流出的质量相等，这种系统属于稳定流动系统。例如，一个稳定运行的燃气轮机，空气和燃料不断流入，燃烧后的废气不断流出，但在一段时间内，系统内的质量保持不变。它不是闭口系统，而是开口系统中的稳定流动系统。3.问：说明以下论断是否正确：（1）气体膨胀时一定对外做功。（2）气体被压缩时一定消耗外功。（3）气体膨胀时必须对其加热。（4）气体边膨胀边放热是可能的。（5）气体边被压缩边吸入热量是不可能的。答：（1）气体膨胀时不一定对外做功。例如，在绝热自由膨胀过程中，气体向真空膨胀，没有外界阻力，气体不对外做功。因为功的定义是力与力方向上位移的乘积，在自由膨胀中没有克服外力做功，所以对外做功为零。（2）气体被压缩时一定消耗外功。根据功的原理，当气体被压缩时，外界需要对气体施加力，使气体的体积减小，外界对气体做了压缩功，所以一定消耗外功。（3）气体膨胀时不一定必须对其加热。例如，绝热膨胀过程中，气体与外界没有热量交换，气体依靠自身内能的减少来膨胀对外做功，温度降低。所以气体可以通过消耗自身内能来实现膨胀，不一定需要加热。（4）气体边膨胀边放热是可能的。根据热力学第一定律Q=ΔU+W，当气体膨胀时对外做功W（5）气体边被压缩边吸入热量是可能的。当气体被压缩时，外界对气体做功W<0，如果气体从外界吸收热量理想气体的性质与热力过程1.问：理想气体的概念是如何建立的？实际气体在什么情况下可当作理想气体处理？答：理想气体是一种经过科学抽象的假想气体模型。它假设气体分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间除了相互碰撞外没有其他作用力。这种假设忽略了气体分子的实际体积和分子间的相互作用力，使气体的状态方程和热力性质的分析变得简单。实际气体在压力不太高、温度不太低的情况下可当作理想气体处理。因为在这种条件下，气体分子间的距离较大，分子本身的体积相对于气体所占的总体积可以忽略不计，分子间的相互作用力也很微弱，符合理想气体的假设条件。例如，常温常压下的空气、氧气、氮气等都可以近似看作理想气体，在工程计算中使用理想气体的状态方程和相关公式可以得到足够准确的结果。2.问：理想气体的内能和焓只与温度有关，而与压力和比容无关，这一结论能否推广到实际气体？答：这一结论不能推广到实际气体。理想气体的内能和焓只与温度有关是基于理想气体的分子模型，即分子间无相互作用力，分子本身不占体积。对于实际气体，分子间存在相互作用力，且分子有一定的体积。当压力和比容变化时，分子间的距离会发生改变，分子间的相互作用势能也会发生变化，从而导致内能和焓不仅与温度有关，还与压力和比容有关。例如，在高压低温的情况下，实际气体的性质与理想气体有很大差异，其内能和焓不能仅仅用温度来描述。3.问：在定容过程和定压过程中，气体的热量可根据过程中气体的比热容乘以温差来计算。定温过程气体的温度不变，在定温膨胀过程中是否需对气体加入热量？如果加入的话应如何计算？答：在定温膨胀过程中需要对气体加入热量。对于理想气体，定温过程中内能不变，即ΔU=0。根据热力学第一定律Q=ΔU+W，由于ΔU=0，所以Q=W。对于理想气体的定温膨胀过程，其功W可以通过积分计算，W热力学第二定律1.问：热力学第二定律的实质是什么？它有哪些表述方式？答：热力学第二定律的实质是指出了自然界中热现象过程的方向性和不可逆性。它说明热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体，而且一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。热力学第二定律有多种表述方式，常见的有：（1）克劳修斯表述：热量不可能自发地从低温物体传向高温物体。例如，冰箱制冷需要消耗电能，通过压缩机等设备做功才能将热量从低温的冷藏室传向高温的外界环境。（2）开尔文普朗克表述：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。这否定了第二类永动机的存在，第二类永动机是指能从单一热源吸收热量并将其全部转化为功的机器。2.问：熵的物理意义是什么？如何理解熵增原理？答：熵是热力学中一个重要的状态参数，它的物理意义可以从微观和宏观两个角度来理解。从微观角度看，熵是系统内分子热运动无序程度的量度。分子的无序程度越高，系统的熵值越大。例如，气体在膨胀过程中，分子的活动空间增大，分子的分布更加混乱，熵值增加。从宏观角度看，熵与过程的不可逆性有关。熵增原理指出，在孤立系统中，一切实际过程（不可逆过程）总是朝着熵增加的方向进行，只有可逆过程熵才保持不变。这意味着孤立系统的无序程度总是不断增加的，最终达到平衡状态，此时熵达到最大值。例如，一个绝热容器中，将两种不同温度的气体混合，混合过程是不可逆的，系统的熵会增加，最终达到均匀混合的平衡状态，熵达到最大。3.问：试说明绝热过程的过程功w和技术功的计算式w=和=是否只限于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么？答：w=和=并不只限于理想气体，也不限于可逆绝热过程。对于绝热过程，根据热力学第一定律Q=ΔU+W，因为Q=0，所以W=气体和蒸汽的流动1.问：在喷管中气体的流速是如何变化的？影响流速变化的因素有哪些？答：在喷管中气体的流速变化与喷管的形状和气体的状态变化有关。对于渐缩喷管，当气体在其中流动时，随着气体的膨胀，压力降低，比容增大，流速逐渐增加，但流速最大只能达到当地音速。对于缩放喷管（拉瓦尔喷管），在渐缩段流速逐渐增加，到喉部达到音速，在渐扩段流速继续增加，超过音速成为超音速气流。影响流速变化的因素主要有：（1）气体的初始状态，包括初始压力、温度和比容等。初始压力和温度越高，气体的能量越大，流速可能增加得更快。（2）喷管的形状。不同形状的喷管对气体流速的影响不同，渐缩喷管适用于亚音速流动，缩放喷管可以实现从亚音速到超音速的转变。（3）背压。背压是指喷管出口处的外界压力，背压与喷管内气体的压力差会影响气体的流动和流速变化。当背压变化时，喷管内的流动状态可能会发生改变，如出现壅塞现象等。2.问：什么是临界压力比？它与哪些因素有关？答：临界压力比是指气体在喷管中流动达到临界状态（流速等于当地音速）时，临界压力与滞止压力的比值，即=。对于理想气体，临界压力比只与气体的绝热指数κ有关，其表达式为=(。不同的气体具有不同的绝热指数，所以临界压力比也不同。例如，对于空气，κ=1.4，则临界压力比=3.问：为什么渐缩喷管出口截面的压力最低只能降低到临界压力？答：在渐缩喷管中，气体从进口流向出口，压力逐渐降低，流速逐渐增加。当出口截面的压力降低到临界压力时，出口处的流速达到当地音速。根据气体动力学原理，在渐缩喷管中，亚音速气流在渐缩通道中流速增加，压力降低，但当流速达到音速后，再继续降低出口压力，由于渐缩喷管的结构限制，无法使气流进一步加速，因为超音速气流在渐缩通道中流速会减小，压力会升高。所以在渐缩喷管中，出口截面的压力最低只能降低到临界压力，此时出口流速达到音速，形成壅塞现象。如果要使气流进一步膨胀加速到超音速，就需要采用缩放喷管。动力循环1.问：分析朗肯循环的工作过程，并说明提高朗肯循环热效率的途径有哪些？答：朗肯循环是蒸汽动力装置的基本循环，它由四个过程组成：（1）定压吸热过程：水在锅炉中被加热成高温高压的蒸汽，这个过程是在定压下进行的，水吸收燃料燃烧产生的热量，从液态变为气态。（2）绝热膨胀过程：高温高压的蒸汽进入汽轮机，在汽轮机中绝热膨胀对外做功，将热能转化为机械能，蒸汽的压力和温度降低。（3）定压放热过程：从汽轮机排出的乏汽进入冷凝器，在冷凝器中定压放热，凝结成水。（4）绝热压缩过程：凝结水通过给水泵绝热压缩，重新送回锅炉，完成一个循环。提高朗肯循环热效率的途径主要有：（1）提高蒸汽的初参数，即提高蒸汽的初压力和初温度。提高初压力和初温度可以增加蒸汽的焓值，使蒸汽在汽轮机中膨胀做功的能力增强，从而提高循环热效率。但提高初参数会受到金属材料性能的限制。（2）降低乏汽的压力，即降低冷凝器的压力。降低乏汽压力可以增大蒸汽在汽轮机中的膨胀做功范围，增加循环净功，提高热效率。但乏汽压力的降低受到环境温度和冷凝器冷却能力的限制。（3）采用再热循环。在蒸汽在汽轮机中膨胀到一定程度后，将其引出再次加热，然后再进入汽轮机继续膨胀做功。再热循环可以提高蒸汽的平均吸热温度，减少蒸汽在膨胀过程中的湿度，提高汽轮机的效率。（4）采用回热循环。从汽轮机中抽出部分蒸汽来加热进入锅炉的给水，减少了在锅炉中加热给水所需的热量，提高了循环的热效率。2.问：比较卡诺循环和朗肯循环的特点和热效率。答：卡诺循环和朗肯循环是两种不同的热力循环，它们具有以下特点和热效率情况：特点：（1）卡诺循环是一种理想的可逆循环，由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。它的工作物质可以是任意工质，但在理论分析中通常假设为理想气体。卡诺循环的工作过程是在两个恒温热源之间进行的，它的热效率只与高温热源温度和低温热源温度有关。（2）朗肯循环是实际蒸汽动力装置的基本循环，由定压吸热、绝热膨胀、定压放热和绝热压缩四个过程组成。它以水和水蒸气作为工质，更符合实际工程的应用。朗肯循环的工作过程涉及到蒸汽的相变，在锅炉中产生蒸汽，在冷凝器中蒸汽凝结成水。热效率：卡诺循环的热效率公式为=13.问：在制冷循环中，为什么要采用节流阀而不是膨胀机？答：在制冷循环中，理论上采用膨胀机可以使制冷剂在膨胀过程中对外做功，回收一部分能量，提高制冷循环的性能。但在实际应用中，更多地采用节流阀而不是膨胀机，主要原因有以下几点：（1）结构简单，成本低。节流阀的结构非常简单，主要由一个节流孔组成，制造和维护成本都很低。而膨胀机的结构复杂，需要精密的加工和装配，成本较高。（2）操作方便。节流阀不需要复杂的控制和调节系统，只需要根据制冷系统的要求选择合适的节流孔径即可。而膨胀机需要精确的控制其转速和膨胀比，操作和维护难度较大。（3）适应性强。在制冷系统中，制冷剂的流量和工况可能会发生变化。节流阀对流量和工况的变化具有较好的适应性，能够自动调节制冷剂的压力和流量。而膨胀机在流量和工况变化较大时，其效率会明显下降，甚至可能无法正常工作。（4）可靠性高。节流阀没有运动部件，不存在磨损和故障的问题，可靠性高。而膨胀机有运动部件，在长期运行过程中可能会出现磨损、泄漏等故障，影响制冷系统的正常运行。湿空气1.问：什么是湿空气的含湿量和相对湿度？它们之间有什么关系？答：湿空气的含湿量d是指单位质量干空气所携带的水蒸气质量，单位为kg/kg（干空气）。其计算公式为d=0.622，其中是水蒸气分压力，p是湿空气的总压力。相对湿度φ是指湿空气中水蒸气的实际分压力与同温度下饱和水蒸气分压力的比值，即φ=。含湿量和相对湿度都反映了湿空气中水蒸气的含量情况，但它们之间的关系与温度和压力有关。在总压力p不变的情况下，相对湿度φ和含湿量d之间存在一定的函数关系。当温度升高时，饱和水蒸气分压力增大，如果含湿量d不变，相对湿度φ2.问：为什么在冬季人会感觉空气很干燥，而在夏季会感觉空气很潮湿？答：在冬季人会感觉空气很干燥，而在夏季会感觉空气很潮湿，主要与空气的相对湿度和人体的感受有关。在冬季，环境温度较低，饱和水蒸气分压力较小。虽然空气中实际的水蒸气含量（含湿量）可能并不低，但相对湿度φ=可能较小，因为分母很小。相对湿度低意味着空气中的水蒸气距离饱和状态较远，水分容易从人体表面蒸发，带走人体的热量，使人感觉皮肤和呼吸道干燥。在夏季，环境温度较高，饱和水蒸气分压力较大。此时空气中的水蒸气含量（含湿量）往往也比较高，相对湿度可能较大，空气中的水蒸气接近饱和状态。人体表面的汗液不