热力学课后思考题word版

1注：一些图和公式复制不过来，图留了很大的位置，公式留了一行！大家就打印出来再自己补充吧！第九章湿空气性质和湿空气过程思考题1.湿空气和湿蒸汽、饱和空气和饱和蒸汽，它们有什么区别？[答]：湿空气与湿蒸汽的区别：湿空气指的是含有水蒸汽的空气，它是干空气（完全不含水蒸汽）与水蒸汽的混合物，湿空气中的水蒸汽通常处于过热状态。湿蒸汽是潮湿蒸汽的简称，它是饱和液体和饱和蒸汽的混合物，两相处于平衡状态，湿蒸汽处于饱和状态。饱和空气和饱和水蒸汽的区别：饱和空气是指湿空气中所含水蒸汽的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力，不再具有吸湿能力，如果再加入水蒸汽，就会凝结出水珠来。饱和蒸汽则是指可以与同温同压的(饱和)液体平衡共存的蒸汽。2.当湿空气的温度低于和超过其压力所对应的饱和温度时，相对湿度的定义式有何相同和不同之处？[答]：不适用，这时应改为3.为什么浴室在夏天不像冬天那样雾气腾腾？[答]：所谓雾气就是漂浮在空气中的小水珠。由于温度较高和通风情况较好，夏天浴室里的相对湿度比冬天的低，因而吸湿能力比冬天的强，不易形成雾状小水珠，所以不像冬天那样雾气腾腾。4.使湿空气冷却到露点温度以下可以达到去湿目的（见例9-4）。将湿空气压缩（温度不变）能否达到去湿目的？[答]：从焓湿图可见，湿空气定温压缩过程指向图的左下方，此时湿空气的含湿量、相对湿度和水蒸气的分压力都降低，故而可以达到去湿目的第八章制冷循环思考题1.利用制冷机产生低温，再利用低温物体做冷源以提高热机循环的热效率。这样做是否有利？[答]：这样做必定不利，因为虽然低温物体作冷源可以提高热及循环的热效率，多获得功，但是要造成这样的低温冷源，需要制冷机，需要耗功，由于不可逆性的存在，制冷机消耗的功必然大于热机多获得的功，因此，这样做是得不偿失的。2.如何理解空气压缩制冷循环采取回热措施后，不能提高理论制冷系数，却能提高实际制冷系数？[答]：参见图a，没有回热的循环为12341,有回热的循环为1r2r53r41r。采用回热循环后，在理论上制冷能力为q2（过程4→1的吸热量）以及循环消耗的净功和向外界派出的热与没有回热的循环相比，显然都没有变（Wor=Wo,q1r=q）所以理论制冷系数也没有变（εr=ε）。但是采用回热后，循环的增压比降低了，从而使压气机耗功和膨胀机做功减少了同一数量，这也减轻了压气机和膨胀机的工作负担，使它们在较小的压力范围内工作，因而机器可以设计得比较简2单而轻小，另外，如果考虑到压气机和膨胀机的不可逆性（图b）那么采用回热压气机少消耗的功将不是等于而是大于膨胀机少作出功。因而制冷机实际消耗的净功将会减少。同时，每kg空气的制冷量也相应地有所增加（如b图中面积a所示）所以采用回热措施能提高空气压缩制冷循环的实际制冷系数，因而这种循环在深度制冷，液化气体等方面获得了实际应用。3.参看图8-13。如果蒸气压缩制冷装置按1'2'351'运行，就可以在不增加压气机耗功的情况下增加制冷剂在冷库中的吸热量(由原来的h1′−h4′增加为h1′−h5)，从而可以提高制冷系数。这样考虑对吗？[答]：不对。因为要实现定压冷却过程3→5，就需要一定的制冷量(h3—h5)，这冷量只能来自冷库，因而冷库的制冷量将减少，这减少量恰好等于由定压冷却过程取代节流过程带来的制冷量的增加：所以，这样做在理论上并无得益，而实际上不仅增加了设备的复杂性（由简单的节流阀变成较复杂的换热器）。还会由于换热器存在的损失而导致实际制冷系数的降低。第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环思考题31.理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。[答]：以500℃的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar、30bar、100bar及300bar时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据u=h−pv计算它们的热力学能，计算结果列于表中：由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。2.根据式(3-31)可知：在定压过程中dh=cpdT。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得dh=cpdT=0（因为水定压汽化时温度不变，dT=0）。然而众所周知,水在汽化时焓是增加的(dh0)。问题到底出在哪里?[答]：的确，可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的亦即为，而。此时＝不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。3.物质的临界状态究竟是怎样一种状态？[答]：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。4.各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗？[答]：并不矛盾，虽然经过理想化的各种循环都可以按可逆循环计算，但甚至在相同的温度范围内（指循环最高温度和最低温度之间）也不一定具有相同的热效率。原因是吸热过程和防热过程并不都是在最高温度和最低温度下进行的，因而可能具有不同的平均吸热温度和平均放热温度。所以循环热效率也可以不同。卡诺定理则是专对在最高温度下吸热和在最低温度下放热的可逆循环（包括卡诺循环和回热卡诺循环）而言的。5.能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热（这样就可以取消凝汽器，Q2=0），从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放出热量Q2，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，提高热效率？[答]：不能在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来，用于回热。因为锅炉给水吸收不了这么大的回热量，回热的抽气量是由热平衡方程确定的，通常只占汽轮机中蒸汽流量的小部分，也不能将乏汽直接压入锅炉，由于不可逆性的存在，如果这样做，所需的压缩功将超过蒸汽在汽轮机中膨胀作出功，整个装置不仅无动力输出，反而消耗动力，因而不可能起到节4能和提高热效率的作用。第六章气体动力循环思考题1.内燃机循环从状态f到状态g（参看图6-1）实际上是排气过程而不是定容冷却过程。试在p-v图和T-s图中将这一过程进行时气缸中气体的实际状态变化情况表示出来。答：f到g是一排气过程，这是排气阀门打开，气缸中的气体由于压力高于大气压力而迅速膨胀，大部分气体很快排出气缸。气体的这一快速膨胀过程接近于绝热膨胀过程，如不考虑摩擦则为定熵过程（下图中过程1-2），如考虑膨胀时的内部摩擦，则气缸中气体的比熵略有增加（下图中过程1-2’）。2.活塞式内燃机循环中，如果绝热膨胀过程不是在状态5结束(图6-26)，而是继续膨胀到状态6(p6=p1),那么循环的热效率是否会提高？试用温熵图加以分析。答：按图2-26’所示的循环，其热效率为可见，如果继续膨胀到状态b时，循环的热效率比原来膨胀5要高一些。3.试证明：对于燃气轮机装置的定压加热循环和活塞式内燃机的定容加热循环，如果燃烧前气体被压缩的程度相同，那么它们将具有相同的理论热效率。[证明]燃气轮机装置的定压加热循环表示在T-S图中如图a)所示活塞式内燃机的定容加热循环表示在T-S图b)5燃气轮机定压加热循环理论热效率可由(6-13)式求得内燃机定容加热循环理论热效率可由(6-5)式求得因为，而对空气等熵压缩过程来说，将它代入(b),因而4.在燃气轮机装置的循环中，如果空气的压缩过程采用定温压缩（而不是定熵压缩），那么压气过程消耗的功就可以减少，因而能增加循环的净功（w0）。在不采用回热的情况下，这种定温压缩的循环比起定熵压缩的循环来，热效率是提高了还是降低了？为什么？答：采用定温压缩是可以增加循环的净功（w0）（因为压气机耗功少了）但是如果不同时采用回热的话，将会使循环吸热量增加（），这是因为定温压缩终了的空气温度低，因q1↑而要把压缩终了的空气的温度加热到指定的温度话，定温压缩后的吸热量要比定熵压缩后的吸热量多。由T-S图可以看出，采用定温压缩后，相当于在原定压缩循环的基础上增加了一个循环12T2S1，而该附加的循环的热效率低于原循环的热效率，所以采用定温压缩后，如无回热反而会降低燃气轮机装置循环的理论热效率第一章基本概念思考题1、如果容器中气体压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变，对吗？答：不对。因为压力表的读书取决于容器中气体的压力和压力表所处环境的大气压力两个因素。因此即使容器中的气体压力保持不变，当大气压力变化时，压力表的读数也会随之变化，而不能保持不变。2、“平衡”和“均匀”有什么区别和联系答：平衡（状态）值的是热力系在没有外界作用（意即热力、系与外界没有能、质交换，但不排除有恒定的外场如重力场作用）的情况下，宏观性质不随时间变化，即热力系在没有外界作用时的时间特征-与时间无关。所以两者是不同的。如对气-液两相平衡的状态，尽管气-液两相的温度，压力都相同，但两者的密度差别很大，是非均匀系。反之，均匀系也不一定处于平衡态。但是在某些特殊情况下，“平衡”与“均匀”又可能是统一的。如对于处于平衡状态下的单相流体（气体或者液体）如果忽略重力的影响，又没有其他外场（电、磁场等）作用，那么内部各处的各种性质都是均匀一致的。63、“平衡”和“过程”是矛盾的还是统一的？答：“平衡”意味着宏观静止，无变化，而“过程”意味着变化运动，意味着平衡被破坏，所以二者是有矛盾的。对一个热力系来说，或是平衡，静止不动，或是运动，变化，二者必居其一。但是二者也有结合点，内部平衡过程恰恰将这两个矛盾的东西有条件地统一在一起了。这个条件就是：在内部平衡过程中，当外界对热力系的作用缓慢得足以使热力系内部能量及时恢复不断被破坏的平衡。4、“过程量”和“状态量”有什么不同？答：状态量是热力状态的单值函数，其数学特性是点函数，状态量的微分可以改成全微分，这个全微分的循环积分恒为零；而过程量不是热力状态的单值函数，即使在初、终态完全相同的情况下，过程量的大小与其中间经历的具体路径有关，过程量的微分不能写成全微分。因此它的循环积分不是零而是一个确定的数值。第二章热力学第一定律思考题1.热量和热力学能有什么区别？有什么联系？答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系内部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。二者的联系可由热力学第一定律表达式δq=du+pdv看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。2.如果将能量方程写为δq=du+pdv或δq=dh−vdp那么它们的适用范围如何？答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的内部平衡过程。因为u=h−pv，du=d(h−pv)=dh−pdv−vdp对闭口系将du代入第一式得δq=dh−pdv−vdp+pdv即δq=dh−vdp。3.能量方程δq=du+pdv（变大）与焓的微分式dh=du+d(pv)（变大）很相像，为什么热量q不是状态参数，而焓h是状态参数？答：尽管能量方程δq=du+pdv与焓的微分式dh=du+d(pv)（变大）似乎相象，但两者的数学本质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。对焓的微分式来说，其循环积分：�∫dh=�∫du+�∫d(pv)因为�∫du=0，�∫d(pv)=07所以�∫dh=0，因此焓是状态参数。而对于能量方程来说，其循环积分：�