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

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？绝对压力计算公式p=pb+pg(ppb),p=pb-pv(ppb)中，当地大气压是否必定是环境大气压？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。p2=pg2+p1pbpg2pg1p1=pg1+pb4题图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pv1ab29题图ab冷水冷水热水传热传热热水电流下一块，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？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-q1=(u2-u1)+(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-q1和w2-w1。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，闭口系工质也有焓值，隔板AB图2-12自由膨胀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、比焓、比熵等的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焓值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。qm11p1,T131qm3p3,T323qm2p2,T22图2-13合流进入系统的能量：qm1带入的和qm2带入的。没有热量输入。qm1（h1+cf12/2+gz1）+qm2（h2+cf22/2+gz2）离开系统的能量：qm3带出的，没有机械能（轴功）输出。qm3（h3+cf32/2+gz3）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：qm1h1+qm2h2=qm3h3出口截面上焓值h3的计算式h3=（qm1h1+qm2h2）/qm3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。qm1h1=qm2h2+qm3h3。3．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qm33p3,T313qm1p1,T121qm2p2,T22图2-14分流关。4．如果某种工质的状态方程式为pv=RgT，这种工质的比热容、热力学能、焓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（或焓）只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？不矛盾。pv=RgT。热力学能（或焓）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、焓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？曲线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沿过程的积分。Q=U+W，所以U=Q–W。不可逆过程传热量不能用曲边梯形面积表达，但是热力学能和焓还可以用原方式表达，因为热力T0s12p=0pv12U学能和焓都是状态参数，其变化与过程路径无关。12．熵的数学定义式为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，所以理想气体的熵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；（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=0。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。17．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。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(t2–t1)，h=cp(t2–t1)；q=u=cv(t2–t1)，q=h=cp(t2–t1)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公式q=1211lnvvvp可知，只要状态参数p1、v1和v2确定了，q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)绝热过程即定熵过程；(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)绝热过程即定熵过程；——错误，可逆绝热过程是定熵过程，不可逆绝热过程不是定熵过程。(3)多变过程即任意过程。——错误，右图中的过程就不是多变过程。7题图9．如图4-18所示，今有两个任意过程a–b及a–c，b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，TbTc，所以uabuac。若b点及c点在同一条定温线上，则uab=uac。11．下列三式的使用条件是什么？p2v2k=p1v1k，T1v1k-1=T2v2k-1，T1kkp11=T2kkp12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wt和膨胀功w？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pbTbTcacOv图4-18题解pbacOv图4-18p=0v=0力过程的分析计算有什么异同？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。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？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T1吸热Q1，将其中一部分转化为机械能W0，其余部分Q2=Q1–W0排向低温热源T2，如果可以违反克劳修斯说法，即热量Q2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Q1T1T2T2T1Q2Q2Q1QQ2WW0REE(Q1–Q2)，循环发动机产生了相应的机械能W0，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