高等工程热力学14题全

1、简述温度的定义、物理意义及温度测量的工程应用意义。温度是表征物体冷热程度的物理量，是物质微粒热运动的宏观体现。根据热力学第零定律说明，物质具备某种宏观性质，当各物体的这一性质不同时，它们若相互接触，其间将有净能流传递；当这一性质相同时，它们之间达到热平衡。人们把这一宏观物理性质称为温度。物理意义：从微观上看，温度标志物质分子热运动的剧烈程度。温度和热平衡概念直接联系，两个物系只要温度相同，它们间就处于热平衡，而与其它状态参数如压力、体积等的数值是否相同无关，只有温度才是热平衡的判据。温度测量的工程应用意义：温度是用以判别它与其它物系是否处于热平衡状态的参数。被测物体与温度计处于热平衡，可以从温度计的读书确定被测物体的温度。2简述热与功的联系与区别区别：功是系统与外界交换的一种有序能，有序能即有序运动的能量，如宏观物体（固体和流体）整体运动的动能，潜在宏观运动的位能，电子有序流动的电能，磁力能等。在热力学中，我们这样定义功：“功是物系间相互作用而传递的能量。当系统完成功时，其对外界的作用可用在外间举起重物的单一效果来代替。”一般来说，各种形式的功通常都可以看成是由两个参数，即强度参数和广延参数组成，功带有方向性。功的方向由系统与外界的强度量之差来决定，当系统对外界的作用力大于外界的抵抗力时，系统克服外界力而对外界做功。功的大小则由系统与外界两方的较小强度量的标值与广延量的变化量的乘积决定，而功的正号或负号就随广延量的变化量增大或减小而自然决定。热量是一种过程量，在温差作用下，系统以分子无规则运动的热力学能的形式与外界交换的能量，是一种无序热能，因此和功一样热量也可以看成是由两个参数，即强度参数和广延参数组成的量。传递热量的强度参数是温度，因此有温差的存在热量传递才可以进行。热量的大小也可以由系统的与外界两方的较小强度量的标量与广延量变化量的乘积决定。热量也有方向性。热量的方向由系统与外界的温度之差来决定，当外界的温度高于系统的温度时，外界对系统传热。热力学习惯把这种外界对系统的传热，即系统吸收外界的热量取为正值；反之，把系统对外界放热取为负值。热力学把与热量相关的广延参数取名为“熵”。联系：1系统对外做功为正，外界对系统做功为负。系统吸收外界的热量取为正值，系统对外界放热取为负值。2热和功不是体系性质,也不是状态函数,而是系统与环境间能量传递过程中的物理量，热和功与过程有关,只有在过程进行中才有意义。3热和功都只对封闭系统发生的过程才有明确的意义。而对既有能量交换又有物质交换的敞开体系而言,热和功的含义就不明确了。4功和热都可以看做两个参数决定，分别是强度参数和广延参数。3刚性容器绝热或定温充放气的计算（包括充放气过程可用能损失的计算）以刚性容器中气体为研究对象,其能量方程的一般表达式为：刚性容器静止不动：错误!未找到引用源。没有功的交换：错误!未找到引用源。忽略宏观动能、位能变化：错误!未找到引用源。（1）绝热或定温充放气的计算：i.刚性容器绝热充气选取热力系统、确定热力系统性质、选择热力学第一定律解析式，并进行简化后得到：因为：所以：用参数关系式表示上式能量项：由于dv=0，故有：代回原式削去m项，则得到：积分后得到：若削去温度T，则得到：以T=pV/mRg代入，积分后得到：对于绝热刚性真空容器充气，则有：ii.刚性容器绝热放气根据过程特征，简化后的能量方程为：利用参数关系式表示上式中各能量项，则有：据状态方程：代回能量方程削去dm/m，则得：若由状态方程削去dT/T，则可得到：iii.刚性容器等温充气指充气过程很慢，系统与外界随时保持热平衡，对能量方程进行化简后得到：因为：所以：对刚性容器定温过程，状态方程的微分式为：同时还满足：将以上关系式代回原式则可以得到：iv.刚性容器等温放气对于等温过程，状态方程的微分式将表示为：刚形容器等温放气的能量方程成为：将参数关系式代入上述能量方程：由于dT=0，所以：又由于dv=0，则：（2）可用能损失计算：工质看做理想气体；理想气体的热力学能和焓为温度的单值函数；充、放气过程的能量方程有用能损失错误!未找到引用源。。其中：i.绝热充气过程熵变完全由熵产造成，即错误!未找到引用源。ii.等温充气过程熵产错误!未找到引用源。4.简述熵的定义、物理意义及其应用熵的定义：在经典热力学中，可用增量定义为可逆式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量，下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的，则dS（dQ/T）不可逆。物理意义：物质微观热运动时，混乱程度的标志。热力学中表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。应用：化学及热力学中所指的熵，是一种测量在动力学方面不能做功的能量总数，也就是当总体的熵增加，其做功能力也下降，熵的量度正是能量退化的指标。熵亦被用于计算一个系统中的失序现象，也就是计算该系统混乱的程度。熵是一个描述系统状态的函数，但是经常用熵的参考值和变化量进行分析比较，它在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用，在不同的学科中也有引申出的更为具体的定义，是各领域十分重要的参量。5．换热器中不可逆传热过程或汽轮机中不可逆作功过程中可用能损失的计算换热器，1）冷热流体与外界无热交换的前提下：换热器的热平衡方程式，根据上述公式算出的火用损为，前者为高温流体从高温到低温放出之火用，后者为低温流体从低温到高温获得之火用。按下式计算高低温流体在各自温度下的火含火用，可得，12,TT为高温流体进出口温度，34,TT为低温流体进出口温度。一般，,abCC为常数，只要知道高低温流体进出口温度即可计算不可逆过程可用能损失。2）考虑热损失的情况下，可用能损失计算较为复杂，忽略。汽轮机不可逆绝热膨胀，可用能损失，'0012()eWTSTSS0T为环境温度，一般取298K.设可逆过程，从1到2过程，可以做功tW，不可逆过程，从1到2‘做功'tW，则少做功，''22ttWWhh，即为2P曲线下从'2S到1S面积，其中有一部分转化为2’下的有用能，所以，有用能损失为，''''''22121222022021W()(())()ettWWeehhhhhhTSSTSS6.纯质的热力学曲面和相图一般有哪些共同特点？确定纯净物质的热力学平衡态需要两个独立参数，任意第三个参数都可以表示为独立参数的函数,如，即得到纯物质状态方程的一般形式为f(p,v,T)=0。对于单元系的一个平衡状态可以用三维直角坐标系内的一点来表示,满足状态方程式的所有平衡状态点在p-v-T三维直角坐标系构成一个曲面,称为热力学曲面。将p-v-T相图曲面投影到平面上，可以得到二维相图，即p-v和p-T相图。p-T相图是由凝固线、升华线、汽化线三条线组成的。代表固相和气相共存的点位于升华线上，在p-T相图起始于原点而终止于三相点；代表液相和气相共存的点位于气化线上,在p-T相图中起始于三相点而终止于临界点；代表固相和液相共存的点位于凝固线上，它在图中起始于三相点而无终止点。热力学曲面在p-v面的投影图,即得p-v相图，用来描述物质的气体、液体及汽液共存的特性。共同点：(1)热力学曲面和相图，图上的任意一点都是平衡点。(2)热力学曲面上的三相线在p-T相图中投影为一个确定的点，三相点是三相共存的点，在p-T相图中分别与固、液、气三个单相区相邻，是三条两相共存线的交点。(3)临界点(criticalpoint)是饱和液态线和饱和气态线相交的点。表明：液相和气相共存的气化曲线是有限长度的曲线。临界点的温度和压力称为物质的临界温度Tc和临界压力pc,对于给定的已知物质,Tc和pc是完全确定的。7.热工计算中常用的通用状态方程式及其特点1.理想气体状态方程pv=RgT该方法忽略了气体分子体积和相互间作用力，是在压强不高、温度不低时实际气体的一级近似方程，不适用于压强较高的情况。2、维里方程采用压缩因子对理想气体方程进行修正，压缩因子Z=pv/RgT=1+B(T)/v+C(T)/v2……=1+B(T)’P+C(T)’p2……，该方程是可以根据分子集团理论在考虑分子间作用力后根据统计力学导出的状态方程，维里系数与不同大小分子团间的作用力相关，是对理想气体方程进行修正的一种简单方式。3、三次型方程包括范德瓦尔斯及其改进式，展开式中包含体积的三次方，可以统一写成p=RgT/(v-b)—a/(v2+ubv+wb2)，是既能表示气相又能表示液相p-v-T行为的最简单形式，同时具有良好的通用性。3.1范德瓦尔斯方程，p=RgT/(v-b)—a/v2,该方程修正较为简单，考虑分子体积和分子间作用力的影响，是实际气体的二级近似方程。可以解释从气体过渡到液体的相变，对临界压缩因子的预测值偏大，在高密度区不能得到满意的结果，在不是高压时可用范德瓦尔斯方程来处理实际气体。3.2RK方程精度比范德瓦尔斯高许多，适用于非极性和微极性气体。3.3Soava精度比RK方程高，尤其适用于计算烃类纯净物和混合物，包括p-v-T关系和气液平衡计算。3.4PR方程可以计算饱和液体的性质。4.1贝蒂-布里奇曼方程为，该方法是由理论分析得到，从实验数据拟合出常数值的半理论半经验方程，在比体积超过临界比体积两倍的情况下具有良好的精度。4.2BWR方程在贝蒂-布里奇曼方程的基础上增加了三个经验常数，可应用于很宽的温度压力范围，严格符合临界区性质，当对比温度Tr0.6，对比密度不大于1.8~2时，计算烃类气体和液体比体积平均误差0.3%左右。4.3BWRS方程的应用范围进一步扩大，在Tr不小于0.3，密度不大于3倍临界密度范围内可以计算气体p-v-T性质，用于计算烃类气体、CO2、H2S和N2等气体的比体积，误差在0.5%~2%之间。4.4MBWR方程更复杂，有32个可调常数，在很大温度压力范围内精度更高，对实验数据点要求更多，拟合难度大，广泛应用于碳氢化合物和低温流体p-v-T行为以及其他热物理性质的计算，也应用于氟氯烃制冷工质。5.马-侯方程应用了11个常数，该方程可以准确计算高密度强极性气体，如H2O、NH3。6.压缩因子通用化关联双参数法Z=Z(Tr，pr)不适用于强极性分子，对氦、氢、氖等量子气体，临界温度和临界压力需要修正；经pitzer引入偏心因子修正后，精度提高。Lee-Kesler方程导出了BWR方程的无量纲形式Z=Z(0)+[ω-ω（0）][Z(r)-Z(0)]/[ω(r)-ω(0)]=Z(0)+ωz(1)，该式计算烃类液体和气体平均误差小于2%，计算非烃类物质也很准确，是对比理论最成功的运用，不适用强极性和缔合极性物质。8.用直接积分的方法计算流体的热力性质变化值工程上主要用到△H、△S，把dH、dS与p、T、V、CP、CV等易测的性质关联起来。对于单相、纯（定）组分体系，自由度i=2，热力学函数可以表示为两个强度性质的函数，通常选T、p。1、熵（1）第一dS方程当S=S(T，V)，则由结合得第一dS方程积分式：（2）第二dS方程当S=S（T，p），则因dVVSdTTSdSTVVVVVTSTTTdSTQCVTTpVSdVTpTdCSSSdVTpTdTCdSVTTVVVVV00ln0dppSdTTSdSTpTCTSpppTTVpS得第二dS方程积分式：（3）第三dS方程当S=S（p，V），则因得第三dS方程：2.焓由热力学基本方程：得第一dH方程：同样可得第二、三dH方程：在这些dH方程中，以T、p为变量的最为重要。dpTVTdCSSSdpTVTdTCdSpTTppppp00ln0dVVSdppSdSpV