桂林电子科技大学热力学与传热学基础作业及答案

小贱制作第一章思考题1.平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什幺要引入平衡态的概念？答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。而稳定状态则是不论有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。2.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计的读数是否可能变化？答：不能，因为表压力或真空度只是一个相对压力。若工质的压力不变，测量其压力的压力表或真空计的读数可能变化，因为测量所处的环境压力可能发生变化。4.准平衡过程与可逆过程有何区别？答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。5.不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？答：不正确。不可逆过程是指不论用任何曲折复杂的方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。6.没有盛满水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧，这是什幺原因？答：水温较高时，水对热水瓶中的空气进行加热，空气压力升高，大于环境压力，瓶塞被自动顶开。而水温较低时，热水瓶中的空气受冷，压力降低，小于环境压力，瓶塞被自动吸紧。小贱制作习题1-2图1-8表示常用的斜管式微压计的工作原理。由于有引风机的抽吸，锅炉设备的烟道中的压力将略低于大气压力。如果微压机的斜管倾斜角=30，管内水解：根据微压计原理，烟道中的压力应等于环境压力和水柱压力之差mmHgPaghp35.79805.0102008.91000sin3===−＝水柱mmHgpppb65.74835.7756=−=−=水柱1-3解：barpppab07.210.197.01=+=+=barpppb32.005.107.212=−=−=barpppbC65.032.097.02=−=−=第二章思考题绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问：⑴空气的热力学能如何变化？⑵空气是否作出了功？⑶能否在坐标图上表示此过程？为什么？答：（1）空气向真空的绝热自由膨胀过程的热力学能不变。（2）空气对外不做功。（3）不能在坐标图上表示此过程，因为不是准静态过程。小贱制作2.下列说法是否正确？⑴气体膨胀时一定对外作功。错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。⑵气体被压缩时一定消耗外功。对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。⑶气体膨胀时必须对其加热。错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，不用对其加热。⑷气体边膨胀边放热是可能的。对，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边膨胀边放热。⑸气体边被压缩边吸入热量是不可能的。错，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边压缩边吸热。⑹对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。错，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，其温度反而降低。3.“任何没有体积变化的过程就一定不对外作功”的说法是否正确？答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张力功等等，如果只考虑体积功的话，那么没有体积变化的过程就一定不对外作功。4.试比较图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各量的大小：⑴W12与W1a2；(2)U12与U1a2；(3)Q12与Q1a2答：（1）W1a2大。(2)一样大。（3）Q1a2大。5.膨胀功、轴功、技术功、流动功之间有何区别与联系？流动功的大小与过程特性有无关系？答：膨胀功是系统由于体积变化对外所作的功；轴功是指工质流经热力设备（开口系统）时，热力设备与外界交换的机械功，由于这个机械功通常是通过转动的轴输入、输出，所以工程上习惯成为轴功；而技术功不仅包括轴功，还包括工质在流动过程中机械能（宏观动能和势能）的变化；流动功又称为推进功，1kg工质的流动功等于其压力和比容的乘积，它是工质在流动中向前方传递的功，只有在工质的流动过程中才出现。对于有工质组成的简单可压缩系统，工质在稳定流动过程中所作的膨胀功包括三部分，一部分消耗于维持工质进出开口系统时的流动功的代数和，一部分用于增加工质的宏观动能和势能，最后一部分是作为热力设备的轴功。对于稳定流动，工质的技术功等于膨胀功与流动功差值的代数和。如果工质进、出热力设备的宏观动能和势能变化很小，可忽略不计，则技术功等于轴功。图2-6思考题4附图小贱制作习题2-1解：kJUQW308050Δ−=−=−=，所以是压缩过程2-2解：kJQWQW145012006502000放压吸膨=−+=−+=2-3解：hJQU/107.23600102Δ63===2－4解：状态b和状态a之间的内能之差为：kJWQUUUabab6040100Δ=−=−=−=所以，a-d-b过程中工质与外界交换的热量为：kJWUQabbda802060Δ=+=+=−−工质沿曲线从b返回初态a时，工质与外界交换的热量为：kJWUWUUQabbaab903060Δ−=−−=+−=+−=−根据题中给定的a点内能值，可知b点的内能值为60kJ，所以有:kJUUUdbad204060=−=−=由于d-b过程为定容过程，系统不对外作功，所以d-b过程与外界交换的热量为：kJUUUQdbbdbd20==−=−所以a-d-b过程系统对外作的功也就是a-d过程系统对外作的功，故a-d过程系统与外界交换的热量为：kJWUWUUQbdaaddaadda60)20(40=−−=−=−−=−−−−小贱制作2-8解：（1）压缩过程中每千克空气所作的压缩功为：kgkJuqw/196.5146.550Δ−=−−=−=（2）忽略气体进出口宏观动能和势能的变化，则有轴功等于技术功，所以生产每kg压缩空气所需的轴功为：kgkJhqw/252100.845)0.10.175(0.8146.550Δ3s−=−−−−=−=（3）所以带动此压气机所需的功率至少为：kWwPs426010=−=2-9解：此过程为开口系统的稳定流动过程，忽略进出口工质的宏观动能和势能变化，则有：smmmWqhqhqhQ+−−=117766由稳定流动过程进出口工质的质量守恒可得到：176mmmqqq+=所以整个系统的能量平衡式为：s767161)()(WhhqhhqQmm+−+−=故发电机的功率为：小贱制作kWqhhqhhQWPmm33116776s10152.442)(418360070012)(41836001050418003600700)()(=−−−−=−−−−==2-12解：由于过程是稳定流动过程，气体流过系统时重力位能的变化忽略不计，所以系统的能量平衡式为:SfWcmHQ++=221其中，气体在进口处的比焓为：kgJvpuh/232940037.01062.0102100631111=+=+=气体在出口处的比焓为：kgJvpuh/16560002.11013.0101500632222=+=+=气体流过系统时对外作的轴功为：kWWchqmcmHQWffs6.27082708600)]300150(21)23294001656000(1030[4)21(2122322==−−−−−=−−=−−=所以气体流过系统时对外输出的功率为：kWWPs6.7082==小贱制作第三章思考题1.循环的热效率公式121qqt−=和121TTt−=有何区别？各适用什么场合？答：前式适用于各种可逆和不可逆的循环，后式只适用于可逆的卡诺循环。2.循环输出净功愈大，则热效率愈高；可逆循环的热效率都相等；不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率，这些说法是否正确？为什么？答：不正确，热效率为输出净功和吸热量的比，因此在相同吸热量的条件下，循环输出的出净功愈大，则热效率愈高。不是所有的可逆循环的热效率都相等，必须保证相同的条件下。在相同的初态和终态下，不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。4.若工质从同一初态出发，分别经历可逆绝热过程与不可逆绝热过程膨胀到相同的终压力，两过程终态的熵哪个大？对外作的功哪个大？试用坐标图进行分析.答：不可逆过程熵大，可逆过程作功大5.如果工质从同一初态出发，分别经历可逆定压过程与不可逆定压过程，从同一热源吸收了相同的热量，工质终态的熵是否相同？为什么？答：不相同，因为二者对外所作的功不同，而它们从同一热源吸收了相同的热量，所以最终二者内能的变化不同，故此二者的终态不同，由于熵是状态参数，它们从同一初态出发，故终态的熵不同。6.系统在某过程中从热源吸热20kJ，对外作功25kJ，请问能否通过可逆绝过程使系统回到初态？为什么？能否通过不可逆绝热过程使系统回到初态？答：根据克劳休斯不等式，我们知道系统在过程中的熵变满足：0)()(20=KTkJTQS即：系统的熵增加，要想使系统回到初态，新的过程必须使系统熵减少，而可逆绝热过程熵不变，不可逆绝热过程熵增加，因而不可能通过一个可逆过程或者一个不可逆过程使系统回到初态。7.闭口系统经历了一不可逆过程对外作功10kJ，同时放出热量5kJ，问系统的熵变是正、是负还是不能确定？答：熵是状态参数，功和热量都是过程量，所以不能确定系统的熵变。小贱制作习题4－1解:由热量守恒JWQQ550450100012=−=−=由克劳休斯不等式：00185.030055054010002211=−=+KJTQTQ它的设计是不合理的4-3解：（1）热效率为%1.3342310150121=−=−=TTT（2）吸热kJWQ16.8%1.337.21===放热kJWQQ46.57.216.812=−=−=（3）性能系数02.310150273150'211=−+=−=TTT()()02.35.4''1211−=−==QQQWQ得到skJQ73.61=所以skJQQW23.25.473.621=−=−=小贱制作4－7解：（1）由孤立系统熵增原理：00lnln=++=++BmpAmplhctotTTmcTTmcSSSS＝所以有：BAmTTT=（2）总功量为：()()()BABApBmmApBATTTTmcTTTTmcQQW2−+=−−−=−=（3）BAQQ=所以2BAmTTT+=总熵变为：()BABApBmpAmpBAtotTTTTmcTTmcTTmcSSS4lnlnln2+=+=+=4－9解：把闭口系统和热源取为研究的热力学系统，为孤立系，根据孤立系统熵增原理：0/7.1300800025−=−+=+KkJSSSrctot＝所以该过程是不可能的小贱制作4-15解：（1）根据稳定流动的过程方程可得：()()KgkJttchhWPs/88.1902071724.02121−=−=−=−=（2）进口处()()00001,1=−−−=SSThhehx出口处()()kgkJSSThhehx/6.159''02002,2=−−−=（3）所以压气机所需的最小有用功为：kgkJeeWhxhx/6.159'12,,min−=+−=（4）作功能力损失为：kgKJWWs/28.316.15988.190min=+−=−=4-17解：（1）冬季2211211241200241200420293QQQQTTT−=+−=−所以hkJQ/96.264402=小贱制作WhkJQQW29.655/235921==−=（2）夏季212212QQQTTT−=−即23591200)293(29329311−=−TT所以Ct0144=第三章思考题1.理想气体的pc和vc之差及pc和vc之比是否在任何温度下都等于一个常数？答：理想气体的pc和vc之差在任何温度下都等于一个常数，而pc和vc之比不是。2.如果某种工质的状态方程式遵循TRpvg=，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅是温度的函数吗？答：不一定，比如理想气体遵循此方程，但是比热容不是常