工程热力学思考题答案第一章.docx

1、工程热力学思考题答案第一章第 一 章 基本概念与定义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？ 答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。2.有人认为，开口系统中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？ 答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统 和外界没有热量地交换就是绝热系。3.平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系？ 答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态

2、。稳定状态只要 其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。平 衡状态并非稳定状态之必要条件。物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状 态之必要条件。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 pe (p pe)， p pb pe (p pe) 中，当地大气压是否必定是环境大气压？答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。当地大气压不一定是环境大 气压。环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。5.温度计测温的基本原

3、理是什么？ 答：选作温度计的感应元件的物体应具备某种物理性质随物体的冷热程度不同有显著的变化。有两个系统 分别和第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。6.经验温标的缺点是什么？为什么？ 答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温 物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测 定值可能有微小的差异。7.促使系统状态变化的原因是什么？举例说明 答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变。8.分别以图参加公路的自行车赛车运动员、运动手枪中的压

4、缩空气、杯子内的热水和正在运行的电视机为 研究对象，说明这是什么系统。答：赛车运动员因为有呼吸有物质交换，运动员对自行车作功，因此有能量交换，因此赛车运动员是开口 系统。压缩空气只有对子弹作功，因此为闭口系统。杯子内的热水对外既有能量交换又有物质交换，因此 为开口系统，正在运行的电视机有能量交换物物质交换，因此为闭口系统9家用加热电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(不包括电机热器) ，这是什么系统？把电加热器包括在研究对象内， 是什么系统？什么情况下构成孤立 的系统？ 答：仅仅考虑电热水器为控制体，因有盖，不能与外界进行物质交换但与电机热

5、器有热交换，因此是闭口 系统。将电加热器包括在内，无热量交换因此是绝热过程。如果电加热器内电流非外部，而是用电池，即 可认为绝热系统。10.分析汽车动力系统与外界的质能交换情况？ 答：汽车发动机有吸气，压缩，作功，排气四个过程，因此吸气过程吸收外界的空气，过程中既有物质的 进入，也有随物质进入带入的能量。压缩后喷油点火，这个过程中压缩点火为能量交换，喷油为物质交换。 作功过程为向外输出功，能量交换。排气过程排除了较高温度的烟气，因此既有能量交换又有物质交换。11.经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态？ 答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状

6、态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。12.容器为刚性容器（1） 将容器分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板，气体（系统）是 否做功？（2） 设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢复平衡再抽去一块，问气体（系统）是否做功？（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？答：（1 ）第一种情况如图1-1 （ a）,不作功（2）第二种情况如图1-1 （ b）,作功（3）第一种情况为不可逆过程不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在 p-v图上表示出来。13.图1-23中过程1-a-2是可逆过程，过程1-b-2是不

7、可逆过程。有人说过程1-a-2对外作功小于过程 1-b-2， 你是否同意他的说法？为什么？答：不一定。如果将 1-b-2看为可逆过程，由功的积分关系式可知 1-b-2要比1-a-2过程做的功要多，但是不可逆过程存在不可逆因素，使得原本应输出的功的一部分用来克服不可逆因素，因而 1-b-2对外作功等于可逆空减去不可逆的损失。不可逆损失未知，因此不能与 1-a-2对外作功比较。14.系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化？若上述正向及逆向循环环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复到原来状态，外界没有变化。若存在不可逆

8、因素，系统恢复到原状态，外界产生变化。15.工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。第二章热力学第一定律1.热力学能就是热量吗？答：不是，热是能量的一种，而热力学能包括内位能，内动能，化学能，原子能，电磁能，热力学能是状态参数，与过程无关，热与过程有关。2.若在研究飞机发动机中工质的能量转换规律时把参考坐标建在飞机上，工质的总能中是否包括外部储能?在以氢氧为燃料的电池系统中系统的热力学能是否包括氢氧的化学能？答：不包括，相对飞机坐标系，外部储能为 0;以氢氧为燃料的电池系统的热力学能要包

9、括化学能，因为系统中有化学反应3.能否由基本能量方程得出功、热量和热力学能是相同性质的参数结论？答：不会，Q U W可知，公式中的 U为热力学能的差值，非热力学能，热力学能为状态参数，与过程无关。4.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分， A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-1所示。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能如何变化？若隔板上有一小孔，气体泄漏入 B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体的热力学能如何变化？答：将隔板抽去，根据热力学第一定律u w其中q 0w 0所以容器中空气的热力学能不变。有一小孔，以B为热力系进行分析q u w只有在特殊情况下,形式，为什么？答：热力学第

10、一定律能量方程式不可以写成题中所述的形式。对于功w可以写成pv。热力学第一定律是一个针对任何情况的定律，不具有 w =pv这样一个必需条件。对于公式q2 qi （U2 Ui） （W2 Wi），功和热量不是状态参数所以不能写成该式的形式。6.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：q u w2q u pdV1分别讨论上述两式的适用范围 答：q u w适用于任何过程，任何工质。2q u pdV可逆过程，任何工质i7.为什么推动功出现在开口系能量方程式中，而不出现在闭口系能量方程式中？答：推动功是由流进（出）系统的工质传递而由工质后面的物质系统作出的。对于闭口系统，不存在工质 的流进（出）所以不存

11、在这样进行传递的功。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，那么闭口系统有没有焓值？答：有焓值。等于系统的内能 U加上压强p和体积V的乘积，即H=U+pV9气体流入真空容器中，是否需推动功？答：无推动功，但有膨胀功10 稳定流动能量方程式是否可应用于活塞式压气机这种机械的稳定工况运行的能量分析？为什么？答：可以。稳定流动能量方程式可应用于任何稳定流动过程， 对于连续工作的周期性动作的能量转换装置，只要在平均单位时间所作的轴功、吸热量以及工质的平均流量为常量，虽然它内部工质的状态及流动情况 是变化的，但这种周期性的变化规律不随时间而变，所以仍然可以利用稳定流动能量方程式

12、分析其能量转 换关系11.为什么稳定流动开口系内不同部位工质的比热力学能，比焓，比熵等都会改变，而整个系统的 u cV 0H cv 0 , S)v 0 ？答：稳定流动的含义是参数不随时间的变化而改变，因此UcV0, Hcv 0, Scv 0但不同部位的比热力学能，比焓，比熵等都会变的，与位置有关。12.开口系实施稳定流动过程，是否冋时满足下列三式：m 2Q dU W Q dH Wt Q dH dcf2mgdzw上述三式中 W Wt Wi的相互关系是什么?答：同时满足。进、出口工质的流动动能及重力位能的变化可以忽略不计时，稳定流动的开口系统的轴功 即等于技术功；膨胀功等于技术功与流动功的代数和。

13、13.几股流体汇合成一股流体称为合流，如图 2-2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。答：忽略动能影响的稳定流动、且混合过程为绝热Q (H3 H2 Hi) W 所以H3 Hi H2qm3h3 qmih1 qm2h2. qmihi qm2h2h3 qm3第三章理想气体的性质1.怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算是如何决定是否可采用理想气体的一些公式？答：理想气体：分子为不占体积的弹性质点，除碰撞外分子间无作用力。理想气体是

14、实际气体在低压高温时的抽象，是一种实际并不存在的假想气体。 判断所使用气体是否为理想气体（1 ）依据气体所处的状态（如：气体的密度是否足够小）估计作为理想气体处理时可能引起的误差； （2）应考虑计算所要求的精度。若为理想气体则可使用理想气体的公式。2.气体的摩尔体积是否因气体的种类而异？是否因所处状态不同而异？任何气体在任意状态下摩尔体积是3否都是 0.022414m /mol?答：气体的摩尔体积在同温同压下的情况下不会因气体的种类而异；但因所处状态不同而变化。只有在标准状态下摩尔体积为 0.022414m 3 /mol3.摩尔气体常数 R值是否随气体的种类不同或状态不同而异？答：摩尔气体常数

15、不因气体的种类及状态的不同而变化。4.如果某种工质的状态方程式为 pv =RT,那么这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？答：一种气体满足理想气体状态方程则为理想气体，那么其比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数。否总是同一定值?不是定值。6.麦耶公式Cp Cv Rg是否适用于理想气体混合物？是否适用于实际气体?答：迈耶公式的推导用到理想气体方程，因此适用于理想气体混合物不适合实际气体。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 fu（p,v）。但又曾得出结论，理想气体的热力学能、焓、熵只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？ 答：不矛盾。实际气体有两个独立

16、的参数。理想气体忽略了分子间的作用力，所以只取决于温度。8.为什么工质的热力学能、焓、熵为零的基准可以任选？理想气体的热力学能或焓的参照状态通常选定哪 个或哪些个状态参数值？对理想气体的熵又如何？答：在工程热力学里需要的是过程中热力学能、焓、熵的变化量。热力学能、焓、熵都只是温度的单值函数，变化量的计算与基准的选取无关。热力学能或焓的参照状态通常取 0K或0C时焓时为0,热力学能值为0。熵的基准状态取 p=101325Pa、T0=0K熵值为0。9.气体热力性质表中的 h、u及sc的基准是什么状态？答：气体热力性质表中的 h、u及so的基准是什么状态（T0,P） T0 0K p0 101325P

17、a。10.在如图3-1所示的T-s图上任意可逆过程 1-2的热量如何表示？理想气体在 1和2状态间的热力学能变化量、焓变化量如何表示？若在 1-2经过的是不可逆过程又如何?答：图3-2中阴影部分面积为多变过程1-2的热量。对于多变过程其热力学能变化量及焓变化量可由F面两式计算得到:u Cv(T2 TJ Cv(T2* TJ qv,i 2h Cp(T2 Ti) Cp(T2* Ti) qp,i 2过初始状态点，做定容线 2- 2，图3-3中阴影部分面积为多变过程 1-2的热力学能变化量。过初始状态点，做定压线 2- 2，图3-4中阴影部分面积为多变过程 1-2的焓变化量。若为不可逆过程，热力学能、焓

18、不变如上图。热量无法在图中表示出来。11.理想气体熵变计算式(3-39 )、(3-41)、(3-43)等是由可逆过程导出的，这些计算式是否可用于不可逆 过程初、终态的熵变？为什么？答：可以。因为熵是状态参数，只与初终状态有关，与过程无关。12.熵的数学定义式为ds -qrev，比热容的定义式为 q cdT ,故ds 吨理想气体的比热容是温度的T T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？答ds 严中，qev为一微元可逆变化过程中与热源交换的热量，而 q cdT中 q为工质温度升高dT所吸收的热量，他们是不能等同的，所以这一结论是错误的。13.是判断下

19、列说法是否正确：(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升高( )。(4)气体膨胀时一定对外做功( )(5)气体压缩时一定耗功()答：(1) (X) (2) (X) (3) (X) (4) (X) ( 5) (V)14.氮、氧、氨这样的工质是否和水一样也有饱和状态的概念，也存在临界状态？答：水的汽液饱和状态可以推广到所有的存物质，并且这种液相和气相动态平衡的概念也可以推广到固相 和气相及固相和液相，他们的饱和压力与饱和温度也是一一对应的。因此氮、氧、氨为存物质，也有饱和 状态的概念，也存在临界状态。15.水的三相点的状态参数是不是唯一确

20、定的？三相点与临界点有什么差异？答：水的三相点状态参数不是唯一的，其中温度、压力是定值而比体积不是定值；临界点是唯一的，其比 体积、温度、压力都是确定的；三相点是三相共存的点，临界点是饱和水线与饱和蒸汽线的交点，在该点 饱和水线与饱和蒸汽线不再有分别。16.水的汽化潜热是否为常数？有什么变化规律？答：水的汽化潜热与压力有关，在一定的范围内压力增加，汽化潜热减小，当压力达到临界点以上时，汽 化潜热为017 水在定压过程中，温度维持不变，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？答：这种说法是不对的。因为温度不变不表示热力学能不变。这里分析的是水，定压汽化有

21、相变，不能作为理想气体来处理，所以 u 0。不能得到q w这样的结果。18.有人认为热力学第一定律解析式 q dh vdp和比热容定义c ，所以认为 hp cp T是普dT p p T1遍适用于一切工质的。进而推论得出水定压汽化时，温度不变因此其焓变量 hp cp T1 T 0。这一结论错误在哪里?T2答：hp Cp T T适用于理想气体，不能应用于水定压汽化过程，水不能作为理想气体来处理。 第四章气体和蒸汽的基本热力过程试以理想气体的定温过程为例，归纳气体的热力过程要解决的问题及使用方法解决。 答：主要解决的问题及方法：(1)根据过程特点(及状态方程)一一确定过程方程(2)根据过程方程一一确

22、定始、终状态参数之间的关系(3)由热力学的一些基本定律 计算 q,w,wt, u, h, s 分析能量转换关系(P V图及T S图)(根据需要可以定性也可以定量)例：1)过程方程式： T =常数 (特征) PV=常数(方程)3)计算各量：u =0、h =0、s= RI n=R| 门止P1v1w pdvdv pv vpvInv1RTIn2v1v2wt w RTInWqwtv2w RTI n 丄W4) P - V图，T - S图上工质状态参数的变化规律及能量转换情况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 tj h Cp(t2 tj;q u Cv(t2 tj, q h

23、Cp(t? tj答：不是都适用。第一组公式适用于任何一种过程。第二组公式 q u cv(t2 t1)适于定容过程q h Cp(t2 ti)适用于定压过程。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：定温过程对气体应加入的热量v2q wt w RTI n v1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v2q pivj可知，故只要状态参数 pi、vi和v2确定了， q的数值也确定了，是否 q与途径无关?Viq是与途径有关的。答：对于一个定

24、温过程，过程途径就已经确定了。所以说理想气体可逆过程Q mevdT，它与外界是否对系统做功无关。绝热过程的过程功 w和技术功wt的计算式:w =u1 u2， wt = h| h2是否只限于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么?w = u1 u2， wt = h2不只限于可逆绝热过何过程，只要是绝热过程 q 0无论是可逆还是不可逆。所以程。试判断下列各种说法是否正确：（1）定容过程既无膨胀（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)(X); (2)(X)； (3)(X)参照图4-17 :试证明：q 2 3 q1 4 3。途中1-2、4-3为定容过程

25、，1-4、2-3为定压过程。证明：q1 2 3 = U1 2 3 W1 2 3 , q1 4 3 = U1 4 3 W1 4 3因为：U是状态量与过程无关， U1 2 3与U1 4 3起始状态一样，故 U1 2 3= U1 4 3，由图知wi 2 3 wi 4 3，所以：qi 2 3 qi 4 3哪个大？（ 2）若b、c在同一条定温线上，结果又如何?答：b、c在同一条绝热线上 Uab Uac,若b、C在同一条定温线上，二者相等。因为， u a-b加上b-c过程=u a-c过程，而b-c是个绝热过程， q=0= ub c wb c， wb c 0,所以有 Uab Uac。若在定温线上 Ub c=

26、0,所以 Uac。理想气体定温过程的膨胀功等于技术功能否推广到任意气体？答：不能。因为它们公式的推导过程中引入了理想气体状态方程式 pv RgT，对于一般气体一般状态下是不适用的。卜列三式的使用条件是什么?k k t- k 1 十 k 1 十 KP2V2 P1V1 , Tm T2v2 , Tp K T2P2 K答：使用条件理想气体可逆绝热过程。在T-S图上如何表示绝热过程的技术功 Wt和膨胀功w ？答：绝热过程，不管是否是可逆过程都有 wt h,w u，故有：其中u, h （图中阴影部分）（1-2绝热线）及可表示膨胀功和技术功的变化情况。在p-v图和T-s图上如何判断过程中q,w,wt, u,

27、 h, s的正负？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热力过程的分析计算有什么异同 ？答：对于可逆绝热过程水蒸气和理想气体都有 ：2q 1 Tds 0, w u u1 u2 ,wt h g h2,差别在于水蒸气没有适当而简单的状态方程，同时Cp,Cv,h,u也不都是温度的单值函数。实际过程都不可逆，那么本章讨论的理想可逆过程有什么意义？答：意义在与实际过程是很复杂的不可逆过程，我们可以借助理想可逆过程分析、 寻找出过程中状态参数变化及能量转化的规律，抓住过程的主要特征。对于不可逆实际过程，再借助实验和一些经验系数进行修 正，及可得到实际气体的规律。第五章热力学第二定律热力学第二

28、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：不能这样表述。表述不正确，对于可逆的定温过程，所吸收的热量可以全部转化为机械能，但是自身状态发生了变化。所以这种表述不正确。理想气体进行定温膨胀时，可从单一恒温热源吸入的热量，将之全部转变功对外输出，是否与热力学第二定律的开尔文叙述矛盾？提示：考虑气体本身是否有变化。答：不矛盾，因为定温膨胀气体本身状态发生了改变。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：不正确。自发过程是不可逆过程是正确的。非自发过程却不一定为可逆过程。请归纳热力过程中有哪几类不可逆因素？答：。不可

29、逆因素有：摩擦、不等温传热和不等压做功。试证明热力学第二定律各种说法的等效性：若克劳修斯说法不成立，则开尔文说也不成立。答：热力学第二定律的两种说法反映的是同一客观规律一一自然过程的方向性 t是一致的，只要一种表述可能，则另一种也可能。 假设热量 Q2能够从温度 T2的低温热源自动传给温度为 T1的高温热源。现有一循环热机在两热源间工作，并且它放给低温热源的热量恰好等于 Q2整个系统在完成一个循环时，所产生的唯一效果是热机从单一热源（ T1 ）取得热量Q1-Q2,并全部转变为对外输出的功 W低温热源的自动传热Q2给高温热源，又从热机处接受 Q2,故并未受任何影响。这就成了第二类永动机。 ？违反

30、了克劳修斯说法，？必须违反了开尔文说法。反之，承认了开尔文说法，克劳修斯说法也就必然成立。下列说法是否有误：（1 ）循环净功 Wnet愈大则循环效率愈高；（X）（2）不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率； （X）F列说法是否有错误:(I)不可逆过程的熵变 S无法计算(X)Sf,不可逆 Sf,可逆,Sg,不可逆 Sg,可逆是否正确？(4)工质经过不可逆循环有 ds o, 卫 o ?从点a开始有两个可逆过程： 定容过程a-b和定压过程a-c , b、c两点在同一条绝热线上， 问qa b和 qa c哪个大？并在 T-s上表示过程 a-b、a-c及qa b、qa c答：由图5-2可知qa bqa

31、 c, qa b为1-a-b-2-1 的面积；qa c为1-a-c -2-1 的面积 (图)p-v图某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程将气体压缩到相同的终压，在 和 T-s 图上画出两过程，并在 T-s 图上画出两过程的技术功及不可逆过程的火用损失。答：由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程到相同终压如 5-3 图示。q h wt绝热过程 q 0，所以 wt hh cp (T2 T1) c p(T2N T1) q p,1 2由 5-4 图可知，可逆绝热压缩过程的技术功为面积 1- 2T -j-m-1 ，不可逆绝热压缩过程的技术功为面积1- 2T -f-m-1, 不可逆过程的用损失为面积 1-g-n-m-1