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出版社.docx

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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出版社

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出版社

30页思考题

1.不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。

2．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。

3．平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。

4．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。

5．热力学第零定律

Thezerothlawofthermodynamicsenablesustomeasuretemperature.InordertomeasuretemperatureofbodyA,wecomparebodyC—athermometer—withbodyAandtemperaturescales（温度的标尺，简称温标）separately.Whentheyareinthermalequilibrium,theyhavethesametemperature.ThenwecanknowthetemperatureofbodyAwithtemperaturescalemarkedonthermometer.

6.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．有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。

8．参加公路自行车赛的运动员是开口系统、运动手枪中的压缩空气是闭口绝热系统、杯子里的热水是开口系统（闭口系统——忽略蒸发时）、正在运行的电视机是闭口系统。

9．

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。

10．吸入空气，排出烟气，输出动力（机械能）以克服阻力，发动机水箱还要大量散热。

不考虑燃烧时，燃料燃烧是热源，燃气工质吸热；系统包括燃烧时，油料发生减少。

11．经历一个不可逆过程后，系统可以恢复原来状态，它将导致外界发生变化。

包括系统和外界的整个大系统不能恢复原来状态。

13．不同意。

过程1a2的作功量是确定的，而过程1b2的作功量不确定，因而无法比较。

14．系统经历一可逆正向循环和其逆向可逆循环后，系统和外界没有变化。

若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统恢复原来状态，外界则留下了变化（外界的熵增加）。

15．不需要。

56页思考题

1．不是。

热力学能是工质的状态参数，是工质的性质，是工质内部储存能量，是与状态变化过程无关的物理量。

热量是工质状态发生变化时通过系统边界传递的热能，其大小与变化过程有关，热量不是状态参数。

2．无论参考坐标建立在何处，工质的总能中始终包括外部储存能，只不过参考坐标建立合适，工质的宏观动能、宏观势能的值等于零，便于计算。

氢氧燃料电池中化学能变化是主要的能量变化，因而不可忽略。

3．不能。

基本能量方程式仅仅说明且充分说明功、热量和热力学能都是能量，都是能量存在的一种形式，在能量的数量上它们是有等价关系的。

而不涉及功、热量和热力学能的其他属性，也表明功、热量和热力学能的其他属性与能量本质无关。

4．q=u＋w

q=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．q=u+pv

q2-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。

6．前者适用于任意系统、任意工质和任意过程。

后者适用于任意系统、任意工质和可逆过程。

7．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。

开口系工质流动，而闭口系工质不流动，所以推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程式中。

我个人认为推动功应该定义为由于工质在一定状态下占有一定空间所具有的能量，它是工质本身所固有的性质，是一个状态参数。

推动功既可以出现在开口系能量方程中，也可以出现在闭口系能量方程式中（需要把w拆开，w＝wt＋（pv））。

——占位能

8．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，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．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。

10．可以。

热力系统的选取有很大的自由度。

一般把活塞式压气机取为闭口系统，是考察其一个冲程内的热力变化过程。

如果考虑一段时间内活塞式压气机的工作状况和能量转换情况，就需要把它当成稳定流动系统处理，包括进排气都认为是连续的。

11．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。

12．答：

都满足。

W=d（pV）+Wt=d（pV）+

+mgdz+Wi

Wt=

+mgdz+Wi

13.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。

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：

qm1h1+qm2h2=qm3h3

出口截面上焓值h3的计算式

h3=（qm1h1+qm2h2）/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。

qm1h1=qm2h2+qm3h3

93页思考题

1．第一个问题很含混，关于“理想气体”可以说很多。

可以说理想气体的定义：

理想气体，是一种假想的实际上不存在的气体，其分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子间无相互作用力。

也可以说，理想气体是实际气体的压力趋近于零时极限状况。

还可以讨论什么情况下，把气体按照理想气体处理，这已经是后一个问题了。

后一个问题，当气体距离液态比较远时（此时分子间的距离相对于分子的大小非常大），气体的性质与理想气体相去不远，可以当作理想气体。

理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。

2．气体的摩尔体积Vm不因气体的种类而异。

所处状态发生变化，气体的摩尔体积也随之发生变化。

任何气体在标准状态（p=101325Pa，T=273.15K）下摩尔体积是0.022414m3/mol。

在其它状态下，摩尔体积将发生变化。

3．摩尔气体常数R是基本物理常数，它与气体的种类、状态等均无关。

4．是的。

5．cp–cv=Rg，等于定值，不随温度变化。

cp/cv不是定值，将随温度发生变化。

6．不适用于前者，一定条件下近似地适用于后者。

7．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。

8．我们经常关注的是工质的热力学能、焓和熵的变化量，热力学能、焓和熵的绝对量对变化量没有影响，所以可以任选工质的热力学能、焓和熵为零的基准。

所有情况下工质的热力学能、焓和熵为零的基准都可以任选？

不那么绝对，但是在工程热力学范围内，可以这么说。

工质的热力学能、焓和熵的绝对零点均为绝对零度（0K），但是目前物理学研究成果表明，即使绝对零度，工质的热力学能、焓和熵也不准确为零，在绝对零度，物质仍有零点能，由海森堡测不准关系确定。

（热力学第三定律可以表述为，绝对零度可以无限接近，但永远不可能达到。

）

标准状态（p=101325Pa，T=273.15K）。

（p=101325Pa，T=293.15K）、（p=101325Pa，T=298.15K），水的三相点，等等。

9．标准状态

10．

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，因为热力学能和焓都是状态参数，其变化与过程路径无关。

11．可以。

熵是状态参数，其变化与过程路径无关。

12．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．

（1）正确；

（2）不正确；（3）不正确；（4）正确；（5）正确。

14．是的。

几乎所有的纯物质（非混合物）都有饱和状态的概念，也存在临界状态。

此外的物质性质更为复杂。

15．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。

16．水的汽化潜热不是常数，三相点汽化潜热最大，随着温度和压力的提高汽化潜热逐渐缩小，临界点处汽化潜热等于零。

17．不对。

u=cvT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。

18．有人根据热力学第一定律解析式q=dh–vdp和比热容的定义c=

，所以认为

是普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

=0。

这一推论错误在哪里？

c=

是针对单相工质的，不适用于相变过程。

133页思考题

1．要解决的问题：

揭示过程中状态参数的变化规律，揭示热能与机械能之间的转换情况，找出其内在规律及影响转化的因素。

在一定工质热力性质的基本条件下，研究外界条件对能量转换的影响，从而加以利用。

使用的方法：

分析典型的过程。

分析理想气体的定值的可逆过程，即过程进行时限定某一参数不发生变化。

分析步骤

1）建立过程方程式；

2）找出（基本）状态参数的变化规律，确定不同状态下参数之间的关系；

3）求出能量参数的变化（过程功、技术功、热力学能、焓、熵、传热量等等）；

4）画出过程变化曲线（在T-s图、p-v图上）。

2．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。

3．需要加入热量。

q=u+w,对于理想气体，q=w=

或q=h+wt,对于理想气体，q=wt=

。

4．“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。

5．不成立。

搅拌功w以机械能形式通过系统边界，在工质内部通过流体内摩擦转变为热，从而导致温度和热力学能升高。

Q是通过边界传递的热能，不包括机械能。

6．两式来源于热力学第一定律的第一表达式和第二表达式，唯一条件就是绝热q=0，与是否理想气体无关，且与过程是否可逆也无关，只是必须为绝热过程。

7．

（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。

8．

证明：

q1-2-3=q1-2+q2-3，q1-4-3=q1-4+q4-3

q1-2=cv（T2–T1），

q2-3=cp（T3–T2）=cv（T3–T2）+R（T3–T2），

q4-3=cv（T3–T4），

q1-4=cp（T4–T1）=cv（T4–T1）+R（T4–T1）。

q1-2-3=q1-2+q2-3=cv（T2–T1）+cv（T3–T2）+R（T3–T2）

=cv（T3–T1）+R（T3–T2）

q1-4-3=q1-4+q4-3=cv（T4–T1）+R（T4–T1）+cv（T3–T4）

=cv（T3–T1）+R（T4–T1）

于是q1-2-3–q1-4-3=R（T3–T2）–R（T4–T1）

=R[（T4

–T1

）–（T4–T1）]=R（

–1）（T4–T1）>0

所以，q1-2-3q1-4-3，证毕。

9．依题意，Tb>Tc，所以uab>uac。

若b点及c点在同一条定温线上，则uab=uac。

10．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？

从热力学第一定律的第一表达式和第二表达式来看，膨胀功和技术功分别等于w=q–u和wt=q–h，非理想气体的u和h不一定等于零，也不可能相等，所以理想气体定温过程的膨胀功等于技术功不能推广到任意气体。

11．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？

4-13在p—v和T—s图上如何判断过程q、w、u、h的正负。

通过过程的起点划等容线（定容线），过程指向定容线右侧，系统对外作功，w>0；过程指向定容线左侧，系统接收外功，w<0。

通过过程的起点划等压线（定压线），过程指向定压线下侧，系统对外输出技术功，wt>0；过程指向定压线上侧，系统接收外来技术功，wt<0。

通过过程的起点划等温线（定温线），过程指向定温线下侧，u<0、h<0；过程指向定温线上侧，u>0、h>0。

通过过程的起点划等熵线（定熵线），过程指向定熵线右侧，系统吸收热量，q>0；过程指向定熵线左侧，系统释放热量，q<0。

4-14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。

4-15理想可逆过程是对实际过程的近似和抽象，实际过程过于复杂不易于分析，通过理想可逆过程的分析以及根据实际过程进行适当修正，可以了解实际过程能量转换变化情况，以及如何向理想可逆过程靠近以提高相应的技术指标。

193页思考题

5-1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（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，违反克劳修斯说法必然违反开尔文说法，类似地，违反开尔文说法也必然违反克劳修斯说法，两种说法完全等价（图4-2）。

5-6

（1）错。

（2）错。

应当是在同样的高温热源和低温热源之间。

否则没有比较基础。

（3）错。

应当是在同样的高温热源和低温热源之间。

否则没有比较基础。

5-7答：

不同。

前者适用于一般的循环（可逆和不可逆循环），后者仅适用于在两个恒温热源之间工作的可逆循环。

（第三版5-8题）不违反。

它是依赖于压力差作功的。

5-8

（1）错。

不可逆绝热过程熵也会增大。

（2）错，不准确。

不可逆放热过程，当放热引起的熵减大于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量大于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵略微减少，但没有可逆放热过程熵减少那么多。

（3）错。

不可逆放热过程，当放热引起的熵减等于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵没有发生变化。

（4）错。

可逆吸热过程熵增大。

（5）错。

理由如上。

可以说：

“使孤立系统熵增大的过程必为不可逆过程。

”（6）对。

5-9

（1）错。

熵是状态参数，只要能够确定起迄点，就可以确定熵变S。

（2）错。

应为S不可逆=S可逆、Sf，不可逆Sg，可逆。

因为熵是状态参数，同一初始状态和同一终了状态之间的熵差保持同一数值，与路径无关。

（3）错。

不可逆绝热压缩过程的终态熵也大于初态熵，S2>S1。

（4）错。

，因为熵是状态参数。

5-10答：

可逆定容过程a-b和可逆定压过程a-c的逆过程c-a以及可逆绝热线即定熵线上过程b-c构成一可逆循环，它们围成的面积代表了对外作功量，过程a-b吸热，过程c-a放热，根据热力学第一定律，必然有qa-b>qc-a，才能对外输出净功。

也就是，qa-b>qa-c。

图中，qa-b为absbsaa围成的面积，qa-c为acsbsaa围成的面积。

5-11答：

见图。

5-12答：

（1）孤立系统中进行了可逆过程后，总能、总熵、总火用都不变。

（2）孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变，总熵、总火用都发生变化。

5-13答：

没有矛盾。

5-15P170

5-1t=

=11.726

Q2=

2.5104=22867.99kJ/h

N=W/95%=Q1/（0.95t）=2.5104/（0.9511.726）=2244.23kJ/h=0.623kW

N电炉=Q1=2.5104kJ/h=6.944kW

5-2不采用回热

p2=p1=0.1MPa,T4=T1=300K,T3=T2=1000K,q23=400kJ/kg,

q12=cp（T2-T1）=1.004（1000-300）=702.8kJ/kg

q34=cp（T4-T3）=1.004（300-1000）=-702.8kJ/kg

q23=RT2ln（p2/p3）,q41=RT1ln（p4/p1）=RT1ln（p3/p2）=-RT1ln（p2/p3）

q41=-T1q23/T2=-300400/1000=-120kJ/kg

t=1-q41+q34/（q12+q23）=1--702.8-120/（702.8+400）=0.2539

采用极限回热，过程34放热回热给过程12，q34q12

r=1-q41/q23）=1--120/400=0.70

5-3如图所示，如果两条绝热线可以相交，则令绝热线s1、s2交于a点，过b、c两点作等压线分别与绝热线s1、s2交于b、c点。

于是，过程bc、ca、ab组成一闭合循环回路，沿此回路可进行一可逆循环，其中过程ca、ab均为可逆绝热过程，只有定压过程bc为吸热过程，而循环回路围成的面积就是对外净输出功。

显然，这构成了从单一热源吸热并将之全部转变为机械能的热力发动机循环，是违反热力学第二定律的。

5-4

（1）p1=p2

=27.95MPa

（2）见图。

（3）q31=cp（T1-T3）=

R（T1-T2）,q23=RT2ln（p2/p3）=RT2ln（p2/p1）

t=1-

=0.5976

5-5

（1）QH='Wnet='tQ1=3.50.40100=140kJ

（2）c=1-

'c=

=5.14

QH,c='cWnet,c='ccQ1=5.140.71100=365.14kJ

（3）此复合系统虽未消耗机械功，但由高温热源放出热量Q1作为代价，使得部分热量从低温热源T0传到较高温热源TH，因此并不违背热力学第二定律。

5-6c=1-

=0.85

（1）W=cQ1=0.851=0.85kJ，可能作出的最大功为0.85kJ，所以这种情形是不可能实现的。

（2）W=cQ1=0.852=1.70kJ，Q2=Q1-W=2-1.70=0.30kJ，所以这种情形有实现的可能（如果自然界存在可逆过程的话），而且是可逆循环。

（3）Q1,c=Wnet/c=1.5/0.85=1.765kJ，Q1=Wnet+Q2=1.5+0.5=2.0kJ>Q1,c,此循环可以实现，且耗热比可逆循环要多，所以是不可逆循环。

235页思考题

1.答：

差异产生的原因就是理想气体忽略了分子体积与分子间作用力。

当p→0时，实际气体成为理想气体。

实际情况是当实际气体距离其液态较远时，分子体积与分子间作用力的影响很小，可以把实际气体当作理想气体处理。

2.答：

由于分子体积和分子间作用力的影响，实际气体的体积与同样状态下的理想气体相比，发生了变化。

变化的比例就是压缩因子。

Z不能当作常数处理。

3.答：

范德瓦尔方程是第一个实际气体状态方程，在各种实际气体状态方程中它的形式最简单；它较好地定性地描述了实际气体的基本特征；其它半理论半经验的状态方程都是沿范德瓦尔方程前进的。

4.答：

实验数据来自于实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子误差较大，所以由试验数据拟合得到的接近于实际。

5.答：

维里方程具有坚实的理论基础，各个维里系数具有明确的物理意义，并且原则上都可以通过理论计算。

但是第四维里系数以上的高级维里系数很难计算，三项以内的维里方程已在BWR方程、MH方程中得到了应用，故在计算工质热物理性质时没有必要再使用维里方程，而是在研究实际气体状态方程时有所应用。

6.答：

在相同的对比态压力和对比态温度下，不同气体的对比态比体积必定相同。

引入对应态原理，可以使我们在缺乏详细资料的情况下，能借助某一资料充分的参考流体的热力性质来估算其它流体的性质。

某气体状态参数与其临界参数的比值称为热力对比参数。

（对比参数是一种无量纲参数）

7.答：

8.答：

H=G+TS，U=F+TS。

dg=dh–d（Ts）=dh–Tds–sdT，简单可压缩系统在可逆等温等压条件下，处于平衡状态：

dg=–Tds，ds=0dg=0。

若此时系统内部发生不可逆变化（外部条件不变），则ds>0，dg<0。

例如系统内部发生化学反应，化学能转化为内热能（都是热力学能），必要条件是dg<0，否则过程不能发生。

类似地，简单可压缩系统在等温等容条件下，内部发生变化的必要条件是：

df<0。

引申：

系统的g、f没有时，dg=0，df=0。