.PAGE.第一章思考題平衡狀態與穩定狀態有何區別？熱力學中為什幺要引入平衡態的概念？答：平衡狀態是在不受外界影響的條件下,系統的狀態參數不隨時間而變化的狀態。而穩定狀態則是不論有無外界影響,系統的狀態參數不隨時間而變化的狀態。可見平衡必穩定,而穩定未必平衡。熱力學中引入平衡態的概念,是為了能對系統的宏觀性質用狀態參數來進行描述。表壓力或真空度能否作為狀態參數進行熱力計算？若工質的壓力不變,問測量其壓力的壓力表或真空計的讀數是否可能變化？答：不能,因為表壓力或真空度只是一個相對壓力。若工質的壓力不變,測量其壓力的壓力表或真空計的讀數可能變化,因為測量所處的環境壓力可能發生變化。當真空表指示數值愈大時,表明被測對象的實際壓力愈大還是愈小？答：真空表指示數值愈大時,表明被測對象的實際壓力愈小。4.準平衡過程與可逆過程有何區別？答：無耗散的準平衡過程才是可逆過程,所以可逆過程一定是準平衡過程,而準平衡過程不一定是可逆過程。5.不可逆過程是無法回復到初態的過程,這種說法是否正確？答：不正確。不可逆過程是指不論用任何曲折復雜的方法都不能在外界不遺留任何變化的情況下使系統回復到初態,并不是不能回復到初態。6.沒有盛滿水的熱水瓶,其瓶塞有時被自動頂開,有時被自動吸緊,這是什幺原因？答：水溫較高時,水對熱水瓶中的空氣進行加熱,空氣壓力升高,大于環境壓力,瓶塞被自動頂開。而水溫較低時,熱水瓶中的空氣受冷,壓力降低,小于環境壓力,瓶塞被自動吸緊。7.用U形管壓力表測定工質的壓力時,壓力表液柱直徑的大小對讀數有無影響？答：嚴格說來,是有影響的,因為U型管越粗,就有越多的被測工質進入U型管中,這部分工質越多,它對讀數的準確性影響越大。習題1-1解：圖1-8表示常用的斜管式微壓計的工作原理。由于有引風機的抽吸,鍋爐設備的煙道中的壓力將略低于大氣壓力。如果微壓機的斜管傾斜角,管內水解：根據微壓計原理,煙道中的壓力應等于環境壓力和水柱壓力之差解：1－4解：解：解：由于壓縮過程是定壓的,所以有解：改過程系統對外作的功為解：由于空氣壓力正比于氣球的直徑,所以可設,式中c為常數,D為氣球的直徑,由題中給定的初始條件,可以得到：該過程空氣對外所作的功為解：〔1氣體所作的功為：〔2摩擦力所消耗的功為：所以減去摩擦力消耗的功后活塞所作的功為：解：由于假設氣球的初始體積為零,則氣球在充氣過程中,內外壓力始終保持相等,恒等于大氣壓力0.09MPa,所以氣體對外所作的功為：1-11解：確定為了將氣球充到2m3的體積,貯氣罐內原有壓力至少應為〔此時貯氣罐的壓力等于氣球中的壓力,同時等于外界大氣壓前兩種情況能使氣球充到2m情況三:所以氣球只能被充到的大小,故氣體對外作的功為：第二章思考題絕熱剛性容器,中間用隔板分為兩部分,左邊盛有空氣,右邊為真空,抽掉隔板,空氣將充滿整個容器。問：⑴空氣的熱力學能如何變化？⑵空氣是否作出了功？⑶能否在坐標圖上表示此過程？為什么？答：〔1空氣向真空的絕熱自由膨脹過程的熱力學能不變。〔2空氣對外不做功。〔3不能在坐標圖上表示此過程,因為不是準靜態過程。2.下列說法是否正確？⑴氣體膨脹時一定對外作功。錯,比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹,對外不作功。⑵氣體被壓縮時一定消耗外功。對,因為根據熱力學第二定律,氣體是不可能自壓縮的,要想壓縮體積,必須借助于外功。⑶氣體膨脹時必須對其加熱。錯,比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹,不用對其加熱。⑷氣體邊膨脹邊放熱是可能的。對,比如多變過程,當n大于k時,可以實現邊膨脹邊放熱。⑸氣體邊被壓縮邊吸入熱量是不可能的。錯,比如多變過程,當n大于k時,可以實現邊壓縮邊吸熱。⑹對工質加熱,其溫度反而降低,這種情況不可能。錯,比如多變過程,當n大于1,小于k時,可實現對工質加熱,其溫度反而降低。"任何沒有體積變化的過程就一定不對外作功"的說法是否正確？答：不正確,因為外功的含義很廣,比如電磁功、表面張力功等等,如果只考慮體積功的話,那么沒有體積變化的過程就一定不對外作功。圖2-6思考題4附圖試比較圖2-6所示的過程1-2與過程1-a-2中下列各量的大小：⑴W12與W1a2；<2>U12與U1a2；<3>Q12圖2-6思考題4附圖答：〔1W1a2大。<2>一樣大。〔3Q1a2大。說明下列各式的應用條件：⑴閉口系的一切過程⑵閉口系統的準靜態過程⑶開口系統的穩定流動過程,并且軸功為零⑷開口系統的穩定定壓流動過程,并且軸功為零；或者閉口系統的定壓過程。膨脹功、軸功、技術功、流動功之間有何區別與聯系？流動功的大小與過程特性有無關系？答：膨脹功是系統由于體積變化對外所作的功；軸功是指工質流經熱力設備〔開口系統時,熱力設備與外界交換的機械功,由于這個機械功通常是通過轉動的軸輸入、輸出,所以工程上習慣成為軸功；而技術功不僅包括軸功,還包括工質在流動過程中機械能〔宏觀動能和勢能的變化；流動功又稱為推進功,1kg工質的流動功等于其壓力和比容的乘積,它是工質在流動中向前方傳遞的功,只有在工質的流動過程中才出現。對于有工質組成的簡單可壓縮系統,工質在穩定流動過程中所作的膨脹功包括三部分,一部分消耗于維持工質進出開口系統時的流動功的代數和,一部分用于增加工質的宏觀動能和勢能,最后一部分是作為熱力設備的軸功。對于穩定流動,工質的技術功等于膨脹功與流動功差值的代數和。如果工質進、出熱力設備的宏觀動能和勢能變化很小,可忽略不計,則技術功等于軸功。習題解：,所以是壓縮過程解：解：2－4解：狀態b和狀態a之間的內能之差為：所以,a-d-b過程中工質與外界交換的熱量為：工質沿曲線從b返回初態a時,工質與外界交換的熱量為：根據題中給定的a點內能值,可知b點的內能值為60kJ,所以有:由于d-b過程為定容過程,系統不對外作功,所以d-b過程與外界交換的熱量為：所以a-d-b過程系統對外作的功也就是a-d過程系統對外作的功,故a-d過程系統與外界交換的熱量為：2－5過程QkJWkJUkJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-55解：由于汽化過程是定溫、定壓過程,系統焓的變化就等于系統從外界吸收的熱量,即汽化潛熱,所以有：內能的變化為：解：選取氣缸中的空氣作為研究的熱力學系統,系統的初壓為：當去掉一部分負載,系統重新達到平衡狀態時,其終壓為：由于氣體通過氣缸壁可與外界充分換熱,所以系統的初溫和終溫相等,都等于環境溫度即：根據理想氣體的狀態方程可得到系統的終態體積,為：所以活塞上升的距離為：由于理想氣體的內能是溫度的函數,而系統初溫和終溫相同,故此過程中系統的內能變化為零,同時此過程可看作定壓膨脹過程,所以氣體與外界交換的熱量為：2-8解：壓縮過程中每千克空氣所作的壓縮功為：忽略氣體進出口宏觀動能和勢能的變化,則有軸功等于技術功,所以生產每kg壓縮空氣所需的軸功為：所以帶動此壓氣機所需的功率至少為：解：是否要用外加取暖設備,要看室內熱源產生的熱量是否大于通過墻壁和門窗傳給外界的熱量,室內熱源每小時產生的熱量為：小于通過墻壁和門窗傳給外界的熱量為3105kJ,所以必須外加取暖設備,供熱量為：解：取容器內的氣體作為研究的熱力學系統,根據系統的狀態方程可得到系統終態體積為：過程中系統對外所作的功為：所以過程中系統和外界交換的熱量為：為吸熱。解：此過程為開口系統的穩定流動過程,忽略進出口工質的宏觀動能和勢能變化,則有：由穩定流動過程進出口工質的質量守恒可得到：所以整個系統的能量平衡式為：故發電機的功率為：解：由于過程是穩定流動過程,氣體流過系統時重力位能的變化忽略不計,所以系統的能量平衡式為:其中,氣體在進口處的比焓為：氣體在出口處的比焓為：氣體流過系統時對外作的軸功為：所以氣體流過系統時對外輸出的功率為：第三章思考題理想氣體的和之差及和之比是否在任何溫度下都等于一個常數？答：理想氣體的和之差在任何溫度下都等于一個常數,而和之比不是。如果比熱容是溫度t的單調增函數,當時,平均比熱容、、中哪一個最大？哪一個最小？答：由、、的定義可知,其中,其中,其中因為比熱容是溫度t的單調增函數,所以可知>,又因為故可知最大,又因為：所以最小。如果某種工質的狀態方程式遵循,這種物質的比熱容一定是常數嗎？這種物質的比熱容僅是溫度的函數嗎？答：不一定,比如理想氣體遵循此方程,但是比熱容不是常數,是溫度的單值函數。這種物質的比熱容不一定僅是溫度的函數。由比熱容的定義,并考慮到工質的物態方程可得到：由此可以看出,如果工質的內能不僅僅是溫度的函數時,則此工質的比熱容也就不僅僅是溫度的函數了。在圖上畫出定比熱容理想氣體的可逆定容加熱過程、可逆定壓加熱過程、可逆定溫加熱過程和可逆絕熱膨脹過程。答：圖中曲線1為可逆定容加熱過程；2為可逆定壓加熱過程；3為可逆定溫加熱過程；4為可逆絕熱膨脹過程。因為可逆定容加熱過程容積v不變,過程中系統內能增加,所以為曲線1,從下向上。可逆定壓加熱過程有：所以此過程為過原點的射線2,且向上。理想氣體的可逆定溫加熱過程有：所以為曲線3,從左到右。可逆絕熱膨脹過程有：所以為圖中的雙曲線4,且方向朝右〔膨脹過程。將滿足空氣下列要求的多變過程表示在圖圖上⑴空氣升壓,升溫,又放熱；⑵空氣膨脹,升溫,又放熱；< 此過程不可能>⑶的膨脹過程,并判斷、、的正負；⑷的壓縮過程,判斷、、的正負。答：〔1空氣升溫、升壓、又放熱有：此多變過程如圖所示,在p－v圖上,此過程為沿著幾條曲線的交點A向上,即沿壓力和溫度增加的方向；在T-s圖上此過程為沿著幾條曲線的交點A向上。〔2空氣膨脹,升溫,又放熱有：此多變過程如圖所示,然而要想是過程同時滿足膨脹過程是不可能的。〔3的膨脹過程,在p－v圖上,膨脹過程體積增大,過程從幾條曲線的交點A向下；在T－s圖上,過程從幾條曲線的交點A向下。此過程為放熱,對外做功,內能減少。〔4的壓縮過程,在p－v圖上,壓縮過程體積減小,過程從幾條曲線的交點A向上；在T－s圖上,過程從幾條曲線的交點A向上。此過程為放熱,外界對空氣做功,內能增加。在圖上,如何將理想氣體任意兩狀態間的熱力學能和焓的變化表示出來。答：理想氣體的內能和焓都是溫度的單值函數,因此在圖上,定內能和定焓線為一條平行于T軸的直線,只要知道初態和終態的溫度,分別在圖上找到對應溫度下的定內能和定焓直線,就可以確定內能和焓的變化值。凡質量分數較大的組元氣體,其摩爾分數是否也一定較大？試舉例說明之。答：根據質量分數和摩爾分數的關系,有：從上式可以看出,對成分一定的混合氣體,分母為常數,因此摩爾分數取決于其質量分數和摩爾質量的比值,對于質量分數較大的組元,如果摩爾質量也很大,那么它的摩爾分數可能并不大。理想混合氣體的比熱力學能是否是溫度的單值函數？其是否仍遵循邁耶公式？答：不是。因為理想混合氣體的比熱力學能為：其中xi是摩爾組分,而ui是溫度的單值函數,所以理想混合氣體的比熱力學能不僅是溫度的函數,還是成分的函數,或者說對于成分固定的混合理想氣體,其內能僅是溫度的單值函數。其仍遵循邁耶公式,因為：有人認為由理想氣體組成的封閉系統吸熱后,其溫度必定增加,這是否完全正確？你認為哪一種狀態參數必定增加？答：不正確,因為對于成分固定的混合理想氣體,其內能是僅是溫度的單值函數,如果在過程中吸熱的同時對外作正功,當作的正功大于吸熱量,其內能必然減少,溫度必然降低。只有熵值必定增加,因為根據克勞休斯不等式有:其中等號適用于可逆過程,不等號適用于不可逆過程,對于不可逆過程,T為熱源的溫度,由于溫度T恒大于零,所以當過程為吸熱過程〔時,系統的熵必然增加。圖3－17所示的管段,在什么情況下適合作噴管？在什么情況下適合作擴圖3-17圖3-17思考題11附圖答：當時,要想使氣流的速度增加,要求噴管的截面積沿氣流方向逐漸減小,即漸縮噴管；而當時,要想使氣流的速度增加,要求噴管的截面積沿氣流方向逐漸增加,即漸擴噴；而對于先縮后擴的縮放噴管〔也稱拉戈爾噴管,在最小截面處氣流的流速恰好等于當地聲速。所以對于亞聲速氣流,漸縮管適用于做噴管,漸擴管適用于做擴壓管,縮放管適用于做噴管；對于超聲速氣流,漸縮管適用于做擴壓管,漸擴管適用于做噴管。習題解：設定熵壓縮過程的終態參數為,而定溫壓縮過程的終態參數為,根據給定的條件可知：又因為兩個終態的熵差為,固有：所以有：對于定熵壓縮過程有：所以：解：設氣體的初態參數為,閥門開啟時氣體的參數為,閥門重新關閉時氣體的參數為,考慮到剛性容器有：,且。⑴當閥門開啟時,貯氣筒內壓力達到Pa,所以此時筒內溫度和氣體質量分別為：⑵閥門重新關閉時,筒內氣體壓力降為Pa,且筒內空氣溫度在排氣過程中保持不變,所以此時筒內氣體質量為：所以,因加熱失掉的空氣質量為：解：⑴氣體可以看作是理想氣體,理想氣體的內能是溫度的單值函數,選取絕熱氣缸內的兩部分氣體共同作為熱力學系統,在過程中,由于氣缸絕熱,系統和外界沒有熱量交換,同時氣缸是剛性的,系統對外作功為零,故過程中系統的內能不變,而系統的初溫為30℃,所以平衡時系統的溫度仍為30⑵設氣缸一側氣體的初始參數為,終態參數為,另一側氣體的初始參數為,終態參數為,重新平衡時整個系統的總體積不變,所以先要求出氣缸的總體積。終態時,兩側的壓力相同,即,對兩側分別寫出狀態方程,聯立求解可得到終態時的壓力為：解：由于Ar可看作理想氣體,理想氣體的內能時溫度的單值函數,過程中內能不變,故終溫,由狀態方程可求出終壓為：熵的變化為：解：由于活塞和氫氣側氣缸均是絕熱的,所以氫氣在過程中沒有從外界吸入熱量,可看可逆絕熱過程,所以氫氣的終溫為：根據狀態方程可得到終態時氫氣的體積：所以,空氣終態的體積為：故空氣的終溫為：把空氣和氧氣作為熱力學系統,根據熱力學第一定律可得到外界加入的熱量為：解：選取氣缸中的空氣作為研究的熱力學系統,系統的初壓為：當去掉一部分負載,系統重新達到平衡狀態時,其終壓為：過程可看作可逆絕熱膨脹過程,所以：所以,活塞的上升距離為：解：⑴定溫：,由理想氣體的狀態方程可得到初終態的體積：所以氣體對外所作的功和吸收的熱量分別為：⑵定熵：相當于可逆絕熱過程,氣體對外所作的功和熱量分別為：終溫為：⑶n=1.2：為多方過程,根據過程方程可得到氣體的終溫為：氣體對外所作的功和熱量分別為：3－7解：〔1如果放氣過程很快,瓶內氣體來不及和外界交換熱量,同時假設容器內的氣體在放氣過程中,時時處于準平衡態,過程可看作可逆絕熱過程,所以氣體終溫為：瓶內原來的氣體質量為：放氣后瓶內氣體的質量為：所以放出的氧氣質量為：〔2閥門關閉后,瓶內氣體將升溫,直到和環境溫度相同,即,壓力將升高,根據理想氣體狀態方程可得到,最終平衡時的壓力為：〔3如果放氣極為緩慢,以至瓶內氣體與外界隨時處于熱平衡,即放氣過程為定溫過程,所以放氣后瓶內的氣體質量為：故所放的氧氣比的一種情況多。解：理想氣體可逆多變過程對外作的功和吸收的熱量分別為：兩式相除,并考慮到,可得到：由多方過程的過程方程可得到：所以有：把值帶入多方過程功的表達式中,可求出：所以有：3－10解：根據理想氣體狀態方程,每小時產生煙氣的體積為：所以可得到煙囪出口處的內直徑為：3－11解：因為假定燃氣具有理想氣體的性質,查空氣平均比定壓熱容表得：所以過程中燃氣的熵變為：由于熵減少,對于可逆過程,熵減少意味著過程是放熱過程3－12解：根據剛性容器A和彈性球B中氣體的初態參數,可求出A和B中包含的氣體質量分別為：打開閥門,重新平衡后,氣體溫度依然保持不變,球內壓力〔也即總壓力和球的直徑成正比,故設：帶入彈性球B的初始體積和壓力值可得到：根據理想氣體狀態方程有：所以,球B終態的壓力和體積分別為：3－13解：假設氣體的定壓和定容比熱容都是常數,首先計算此理想氣體的氣體常數和定壓、定容比熱容：所以其焓變和熵變分別為：3-14解：設氣體的初態參數為,終態參數為。⑴可逆絕熱膨脹：根據過程方程可得到終溫：氣體對外所作的功和熵變分別為：⑵氣體向真空自由膨脹：氣體對外不作功,且和外界無熱量交換,故內能不變,由于理想氣體的內能和焓均是溫度的單值函數,所以氣體溫度保持不變,焓也保持不變,即過程中氣體熵變為：3-15解：⑴按定值比熱容計算：空氣可看作是雙原子分子氣體,故有：根據可逆絕熱過程的過程方程,可得到終態壓力為：內能和與外界交換的功量分別為：⑵按空氣熱力性質表的數據計算：查表得所以有：3-16解：首先把標準狀態下空氣的體積流量值轉換為入口狀態下和出口狀態下的體積流量值：轉化為質量流量為：根據開口系統的能量方程,忽略進出口宏觀動能和勢能的變化并考慮到氣體流動時對外不作軸功,故有煙氣每小時所提供的熱量為：〔1用平均定壓質量比熱容數據計算查表并通過插值可得到：所以有：〔2將空氣視為雙原子理想氣體,用定比熱容進行計算所以有：3-17解：混合后各成分的質量分數為：折合分子量為：3-18解：體積分數等于摩爾分數：體積流量為：3-19解：根據混合理想氣體的狀態方程有：又因為：聯立求解得到：3-20解：⑴該未知氣體的氣體常數及摩爾質量M：根據混合理想氣體狀態方程可得：氣體組元的質量分數分別為：所以未知氣體的氣體常數：⑵該未知氣體的分壓力：未知氣體為氮氣,先求出它的摩爾分數：所以氮氣的分壓為：3-21解：理想氣體兩過程之間的熵差為：由于假設理想氣體的比熱容為常數,所以有：考慮到理想氣體多變過程〔的過程方程及定容比熱容和CV、Rg的關系：把上面三式帶入熵的表達式并整理可得：考慮到理想氣體多變過程〔的過程方程及定容比熱容和CV、Rg的關系：把上面兩式帶入熵的表達式并整理可得：3-22解：在T-s圖上任意兩條定壓線之間的水平距離為,在相同的溫度T下,壓力分別為p1和p2時兩態的熵差,故有：顯然不管在任何溫度下,它們都相等；在T-s圖上任意兩條定容線之間的水平距離為,在相同的溫度T下,體積分別為V1和V2時兩態的熵差,故有：顯然不管在任何溫度下,它們都相等。3-23解：根據理想氣體的狀態方程,可求出初態和終態氣體的比容分別為：由cP和cV的關系,可得到：所以每千克氣體內能和熵的變化分別為：3-24解：可逆定壓過程系統從外界吸收的熱量等于系統焓的變化,所以有：系統內能的變化為：所以系統對外所作的功為：3-25解：設理想氣體的摩爾數為n,由理想氣體的狀態方程可得：由于過程的焓變已知,所以可得到該理想氣體的摩爾定壓熱容：所以氣體的摩爾定容熱容為：由此可求出該氣體的摩爾質量：所以氣體的內能變化為：氣體的定壓熱容為：3-26解：⑴可逆膨脹；可逆定溫膨脹過程系統對外所作的功及熵變為：⑵向真空膨脹；理想氣體的絕熱真空自由膨脹系統對外不作功W=0,熵變為：⑶在外壓恒為0.1MPa的環境中膨脹。此過程系統對外所作的功無法計算,如果過程終態為平衡態,則系統熵變依然為：3-27解：要想判斷噴管的形狀,必須計算臨界壓力Pcr,MPa可見被壓大于臨界壓力,故在出口處沒有達到當地聲速,所以此噴管為漸縮噴管。計算噴管出口截面面積,首先要知道噴管出口截面的參數,所以噴管的出口截面面積為：3-28解：當被壓取臨界壓力時可達到最大質量流量,根據臨界壓力與初壓的關系可得：最大質量流量為：3-29解：首先計算入口參數所以臨界壓力,即被壓為：最大質量流量為：由絕熱過程方程可得到出口比容為：所以出口流速為：3-30解：溫度計測量的是空氣的滯止溫度,所以空氣實際溫度為：3-31解：如果在噴管中氣體是理想的流動,即為可逆絕熱穩定流動,則根據過程方程,可得到理論出口參數為：所以理論出口流速為：所以實際出口流速為：所以實際出口溫度為：由理想氣體的狀態方程可得到：所以噴管中氣體的流量為：3-32解：滯止溫度分別為：滯止壓力分別為：第四章思考題循環的熱效率公式和有何區別？各適用什么場合？答：前式適用于各種可逆和不可逆的循環,后式只適用于可逆的卡諾循環。循環輸出凈功愈大,則熱效率愈高；可逆循環的熱效率都相等；不可逆循環的熱效率一定小于可逆循環的熱效率,這些說法是否正確？為什么？答：不正確,熱效率為輸出凈功和吸熱量的比,因此在相同吸熱量的條件下,循環輸出的出凈功愈大,則熱效率愈高。不是所有的可逆循環的熱效率都相等,必須保證相同的條件下。在相同的初態和終態下,不可逆循環的熱效率一定小于可逆循環的熱效率。熱力學第二定律可否表述為"機械能可以全部變為熱能,而熱能不可能全部變為機械能"？答：不對,必須保證過程結束后對系統和外界沒有造成任何影響這一條件。否則熱能可以全部變為機械能,比如理想氣體的定溫膨脹過程,系統把從外界吸收的熱量全部轉化為機械能,外界雖然沒有任何任何變化,但是系統的體積發生改變了。下列說法是否正確？為什么？⑴熵增大的過程為不可逆過程；⑵不可逆過程的熵變無法計算；若工質從某一初態經可逆與不可逆途徑到達同一終態,則不可逆途徑的必大于可逆途徑的；工質經歷不可逆循環后；自然界的過程都是朝著熵增的方向進行的,因此熵減小的過程不可能實現；工質被加熱熵一定增大,工質放熱熵一定減小。答：〔1不正確,只有孤立系統才可以這樣說；〔2不正確,S為狀態參數,和過程無關,知道初態和終態就可以計算；〔3不對,S為狀態參數,和過程無關,相等；〔4不對,工質經歷可逆和不可逆循環后都回到初態,所以熵變為零。〔5不對,比如系統的理想氣體的可逆定溫壓縮過程,系統對外放熱,熵減小。〔6工質被加熱熵一定增大,但是系統放熱,熵不一定減小。如果是可逆過程,熵才一定減小。若工質從同一初態出發,分別經歷可逆絕熱過程與不可逆絕熱過程膨脹到相同的終壓力,兩過程終態的熵哪個大？對外作的功哪個大？試用坐標圖進行分析.答：不可逆過程熵大,可逆過程作功大如果工質從同一初態出發,分別經歷可逆定壓過程與不可逆定壓過程,從同一熱源吸收了相同的熱量,工質終態的熵是否相同？為什么？答：不相同,因為二者對外所作的功不同,而它們從同一熱源吸收了相同的熱量,所以最終二者內能的變化不同,故此二者的終態不同,由于熵是狀態參數,它們從同一初態出發,故終態的熵不同。工質由初態經過一不可逆絕熱過程膨脹到終態,問能否通過一個絕熱過程使工質回到初態？答：不能,工質由初態經過一不可逆絕熱過程膨脹到終態,其熵增加,要想使其回到初態,過程的熵必須減少,而絕熱過程是不能使其熵減少的,故不能通過一個絕熱過程使其回到初態。系統在某過程中從熱源吸熱20kJ,對外作功25kJ,請問能否通過可逆絕過程使系統回到初態？為什么？能否通過不可逆絕熱過程使系統回到初態？答：根據克勞休斯不等式,我們知道系統在過程中的熵變滿足：即：系統的熵增加,要想使系統回到初態,新的過程必須使系統熵減少,而可逆絕熱過程熵不變,不可逆絕熱過程熵增加,因而不可能通過一個可逆過程或者一個不可逆過程使系統回到初態。閉口系統經歷了一不可逆過程對外作功10kJ,同時放出熱量5kJ,問系統的熵變是正、是負還是不能確定？答：熵是狀態參數,功和熱量都是過程量,所以不能確定系統的熵變。習題4－1解:由熱量守恒由克勞休斯不等式：它的設計是不合理的4－2解：采用電爐取暖時,當采用電動機帶動卡諾熱泵時,4-3解：〔1熱效率為〔2吸熱放熱〔3性能系數得到所以4－4解：對于制冷機對于熱機4－5解：理想氣體的內能是溫度的單值函數,氣體向真空的膨脹過程系統對外不作功,且過程絕熱,系統的內能不變,故氣體溫度不變：由得到熱力學能變化為熵的變化為4-6解：〔1氣體熵變為熱源熵變為總熵變為〔2氣體熵變為熱源熵變為總熵變為〔3氣體熵變為熱源熵變為總熵變為4－7解：〔1由孤立系統熵增原理：所以有：〔2總功量為：〔3所以總熵變為：4－8解：選取兩個容器中的氣體為熱力學系統,過程中系統絕熱且無外功,所以設終態容積分別為,聯立求解所以有：左側氣體熵變：右側氣體熵變：總熵變為4－9解：把閉口系統和熱源取為研究的熱力學系統,為孤立系,根據孤立系統熵增原理：所以該過程是不可能的4－10解：〔1根據穩定流動方程,煙氣放熱：〔2Q2取最小時,此過程可逆,取煙氣、工質和低溫熱源為系統,此系統為孤立系統,孤立系統的可逆過程熵不變〔34-11解：此過程為等容過程,所以取空氣和螺旋槳為研究的系統,此系統為孤立系統,假設空氣為理想氣體,并假設螺旋槳為功源,過程中熵不變,此孤立系統的熵變等于熵產,所以有：所以做功能力的損失為：假設環境溫度為20度,所以：4-12解：根據溫度流動的過程方程有：所以空氣在壓縮過程中的熵變為：所以做功能力的損失為：4-13解：混合后的溫度為：熵變為：4-14解：依題意：故制冷機得到的功為：又所以4-15解：〔1根據穩定流動的過程方程可得：〔2進口處出口處所以壓氣機所需的最小有用功為：作功能力損失為：4-16解：依題意：所以：4-17解：〔1冬季所以〔2夏季即所以4-18解：因為所以該過程為放熱過程4-19解：根據熱力學第一定律有：環境的熵變為：選取氣缸中的氣體和環境為研究的熱力學系統,此系統為孤立系統,其熵變等于熵產所以：第五章思考題熱水泵必須安裝在熱水容器下面距容器有一定高度的地方,而不能安裝在熱水容器上面,為什么？答：保證其壓力。鍋爐產生的水蒸氣在定溫過程中是否滿足的關系？為什么？答：不對,因為水蒸氣不能看作是理想氣體,其內能不僅是溫度的函數,還是壓力的函數,故此定溫過程內能是改變的,不等于0。有無0℃或低于0℃的蒸汽存在？有無低于答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在,只要壓力足夠低就可能,但是沒有低于0℃25MPa的水,是否也象1MPa的水那樣經歷汽化過程？為什么？答：不可以,因為水的臨界點壓力為22.12MPa,故此,當壓力高于臨界壓力時,它的汽化不經過氣液兩相區,而是由液相連續的到達氣相。適用于任何工質的定壓過程。水蒸氣定壓汽化過程中dT=0,由此得出結論,水定壓汽化時,此結論是否正確？為什么？答：不正確,因為定壓汽化過程中發生了相變,上式只適用于不發生相變的過程。試解釋濕空氣、濕蒸汽、飽和濕空氣。答：濕空氣：含水蒸汽的空氣；濕蒸汽：含有液態水的水蒸氣；飽和濕空氣：相對濕度為100％的濕空氣。對未飽和濕空氣與飽和濕空氣分別判斷干球溫度、濕球溫度、露點溫度三者的大小。答：未飽和濕空氣：干球溫度>濕球溫度>露點溫度飽和濕空氣：干球溫度>濕球溫度＝露點溫度在相同的溫度及壓力下,濕空氣與干空氣相比,那個密度大？答：干空氣的密度大。同一地區陰雨天的大氣壓力為什么比晴朗天氣的大氣壓力低？答：陰雨天相對濕度高,水蒸氣分壓力大。若兩種濕空氣的總壓力和相對濕度相同,問：溫度高的濕空氣含濕量大還是溫度低的濕空氣含濕量大？為什么？答：由,在相同相對濕度的情況下,溫度高,Ps大,所以,溫度高含濕量大。早晨有霧,為什么往往是好天氣？答：早晨有霧,說明濕空氣中含有許多小水滴,濕空氣為飽和濕空氣,當溫度逐漸上升后,小水滴逐漸汽化,所以往往是好天氣。習題5-2解：用水蒸氣表：,所以為濕飽和蒸汽。查h-s圖得到：5－3解：1、查表得：所以：2、當時,比容仍然為所以為濕飽和蒸汽。3、傳出的熱量為：5-4解：查表得：所以：時,所以為濕飽和蒸汽。傳出的熱量為：5-5解：查表得到：時1MPa2Mpa1.3MPa<kJ/kg>3157.73137.23151.55<kJ/kg.K>7.30186.95747.1985理想的絕熱過程,熵不變,所以有：,查表得到P2時的參數：,所以干度為：所以出口乏氣的焓為：根據穩定流動的過程方程,可得：5－6解：查表并插值得到：,,吸熱量為：需要媒量為：5－7解：查表得到：當飽和壓力為時,所以：查表得到：當時過熱蒸汽在汽輪機中的理想絕熱膨脹過程,熵不變,所以有：查圖得到：當,時,所以：5—8解：查表得到：當飽和壓力為時,,所以：加熱后為的干飽和蒸汽吸熱過程為定容過程,所以吸熱量為所需時間為解：MPa、℃的蒸汽處于過熱狀態,k＝1.30由臨界壓力比可得：所以查圖表并插值得到：理想絕熱過程熵不變,所以有：查表可得：所以出口速度為：5-10解：查表得到：時,所以：5-11解：由查表得到：加熱過程比濕度不變,沿定d線到,在干燥器中經歷的是絕熱加濕過程,其焓值近似不變,沿定h線到,所以干空氣的流量為濕空氣的流量為所消耗的熱量為：5-12解：由查表得到：沿定d線到在沿定到得到析出水量為：沿定d線到得到加熱量為：5-13解：查表知對應的飽和壓力為對應的飽和壓力為所以5-14解：由查表得到：加入的水蒸氣的量為：由及得到：5-15解：查表知對應的飽和壓力為對應的飽和壓力為所以相對濕度為：加熱到40oC,絕對濕度不變,查表得到：5-16解:由查表得到:,所以：當冷卻到300C時,比容仍為查表得:總傳熱量為環境的熵變為:蒸汽熵變為:金屬球的熵變為總熵變為:第五章思考題熱水泵必須安裝在熱水容器下面距容器有一定高度的地方,而不能安裝在熱水容器上面,為什么？答：保證其壓力。鍋爐產生的水蒸氣在定溫過程中是否滿足的關系？為什么？答：不對,因為水蒸氣不能看作是理想氣體,其內能不僅是溫度的函數,還是壓力的函數,故此定溫過程內能是改變的,不等于0。有無0℃或低于0℃的蒸汽存在？有無低于答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在,只要壓力足夠低就可能,但是沒有低于0℃25MPa的水,是否也象1MPa的水那樣經歷汽化過程？為什么？答：不可以,因為水的臨界點壓力為22.12MPa,故此,當壓力高于臨界壓力時,它的汽化不經過氣液兩相區,而是由液相連續的到達氣相。適用于任何工質的定壓過程。水蒸氣定壓汽化過程中dT=0,由此得出結論,水定壓汽化時,此結論是否正確？為什么？答：不正確,因為定壓汽化過程中發生了相變,上式只適用于不發生相變的過程。試解釋濕空氣、濕蒸汽、飽和濕空氣。答：濕空氣：含水蒸汽的空氣；濕蒸汽：含有液態水的水蒸氣；飽和濕空氣：相對濕度為100％的濕空氣。對未飽和濕空氣與飽和濕空氣分別判斷干球溫度、濕球溫度、露點溫度三者的大小。答：未飽和濕空氣：干球溫度>濕球溫度>露點溫度飽和濕空氣：干球溫度>濕球溫度＝露點溫度在相同的溫度及壓力下,濕空氣與干空氣相比,那個密度大？答：干空氣的密度大。同一地區陰雨天的大氣壓力為什么比晴朗天氣的大氣壓力低？答：陰雨天相對濕度高,水蒸氣分壓力大。若兩種濕空氣的總壓力和相對濕度相同,問：溫度高的濕空氣含濕量大還是溫度低的濕空氣含濕量大？為什么？答：由,在相同相對濕度的情況下,溫度高,Ps大,所以,溫度高含濕量大。早晨有霧,為什么往往是好天氣？答：早晨有霧,說明濕空氣中含有許多小水滴,濕空氣為飽和濕空氣,當溫度逐漸上升后,小水滴逐漸汽化,所以往往是好天氣。習題試利用水蒸氣表確定下列各點的狀態,并確定各狀態的焓、熵或干度及比體積。⑴MPa,℃；⑵MPa,m3/kg；⑶MPa,℃；⑷MPa,。解：題號12342094.51300303.31450179.880.81380.90.00136050.0170.071630.174981333.42491.53323.82575.63.20725.24306.87926.1400狀態未飽和水濕飽和汽過熱蒸汽未飽和水5-2已知水蒸氣的壓力MPa、比體積m3/kg,分別用水蒸氣表及圖確定其狀態并求其它參數。解：用水蒸氣表：,所以為濕飽和蒸汽。查h-s圖得到：一體積為1m3的密閉容器內盛有壓力為0.35MPa的干飽和蒸汽,問容器內蒸汽的質量為多少？若對蒸汽進行冷卻,問當壓力降到0.2MP解：1、查表得：所以：2、當時,比容仍然為所以為濕飽和蒸汽。3、傳出的熱量為：5-4某容器盛有0.5kg、t=120℃的干飽和蒸汽,在定容下冷卻至解：查表得：所以：時,所以為濕飽和蒸汽。傳出的熱量為：5-5某汽輪機入口蒸汽的壓力MPa、℃,出口蒸汽壓力為MPa,假定蒸汽在汽輪機內進行理想絕熱膨脹,忽略進、出口動能差,求每千克蒸汽流過汽輪機所作的軸功及乏汽<排汽>的溫度和干度。解：查表得到：時1MPa2Mpa1.3MPa<kJ/kg>3157.73137.23151.55<kJ/kg.K>7.30186.95747.1985理想的絕熱過程,熵不變,所以有：,查表得到P2時的參數：,所以干度為：所以出口乏氣的焓為：根據穩定流動的過程方程,可得：一臺鍋爐產汽率為20t/h,蒸汽的壓力為4.5MPa,溫度為480℃,在同樣的壓力下進入鍋爐的給水的溫度為100℃,若鍋爐效率為0.9,煤的發熱量為23000解：查表并插值得到：,,吸熱量為：需要媒量為：蒸汽在MPa、的狀態下進入過熱器,被定壓加熱成為過熱蒸汽后進入汽輪機,理想絕熱膨脹至MPa、的出口狀態,求每kg蒸汽在過熱器中吸熱的熱量。解：查表得到：當飽和壓力為時,所以：查表得到：當時過熱蒸汽在汽輪機中的理想絕熱膨脹過程,熵不變,所以有：查圖得到：當,時,所以：在蒸汽鍋爐的汽鍋里儲有MPa、的汽水混合物共8250kg。如果關死出汽閥,爐內燃料燃燒每分鐘供給汽鍋17000kJ的熱量,求汽鍋內壓力上升到1MPa所需的時間。解：查表得到：當飽和壓力為時,,所以：加熱后為的干飽和蒸汽吸熱過程為定容過程,所以吸熱量為所需時間為MPa、℃的蒸汽流經一拉伐爾噴管后壓力降為MPa,求理想情況下噴管出口處汽流的速度。解：MPa、℃的蒸汽處于過熱狀態,k＝1.30由臨界壓力比可得：所以查圖表并插值得到：理想絕熱過程熵不變,所以有：查表可得：所以出口速度為：5-10測得大氣的相對濕度、℃,已知大氣壓力為0.1MPa,試求大氣的含濕量d。解：查表得到：時,所以：5-11進入烘干裝置的空氣溫度為10℃,相對濕度,在加熱器里被加熱到50℃,從干燥室排出時的溫度為30℃。求每蒸發解：由查表得到：加熱過程比濕度不變,沿定d線到,在干燥器中經歷的是絕熱加濕過程,其焓值近似不變,沿定h線到,所以干空氣的流量為濕空氣的流量為所消耗的熱量為：5-12為了保證精密儀表的精度及電絕緣的質量,要求保管及使用場所的大氣不能太潮濕。如果大氣溫度為35℃,相對濕度,則需進行去濕處理,現將其冷卻到10℃,問每千克干空氣的濕空氣將有多少水分被分離出來？當這種含濕量已降低的濕空氣再次被加熱到25解：由查表得到：沿定d線到在沿定到得到析出水量為：沿定d線到得到加熱量為：5-13已知房間墻壁的溫度為16℃。如果室內空氣的溫度為21解：查表知對應的飽和壓力為對應的飽和壓力為所以5-14一剛性容器,裝有0.7kg的干空氣,開始的壓力和溫度分別為105Pa和22℃,然后向容器內引入水蒸氣,直至成為22℃的飽和濕空氣。求：⑴解：由查表得到：加入的水蒸氣的量為：由及得到：5-15已知濕空氣的溫度t=18℃、露點℃,試求其相對濕度、絕對濕度及含濕量。如將上述濕空氣加熱到40℃,其相對濕度、絕對濕度各為多少？已知大氣壓力為0.1MPa解：查表知對應的飽和壓力為對應的飽和壓力為所以相對濕度為：加熱到40oC,絕對濕度不變,查表得到：5-16一個空心鋼球,內徑為m,壁厚mm,內盛MPa、250℃的過熱水蒸氣。這個盛水蒸氣的鋼球系統最終被冷卻到環境溫度30℃。求該系統及環境在此冷卻過程中的總熵變。已知鋼的比熱容kJ/<kg﹒K>、密度kg/m3。解:由查表得到:,所以：當冷卻到300C時,比容仍為查表得:總傳熱量為環境的熵變為:蒸汽熵變為:金屬球的熵變為總熵變為:第六章思考題試畫出簡單蒸汽動力裝置的系統圖、簡單蒸汽動力循環的p-v圖與T-s圖。既然利用抽氣回熱可以提高蒸汽動力裝置循環的熱效率,能否將全部蒸汽抽出來用于回熱？為什么回熱能提高熱效率？答：采用回熱措施,雖然對每kg蒸汽來說做功量減少,但抽汽在凝結時所放出的潛熱卻全部得到的利用,進入鍋爐給水溫度提高了,使每kg工質在鍋爐中吸收的熱量大為減少,因此,提高了循環效率。但抽汽量不是越多越好,是根據質量守恒和能量守恒的原則確定的。蒸汽動力裝置循環熱效率不高的原因是冷凝器放熱損失太大,如取消冷凝器而用壓縮機將乏氣直接升壓送回鍋爐是否可以？答：乏氣如果是水汽混合的,則不能進行壓縮。如果全部是氣體進行壓縮,則體積流量太大,需要采用大尺寸的機器設備,是不利的。卡諾循環優于相同溫度范圍的其它循環,為什么蒸汽動力循環不采用卡諾循環？答：與郎肯循環相同溫限的卡諾循環,吸熱過程將在氣態下進行,事實證明氣態物質實現定溫過程是十分困難的,所以過熱蒸汽卡諾循環至今沒有被采用。那么,能否利用飽和區定溫定壓的特性形成飽和區的卡諾循環,從原理上看是可能的,但是實施起來,有兩個關鍵問題,一是,汽輪機出口位于飽和區干度不高處,濕度太大使得高速運轉的汽輪機不能安全運行,同時不可逆損失增大,其二,這樣的卡諾循環,壓縮過程將在濕蒸汽區進行,氣液混和工質的壓縮會給泵的設計和制造帶來難以克服的困難,因此迄今蒸汽動力循環未采用卡諾循環。如果柴油機在使用過程中,噴油嘴保養不好,致使燃油霧化不良,燃燒延遲,問此時柴油機的經濟性如何？答：燃燒延遲,沒有充分膨脹便開始排氣,這將使熱效率顯著降低,且排氣冒黑煙,這是很不好的。今有兩個內燃機的混合加熱循環,它們的壓縮比、初態、總的加熱量相同,但兩者的定容升壓比λ不同,〔1請在p-v圖與T-s圖上表示出這兩個循環的相對位置；〔2利用T-s圖定性地比較這兩個循環的熱效率。燃氣輪機裝置循環與內燃機循環相比有何優點？為什么前者的熱效率低于后者？答：燃氣輪機與內燃機相比,沒有往復運動機構,可以采用很高的轉速,并且可以連續進氣,因而可以制成大功率的動力裝置。但要保持燃氣輪機長期安全運行,必須限制燃氣進燃氣輪機時的最高溫度,目前為700—800試述動力循環的共同特點。答：有工質在高溫熱源吸熱,在低溫熱源放熱,并對外輸出功。習題6-1某朗肯循環新蒸汽的參數為P1=4MPa、t1=400°C,乏氣的壓力P2=4kPa,忽略泵功,試計算此循環的循環凈功、加熱量、熱效率及乏氣的干度x。如果t1=解：①1點：P1=4MPa,t1=400查表得：h1=3215.71kJ/kg,s1=6.773kJ/<kg.K>2點：s2=s1=6.773kJ/<kg.K>,P2=4KPa查表得：h2=2040.13kJ/kg,x=0.7893<4>點：由P3=P2=4KPa查表得：h3=121.29kJ/kg吸熱量：q1=h1-h3=3215.71－121.29=3094.42kJ/kg凈功量：wnet=h1-h2=3215.71－2040.13=1175.58kJ/kg熱效率：===37.99%干度：x=0.789②1點：由P1=4MPa,t1=550查表得：h1=3558.58kJ/kg,s1=7.233kJ/<kg.K>2點：由s2=s1=7.233kJ/<kg.K>,P2=4kPa查表得：h2=2179.11kJ/kg,x=0.8463<4>點：由P3=4kPa,查表得:h3=121.29kJ/kg吸熱量：q1=h1－h3=3558.58－121.29=3437.29kJ/kg凈功量：wnet=h1－h2=3558.58-2179.11=1379.47kJ/kg熱效率：===40.13%干度：x=0.8466-2某蒸汽動力裝置,氣輪機入口蒸汽的參數為P1=13MPa,t1=535°C,在氣輪機內膨脹做功至干飽和蒸汽后被送入再熱器,在定壓下重新加熱到535°C,再進入氣輪機后半部繼續膨脹至乏氣壓力7kPa,如蒸汽流量為200t/h,忽略泵功,計算氣輪機的軸功、循環效率及乏氣干度x。設煤的發熱量為210解：1點：由P1=13MPa,t1=535h1=3430.18kJ/kg,s1=6.559kJ/<kg.K>5點：由s5=s1=6.559kJ/<kg.K>,得：P5=1.082MPa,h5=2779.07kJ/kg點：由得：2點：由,P2=7KPa得：h2=2430.67kJ/kg,x2=0.9413<4>點：由P3=P2得：h3=163.38kJ/kg吸熱量：凈功量：熱效率：6-3某船用理想蒸汽動力裝置,氣輪機入口新蒸汽參數為P1=6MPa、t1=560°C,冷凝器內蒸汽壓力為6kPa,忽略泵功,求循環熱效率。若該裝置的功率為10解：1點：由P1=6MPa,t1=560h1=3562.68kJ/kg,s1=7.057kJ/<kg.K>2點：由s2=s1,P2=6kPa得：h2=2173.35kJ/kg,x=0.83693<4>點：由P3=P2得：h3=151.5kJ/kg吸熱量：q1=h1－h3=3562.68－151.5=3411.18kJ/kg凈功量：wnet=h1-h2=3562.68-2173.35=1389.33kJ/kg熱效率：6-4某蒸汽動力裝置采用一次抽汽回熱循環,氣輪機入口的參數為P1=10MPa,t1=400°C,冷凝器壓力P2=0.05MPa,當蒸汽膨脹至2MPa時抽出kg蒸汽進入混合式加熱器,定壓放熱以加熱來自冷凝器的〔1－kg冷凝水,使其成為抽汽壓力下的飽和水,經水泵加壓后送回鍋爐。求此循環的熱效率機解：1點：由P1=10MPa,t1=400h1=3099.93kJ/kg,s1=6.218kJ/<kg.K>a點：由sa=s1,Pa=2MPa得：ha=2739.62kJ/kg2點：由s2=sa,P2=0.05MPa得：h2=2157.95kJ/kg,x=0.7883<4>點：由P3=P2得：h3=340.58kJ/kg5<6>點：由P5=Pa得：h5=908.57kJ/kg抽汽量：熱效率：軸功：ws=<h1-h5>=<3099.93-908.57>0.3671=804.45kJ/kg6-5一內燃機定容加熱循環12341,如圖6—30所示。已知P1=0.1MPa、t1=60C、=6,工質為空氣,比熱容為定值,循環中吸熱量q1