热工基础第二版-课后答案(全)-张学学

1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。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。4.“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。5.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)图2-6思考题4附图2Q12与Q1a2答：（1）W1a2大。(2)一样大。（3）Q1a2大。6.说明下列各式的应用条件：⑴wuq闭口系的一切过程⑵pdvuq闭口系统的准静态过程⑶)(1122vpvpuq开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零⑷)(12vvpuq开口系统的稳定定压流动过程，并且轴功为零；或者闭口系统的定压过程。7.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。习题2-1解：kJUQW308050Δ，所以是压缩过程32-2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2－5过程QkJWkJUkJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-552-5解：由于汽化过程是定温、定压过程，系统焓的变化就等于系统从外界吸收的热量，即汽化潜热，所以有：kgkJqh/2257Δ内能的变化为：kgkJvvphpvhu/20881.674)(0.001101.012257)()(Δ21242-6解：选取气缸中的空气作为研究的热力学系统，系统的初压为：PaAGppb54511102.939101009.8195101.028当去掉一部分负载，系统重新达到平衡状态时，其终压为：PaAGppb54522101.959101009.895101.028由于气体通过气缸壁可与外界充分换热，所以系统的初温和终温相等，都等于环境温度即：021TTT根据理想气体的状态方程可得到系统的终态体积，为：335245211210261.5101.959101010100102.939mpVpV所以活塞上升的距离为：cmmAVVL26.5260.0510100101010010261.5Δ46312由于理想气体的内能是温度的函数，而系统初温和终温相同，故此过程中系统的内能变化为零，同时此过程可看作定压膨胀过程，所以气体与外界交换的热量为：JLApWQ04.103260.0510100101.959Δ4522-8解：压缩过程中每千克空气所作的压缩功为：kgkJuqw/196.5146.550Δ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所以带动此压气机所需的功率至少为：kWwPs4260102-9解：是否要用外加取暖设备，要看室内热源产生的热量是否大于通过墙壁和门窗传给外界的热量，室内热源每小时产生的热量为：kJq51098.13600)1005050000(＝＋＝热源小于通过墙壁和门窗传给外界的热量为3105kJ，所以必须外加取暖设备，供热量为：5hkJQ/101.021098.11035552-10解：取容器内的气体作为研究的热力学系统，根据系统的状态方程可得到系统终态体积为：32.112.1121121.78)5.01(1)(mppVV过程中系统对外所作的功为：1.7811.7812.012.021.2111.21.2116.4540.2)(kJVVVpdVVVppdVW所以过程中系统和外界交换的热量为：kJWUQ6.2246.4548*40Δ为吸热。2-11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：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：6kgJvpuh/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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.如果比热容是温度t的单调增函数，当12tt时，平均比热容10|tc、20|tc、21|ttc中哪一个最大？哪一个最小？答：由10|tc、20|tc、21|ttc的定义可知)(d10011tcttcctt，其中10t)(d20022tcttcctt，其中20t)(d122121tctttcctttt，其中21tt因为比热容是温度t的单调增函数，所以可知21|ttc10|tc，又因为20211212021120210)()(10212102tttttttttttttcctcctcctttctcc故可知21|ttc最大，又因为：70)()()()(dd)(dd210112211120121211021210201001212112111212ttcctttttctttcttttttcttctttttcttctccttttttttttttt所以10|tc最小。3.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，但是比热容不是常数，是温度的单值函数。这种物质的比热容不一定仅是温度的函数。由比热容的定义，并考虑到工质的物态方程可得到：gRTuTvpTuTwTuTwuTqcddddddddddd)d(dd由此可以看出，如果工质的内能不仅仅是温度的函数时，则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。4.在vu图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程、可逆定压加热过程、可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。uv1234答：图中曲线1为可逆定容加热过程；2为可逆定压加热过程；3为可逆定温加热过程；4为可逆绝热膨胀过程。因为可逆定容加热过程容积v不变，过程中系统内能增加，所以为曲线1，从下向上。可逆定压加热过程有：vcucuvcccvcudvcdvRcPdvPvTcduPP12212110001，所以时，为常数，且考虑到和所以此过程为过原点的射线2，且向上。理想气体的可逆定温加热过程有：8加，气体对外做功，体积增00wqwqu所以为曲线3，从左到右。可逆绝热膨胀过程有：为常数、21211111cccvkcudvvcpdvdukk所以为图中的双曲线4，且方向朝右（膨胀过程）。5.将满足空气下列要求的多变过程表示在vp图sT图上⑴空气升压，升温，又放热；⑵空气膨胀，升温，又放热；(此过程不可能)⑶6.1n的膨胀过程，并判断q、w、u的正负；⑷3.1n的压缩过程，判断q、w、u的正负。答：svTpn=±∞n=0n=1n=k1nkn=1n=kn=0n=±∞AA1nk（1）空气升温、升压、又放热有：knnRcTTTTnRcqVV11,011212所以：且此多变过程如图所示，在p－v图上，此过程为沿着几条曲线的交点A向上，即沿压力和温度增加的方向；在T-s图上此过程为沿着几条曲线的交点A向上。9svTpn=±∞n=0n=1n=k1nkn=1n=kn=0n=±∞1nkAA（2）空气膨胀，升温，又放热有：knnRcTTTTnRcqVV11,011212所以：且此多变过程如图所示，然而要想是过程同时满足膨胀过程是不可能的。svTpn=±∞n=0n=1n=kn=1n=kn=0n=±∞n=1.6n=1.6n=kn=1n=1.6n=1.6AA（