工程热力学1-5章思考题解答

1思考题解答第一章基本概念⒈闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。⒉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，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对，为什么?答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是过程量，是过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。⒊平衡状态与稳定状态有何区别和联系，衡状态与均匀状态有何区别和联系?答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。⒋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(ppb)；p=pbpv(ppb)中，当地大气压是否必定是环境大气压?答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。准确地说，计算式中的pb应是“环境介质”的压力，是“当地”的，而不是随便的，任何别的意义上的“大气压力”，或被视作不变的“环境大气压力”。⒌温度计测温的基本原理是什么?答：温度计对温度的测量建立在热力学第三定律原理之上。它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。⒍经验温标的缺点是什么?为什么?答：由选定的任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。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制作温度计、采用不同的物理性质作为温度的标志来测量温度时，除选定的基2准点外，在其它温度上，不同的温度计对同一温度可能会给出不同测定值（尽管差值可能是微小的），因而任何一种经验温标都不能作为度量温度的标准。这便是经验温标的根本缺点。⒎促使系统状态变化的原因是什么?举例说明。答：分两种不同情况：⑴若系统原本不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势差的作用下，各个部分发生相互作用，系统的状态将发生变化。例如，将一块烧热了的铁扔进一盆水中，对于水和该铁块构成的系统说来，由于水和铁块之间存在着温度差别，起初系统处于热不平衡的状态。这种情况下，无需外界给予系统任何作用，系统也会因铁块对水放出热量而发生状态变化：铁块的温度逐渐降低，水的温度逐渐升高，最终系统从热不平衡的状态过渡到一种新的热平衡状态；⑵若系统原处于平衡状态，则只有在外界的作用下（作功或传热）系统的状态才会发生变。⒏图1-16a、b所示容器为刚性容器：(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)是否作功？(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)是否作功？(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)；受刚性容器的约束，气体与外界间无任何力的作用，气体（系统）不对外界作功；(2)，b情况下系统也与外界无力的作用，因此系统不对外界作功；(3)a中所示的情况为气体向真空膨胀(自由膨胀)的过程，是典型的不可逆过程。过程中气体不可能处于平衡状态，因此该过程不能在P-v图上示出；b中的情况与a有所不同，若隔板数量足够多，每当抽去一块隔板时，气体只作极微小的膨胀，因而可认为过程中气体始终处在一种无限接近平衡的状态中，即气体经历的是一种准静过程，这种过程可以在P-v图上用实线表示出来。⒐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：所谓过程不可逆，是指一并完成该过程的逆过程后，系统和它的外界不可能同时恢复到他们的原来状态，并非简单地指系统不可能回复到原态。同理，系统经历正、逆过程后恢复到了原态也并不就意味着过程是可逆的；过程是否可逆，还得看与之发生过相互作用的所有外界是否也全都回复到了原来的状态，没有遗留下任何变化。原则上说来经历一个不可逆过程后系统是可能恢复到原来状态的，只是包括系统和外界在内的整个系统则一定不能恢复原来状态。(a)(b)图1-16思考题8附图3⒑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中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？答：系统完成一个循环后接着又完成其逆向循环时，无论循环可逆与否，系统的状态都不会有什么变化。根据可逆的概念，当系统完成可逆过程（包括循环）后接着又完成其逆向过程时，与之发生相互作用的外界也应一一回复到原来的状态，不遗留下任何变化；若循环中存在着不可逆因素，系统完成的是不可逆循环时，虽然系统可以回复到原来的状态，但在外界一定会遗留下某种变化，使外界无法复原。⒒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：不需要。由于活塞也包含在系统内，既然系统完成的是循环过程，从总的结果看来活塞并未改变其位置，实际上不存在排斥大气的作用。第二章热力学第一定律⒈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--11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，气体泄漏人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:⑴定义容器内的气体为系统，这是一个控制质量。由于气体向真空作无阻自由膨胀，不对外界作功，过程功W=0；容器又是绝热的，过程的热量Q=0因此，根据热力学第一定律Q=U+W应有U=0即容器中气体的总热力学能不变，膨胀后当气体重新回复到热力学平衡状态时，其比热力学能亦与原来一样，没有变化，若为理想气体，则其温度不变。⑵当隔板上有一小孔，气体从A泄漏人B中，若隔板为良好导热体，A、B两部分气体时刻应有相同的温度，当A、B两部分气体压力相同时，A、B两部分气体处于热力学平衡状态，情况像上述作自由膨胀时一样，两部分气体将有相同的比热力学能，按其容积比分配气体的总热力学能；若隔板为绝热体，则过程为A对B的充气过程，由于A部分气体需对进入B的那一部分气体作推进功，充气的结果其比热力学能将比原来减少，B部分气体的比热力学能则会比原来升高，最终两部分气体的压力会达到平衡，但A部分气体的温度将比B部分的低。⒉热力学第一定律的能量方程式是否可写成Pvuq)()(121212wwuuqqB隔板A自由膨胀4的形式，为什么？答：⑴热力学第一定律的基本表达式是：过程热量=工质的热力学能变化+过程功。第一个公式中的Pv并非过程功的正确表达，因此该式是不成立的；⑵热量和功过程功都是过程的函数，并非状态的函数，对应于状态1和2并不存在什么q1、q2和w1、w2；对于过程1-2并不存在过程热量q=q2q1和过程功w=w2w1，因此第二个公式也是不成立的。⒊.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：q=u+w21Pdvuq分别讨论上述两式的适用范围。答：第一个公式为热力学第一定律的最普遍表达，原则上适用于不作宏观运动的一切系统的所有过程；第二个表达式中由于将过程功表达成21dvP，这只是对简单可压缩物质的可逆过程才正确，因此该公式仅适用于简单可压缩物质的可逆过程。⒋.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：当流体流动时，上游流体为了在下游占有一个位置，必须将相应的下游流体推挤开去，当有流体流进或流出系统时，上、下游流体间的这种推挤关系，就会在系统与外界之间形成一种特有的推动功（推进功或推出功）相互作用。反之，闭口系统由于不存在流体的宏观流动现象，不存在上游流体推挤下游流体的作用，也就没有系统与外间的推动功作用，所以在闭口系统的能量方程式中不会出现推动共项。⒌.稳定流动能量方程式（2-16）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。就活塞式压气机这种机械的一个工作周期而言，其工作过程虽是不连续的，但就一段足够长的时间而言（机器的每一工作周期所占的时间相对很短），机器是在不断地进气和排气，因此，对于这种机器的稳定工作情况，稳态稳流的能量方程是适用的。⒍.开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：WUQδdδtδdδWHQi2fδdd2dδWzmgcmHQ5上述三式中W、Wt和Wi的相互关系是什么?答：是的。第一个公式中dU指的是流体流过系统时的热力学能变化，W是流体流过系统过程中的对外所作的过程功；第二个公式中的Wt指的是系统的技术功；第三个公式中的Wi指的是流体流过系统时在系统内部对机器所作的内部功。内部功与机器轴功的区别在于前者不考虑机器的各种机械摩擦，当为可逆机器设备时，两者是相等的。从根本上说来，技术功、内部功均来源于过程功。过程功是技术功与流动功（推出功与推进功之差）的总和；而内部功则是从技术功中扣除了流体的流动动能和重力位能增量之后所剩余的部分。⒎几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-12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：认为合流过程是绝热、设备不作功的稳态稳流过程，并忽略流体的宏观动能和重力位能。对所定义的系统，由式m1i,shaftiin,2n1iiout,2CV])21[(])21[(ddiWmgzchmgzchEQ应有能量平衡332211nminout0)()(hmhmhmmhhm322113mhmhmh第三章理想气体的热力性质⒈怎样正确看待理想气体这个概念？在进行实际计算时如何决定是否可采用理想气体的一些公式？答：理想气体并非是实际存在的一种气体，它只是针对通常存在的多数气体热力性质的一种抽象产物，是实际气体压力趋于零，比容趋于无限大时的极限。与通常的压力和温度比较而言，当实际气体的温度较高，压力较低时，而计算精度要求又不是太高时，可以采用理想气体的一些公式进行计算。⒉气体的摩尔体积Vm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否都是0.022414m3/mol？答：同温同压下，任何1摩尔气体都具有相同的容积。但是，若状态不同，气体的摩尔体积不同，只在标准状况下气体的摩尔体积才等于22.4m3/kmol。图2-12.合流6⒊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R值恒等于8.3143kJ/(kmol·K)，不因气体的种类不同或状态不同而异。⒋如果某种工质的状态方程式为Pv=RgT，那么这种工质比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？答：理想气体的状态方程式为Pv=RgT，服从这一方程的气体均属理想气体。按照理想气体模型，其热力学能、焓都仅仅是温度的函数。理想气体的比热容与过程的性质有关，也与温度有关，对于一定的过程而言，理想气体的比热容仅是温度的函数。⒌对于一种确定的理想气体，(cpcv)是否等于定值？cp/cv是否为定值？在不同温度下(cpcv)、cp/cv是否总是同一定值？答：根据迈耶公式，cpcv=Rg，对于一种确定的理想气体Rg是一常数，不因温度变化而改变。比热容比cp/cv则不同，它与气体的种类有关，而且，对于一种确定的理想气体它还与气体的温度有关，随温升高而降低。⒍迈耶公式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cpcv=Rg也适用于理想气体混合物，这时式中的