工程热力学第四版课后思考题答案

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？不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。2．有人认为开口系统内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？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．平衡状态与稳定状态有何区别和联系？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．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+pg(ppb),p=pb-pv(ppb)中，当地大气压是否必定是环境大气压？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．温度计测温的基本原理是什么？6．经验温标的缺点是什么？为什么？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．促使系统状态变化的原因是什么？举例说明。有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。8．分别以图1-20所示的参加公路自行车赛的运动员、运动手枪中的压缩空气、杯子里的热水和正在运行的电视机为研究对象，说明这些是什么系统。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．家用电热水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（但不包括电加热器），这是什么系统？把电加热器包括在研究对象内，这是什么系统？什么情况下能构成孤立系统？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。p2=pg2+p1pbpg2pg1p1=pg1+pb4题图9题图ab冷水冷水热水传热传热热水电流10．分析汽车动力系统（图1-21）与外界的质能交换情况。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？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。12．图1-22中容器为刚性绝热容器，分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板，（1）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，逐个抽去隔板，每抽一块板让气体先恢复平衡在抽下一块，则又如何？（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？13．过程1a2是可逆过程，过程1b2是不可逆过程。有人说过程1a2对外作功大于过程1b2，你是否同意他的说法？为什么？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，系统和外界有什么变化？若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？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．工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？不需1．热力学能就是热量吗？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．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存能？在以氢、氧为燃料的电池系统中系统的热力学能是否应包括氢和氧的化学能？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．能否由基本能量方程式得出功、热量和热力学能是相同性质的参数的结论？q=u＋w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。4．一刚性容器，中间用绝热隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-12所示。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能将如何变化？若在隔板上有一小孔，气体泄漏入pv1ab2隔板AB图2-12自由膨胀B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体热力学能如何变化？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．热力学第一定律的能量方程式是否可写成下列形式？为什么？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．热力学第一定律解析式有时写成下列两者形式：q=u＋w.q=u＋12pdv别讨论上述两式的适用范围。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．为什么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？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．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，那么闭口系工质有没有焓值？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．气体流入真空容器，是否需要推动功？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．稳定流动能量方程式（2-21）是否可应用于像活塞式压气机这样的机械稳定工况运行的能量分析？为什么？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．为什么稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等都会改变，而整个系统的UCV=0、HCV=0、SCV=0?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．开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：Q=dU+W..Q=dH+Wt..Q=dH+22fcdm+mgdz+Wi上述三式中，W、Wt和Wi的相互关系是什么？答：都满足。W=d(pV)+Wt=d(pV)+22fcdm+mgdz+Wi..Wt=22fcdm+mgdz+Wi13.几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-13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。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：qm1h1+qm2h2=qm3h3出口截面上焓值h3的计算式h3=（qm1h1+qm2h2）/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。qm1h1=qm2h2+qm3h31．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？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。qm11p1,T131qm3p3,T323qm2p2,T22图2-13合流qm33p3,T313qm1p1,T121qm2p2,T22图2-14分流2．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？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值是否随气体的种类而不同或状态不同而异？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．如果某种工质的状态方程式为pv=RgT，这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？是的。5．对于确定的一种理想气体，cp–cv是否等于定值？cp/cv是否为定值？cp–cv、cp/cv是否随温度变化？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．迈耶公式cp–cv=Rg是否适用于动力工程中应用的高压水蒸气？是否适用于地球大气中的水蒸气？不适用于前者，一定条件下近似地适用于后者。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=f(p,v)。但又曾得出结论，理想气体的热力学能（或焓）只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？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．为什么工质的热力学能、焓和熵为零的基准可以任选，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？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？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=273.1