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工程热力学思考题及答案
工程热力学思考题及答案第 一 章 基本概念与定义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？答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。2.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，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。3.平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系？答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。平衡状态并非稳定状态之必要条件。物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。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?pe
(p?pb)，p?pb?pv
(p?pb)中，当地大气压是否必定是环境大气压？答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。当地大气压不一定是环境大气压。环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。5.温度计测温的基本原理是什么？答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。6.经验温标的缺点是什么？为什么？答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。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的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测定值可能有微小的差异。7.促使系统状态变化的原因是什么？答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变。8 (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）是否做功？(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）是否做功？(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）第一种情况如图1-1（a）,不作功（2）第二种情况如图1-1（b）,作功（3）第一种情况为不可逆过程不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在p-v图上表示出来。9.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：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。10．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环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复到原来状态，外界没有变化；若存在不可逆因素，系统恢复到原状态，外界产生变化。11.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：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。
1第 二 章 热力学第一定律
1.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2-1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，气体泄漏入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：将隔板抽去，根据热力学第一定律q??u?w其中q?0,w?0所以容器中空气的热力学能不变。 若有一小孔，以B为热力系进行分析
????c2c2f2f1?Q?dEcv??h2??gz2??m2??h1??gz1??m1??Wi????22????只有流体的流入没有流出，?Q?0,?Wi?0，忽略动能、势能dECV?h1?m1dU?h1?m1?U?h1m1B部分气体的热力学能增量为?U，A部分气体的热力学能减少量为?U2.热力学第一定律能量方程式是否可以写成下列两种形式：q2?q1??u2?u1???w2?w1?的形式，为什么？q??u?pv答:热力学第一定律能量方程式不可以写成题中所述的形式。对于q??u?pv只有在特殊情况下，功w可以写成pv。热力学第一定律是一个针对任何情况的定律，不具有w=pv这样一个必需条件。对于公式q2?q1??u2?u1???w2?w1?，功和热量不是状态参数所以不能写成该式的形式。3.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：q??u?w2q??u??pdV1分别讨论上述两式的适用范围.21答：q??u?w 适用于任何过程，任何工质。
可逆过程，任何工质4.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：推动功是由流进（出）系统的工质传递而由工质后面的物质系统作出的。对于闭口系统，不存在工质的流进（出）所以不存在这样进行传递的功。。5．稳定流动能量方程式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。稳定流动能量方程式可应用于任何稳定流动过程，对于连续工作的周期性动作的能量转换
装置，只要在平均单位时间所作的轴功、吸热量以及工质的平均流量为常量，虽然它内部工质的状态 q??u??pdV 2及流动情况是变化的，但这种周期性的变化规律不随时间而变，所以仍然可以利用稳定流动能量方程式分析其能量转换关系6. 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?m2dcf?mgdz??Wi2上述三式中W、Wt和Wi的相互关系是什么？答：同时满足。进、出口工质的流动动能及重力位能的变化可以忽略不计时，稳定流动的开口系统的轴功即等于技术功；膨胀功等于技术功与流动功的代数和。7.几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-2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：忽略动能影响的稳定流动、且混合过程为绝热??????Q??H3?H2?H1??Wi??所以H3?H1?H2qm3h3?qm1h1?qm2h2qm1h1?qm2h2qm3
第三章 理想气体的性质1.
怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算是如何决定是否可采用理想气体的一些公式？答：理想气体：分子为不占体积的弹性质点，除碰撞外分子间无作用力。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象，是一种实际并不存在的假想气体。判断所使用气体是否为理想气体（1）依据气体所处的状态（如：气体的密度是否足够小）估计作为理想气体处理时可能引起的误差；（2）应考虑计算所要求的精度。若为理想气体则可使用理想气体的公式。2.气体的摩尔体积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./mol?答：气体的摩尔体积在同温同压下的情况下不会因气体的种类而异；但因所处状态不同而变化。只有在标准状态下摩尔体积为0./mol h3?3 ???3.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：摩尔气体常数不因气体的种类及状态的不同而变化。4.如果某种工质的状态方程式为pv?RgT，那么这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？答：一种气体满足理想气体状态方程则为理想气体，那么其比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数。5.对于一种确定的理想气体，cpv是否总是同一定值？cp?cvc?cv为定值，v为定值。在不同温度下p为定值，v(cp?cv)cp是否等于定值？v是否为定值？在不同温度下(cp?cv)、cpcp答：对于确定的理想气体在同一温度下不是定值。6.麦耶公式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：迈耶公式的推导用到理想气体方程，因此适用于理想气体混合物不适合实际气体。7.试论证热力学能和焓是状态参数，理想气体热力学能和焓有何特点？答：在工程热力学里，在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能、原子核能都不变化，可以不考虑，因此热力学能包括内动能和内位能。内动能由温度决定，内位能由v决定。这样热力学能由两个状态参数决定。所以热力学能是状态参数。由公式h?u?pv可以看到，焓也是由状态参数决定，所以也是状态参数。对于理想气体热力学能和焓只是温度的函数。u?fu(p,v)8.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。但又曾得出结论，理想气体的热力学能、焓、熵只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？答：不矛盾。实际气体有两个独立的参数。理想气体忽略了分子间的作用力，所以只取决于温度。9.为什么工质的热力学能、焓、熵为零的基准可以任选？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？答：在工程热力学里需要的是过程中热力学能、焓、熵的变化量。热力学能、焓、熵都只是温度的单值函数，变化量的计算与基准的选取无关。热力学能或焓的参照状态通常取0K或0℃时焓时为0，热pT力学能值为0。熵的基准状态取0=101325Pa、0=0K熵值为00u、hs10.气体热力性质表中的及的基准是什么状态？0?T,p?T?0K，p0=101325Pa 答：气体热力性质表中的u、h及s基准是态是00，011.在如图3-1所示的T-s图上任意可逆过程1-2的热量如何表示？理想气体在1和2状态间的热力学能变化量、焓变化量如何表示？若在1-2经过的是不可逆过程又如何？
3-2中阴影部分面积为多变过程1-2的热量。对于多变过程其热力学能变化量及焓变化量可由下面两式计算得到：?u?cv(T2?T1)?cv(T2'?T1)?qv,1?2?h?cp(T2?T1)?cp(T2''?T1)?qp,1?2过初始状态点，做定容线2-2’，图3-3中阴影部分面积为多变过程1-2的热力学能变化量。过初始状态点，做定压线2-2’，图3-4中阴影部分面积为多变过程1-2的焓变化量 。
若为不可逆过程，热力学能、焓不变如上图。热量无法在图中表示出来。12.理想气体熵变计算式（3-34a）、(3-35a)、(3-36a)、(3-37a)等是由可逆过程导出的，这些计算式是否可用于不可逆过程初、终态的熵变？为什么？答：ds??qrevT?q中，rev为一微元可逆变化过程中与热源交换的热量，而?q?cdT中?q为工质温度升高dT所吸收的热量，他们是不能等同的，所以这一结论是错误的。14.（1）气体吸热后熵一定增大（ ）。（2）气体吸热后温度一定升高（ ）。（3）气体吸热后热力学能一定升高（ ）。（4）气体膨胀时一定对外做功（ ）（5）气体压缩时一定耗功（ ） 答：（1）（×）
（2）（×）
（3）（×）
（4）（×）
（5）（√）15.道尔顿分压定律和亚美格分体积定律是否适用于实际气体混合物？答：不适用。16. 混合气体中如果已知两种组分A和B摩尔分数xA?xB，能否断定质量分数也是wA?wB？xA?MeqMAwAxB?wBMB,，混合气体的折合摩尔质量相同，但是组分A和B摩尔的摩尔质量Meq答：因为大小关系不能确定。所以不能断定wA?wB。
第 四 章 理想气体的热力过程1. 分析气体的热力过程要解决哪些问题？用什么方法解决？试以理想气体的定温过程为例说明之。 答：主要解决的问题及方法：确定???过程方程 (1) 根据过程特点（及状态方程）?5确定???始、终状态参数之间的关系 (2) 根据过程方程?计算??q,?,?t,?u,?h,?s (3) 由热力学第一定律等??(4) 分析能量转换关系（用P―V图及T―S图）（根据需要可以定性也可以定量） 例：1)过程方程式：T?常数 （特征）
PV?常数 （方程）P1V2?P2)始、终状态参数之间的关系：2V1或P1V1?P2V2
3)计算各量： ?u?0?h?0?s?RlnV2P??Rln2V1P1
???PdV??PV?t???RTlnV2V1VVdV?PVln2?RTln2VV1V1q??t???RTlnV2V14) P?V图，T?S图上工质状态参数的变化规律及能量转换情况
q?0闭口系：1―2过程
?h?0q?0?t?0?q??t2.
对于理想气体的任何一种过程，下列两组公式是否都适用： 开口系：1―2过程??u?cv(t2?t1)?q??u?cv(t2?t1)???h?c(t?t)q??h?cp(t2?t1)p21?，?6答：不是都适用。第一组公式适用于任何一种过程。第二组公式q??u?cv(t2?t1)适于定容过程，q??h?cp(t2?t1)适用于定压过程。3.在定容过程和定压过程中，气体的热量可根据过程中气体的比热容乘以温差来计算。定温过程气体的温度不变，在定温过程中是否需对气体加入热量？如果加入的话应如何计算？ VVdV???PdV??PV?PVln2?RTln2VV1V1?t???RTlnV2V1V2V1q??t???RTln答：定温过程对气体应加入的热量4. 过程热量q和过程功w都是过程量，都和过程的途径有关。由定温过程热量公式q?p1v1lnv2v1故，只要状态参数p1、v1和v2确定了，q的数值也确定了，是否q与途径无关？答：对于一个定温过程，过程途径就已经确定了。所以说q是与途径有关的。?Q?mcvdT是否成立？ 5.
在闭口热力系的定容过程中，外界对系统施以搅拌功?w，问这时答：成立6. 绝热过程的过程功w和技术功wt的计算式w?u1?u2，wt?h1?h2是否只限于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么？q??h?wt答：不只限于理想气体和可逆的绝热过程。因为q??u?w和是通用公式，适用于任何工质w?h1?h2任何过程，只要是绝热过程q?0无论是可逆还是不可逆。所以w?u1?u2和t不只限于可逆绝热过程。7.试判断下列说法对吗：（1）定容过程既无膨胀（或压缩）功的过程；（2）绝热过程即定熵过程；（3）多变过程即任意过程。答：（1）（×）；
（2）（×）；
（3）（×）8. 如图4-3：试证明：q1-2-3&≠q1-4-3。途中1-2、4-3为定容过程，1-4、2-3为定压过程。
答：q1-2-3=Δu1-2-3+w1-2-3 ,q1-4-3=Δu1-4-3+w1-4-3∵Δu1-2-3=Δu1-4-3, w1-2-3 &w1-4-3∴q1-2-3& q1-4-3
9. 如图4-4所示。今有两个任意过程a-b及a-c，b、c在同一条绝热线上，试问若b、c在同一条定温线上，结果又如何？
7 ?uab与?uac哪个大？
答：b、c在同一条绝热线上?uab??uac，若b、c在同一条定温线上，二者相等。10.在T-s图上如何表示绝热过程的技术功和膨胀功？答：绝热过程，不管是否是可逆过程都有wt???h,w???u所以在T-S图上的表示方法与第三章第十一题相同。11. 在p-v图和T-s图上如何判断过程中q、w、?u、?h的正负？答：1）?的判别：?
往右??0以（V）为界：P―V图上?
2?往左??0.右下方??0T―S图上2.左上方??02）?u，?h的判别：.右上方?u?0以（T）为界：P―V图上2.左下方?u?01.上方为?u?0T―S图上2.下方为?u?03）q的判别：.右上方q?0以（T）为界：P―V图上2.左下方q?01.向右q?0T―S图上2.向左q?0第 五 章 热力学第二定律1.热力学第二定律能否表达为：“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能。”这种说法有什么不妥当?答：不能这样表述。表述不正确，对于可逆的定温过程，所吸收的热量可以全部转化为机械能，但是自身状态发生了变化。所以这种表述不正确。2.自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这一说法是否正确？答：不正确。自发过程是不可逆过程是正确的。非自发过程却不一定为可逆过程。3.请给“不可逆过程”一个恰当的定义。热力过程中有哪几种不可逆因素？答：一切非准静态过程都是不可逆过程。不可逆因素有：摩擦、不等温传热和不等压做功。4.试证明热力学第二定律各种说法的等效性：若克劳修斯说法不成立，则开尔文说也不成立。
??是一的，答：热力学第二定律的两种说法反映的是同一客观规律――自然过程的方向性?只要一种表述可能，则另一种也可能。假设热量Q2能够从温度T2的低温热源自动传给温度为T1的高温热源。现有一循环热机在两热源间工作，并且它放给低温热源的热量恰好等于Q2。整个系统在完成一个循环时，所产生的唯一效果是热机从单一热源（T1）取得热量Q1-Q2，并全部转变为对外输出的功W。低温热源的自动传热Q2给高温热源，又从热机处接受Q2，故并未受任何影响。这就成了第二类永动机。?违反了克劳修斯说法，?必须违反了开尔文说法。反之，承认了开尔文说法，克劳修斯说法也就必然成立。5.（1）循环净功Wnet愈大则循环效率愈高；（×） （2）不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热T?t?1?2T1（× ） 效率；（ ×）
（3）可逆循环的热效率都相等，q1?q2T?T?t?12q1和T1是否完全相同？各适用于哪些场合？ 6. 循环热效率公式q?q2T?T?t?1?t?12q1适用于任何工质，任何循环。T1适用于任何工质，卡诺答：这两个公式不相同。?t?循环。7.与大气温度相同的压缩空气可以膨胀做功，此事实是否违反了热力学第二定律？答：不违反热力学第二定律，对于理想气体的定温过程，从单一热源吸热并膨胀做功，工质的状态发生了变化，所以不违反热力学第二定律。8.下列说法是否正确：（1）熵增大的过程必定为吸热过程 （×）；（2）熵减小的过程必为放热过程 （×）；（3）定熵过程必为逆绝热过程 （×）。9.下列说法是否有错误：（1） 熵增大的过程必为不可逆过程（×）（2）使系统熵增大的过程必为不可逆过程（×）（3）熵产sg?0的过程必为不可逆过程（√）（4）不可逆过程的熵变?s无法计算（×）（5）如果从同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，则Sg,不可逆?Sg,可逆Sf,不可逆?Sf,可逆?S不可逆??S可逆，，是否正确？S?Sg,可逆S?Sf,可逆答：?S不可逆??S可逆、f,不可逆、g,不可逆（6）不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵，S2&S1，不可逆绝热压缩的终态熵小于初态熵S2&S1? 答：不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵S2&S1不可逆绝热压缩的终态熵也大于初态熵S2&S1。?qds?0,Tr?0（7）工质经过不可逆循环有？
? 0 答：工质经过不可逆循环有。910.从点a开始有两个可逆过程：定容过程a-b和定压过程a-c，b、c两点在同一条绝热线上，问qa?b和qa?c哪个大？并在T-s上表示过程a-b、a-c及qa?b、qa?c
答：由图5-2可知qa?b?qa?c 知qa?b?qa?cqa?b为1-a-b-2-1的面积；qa?c为1-a-c -2-1的面积11.某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程将气体压缩到相同的终压，在p-v图和T-s图上画出两过程，并在T-s图上画出两过程的技术功及不可逆过程的用损失。 答：由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程到相同终压如5-3图示。q??h?wt绝热过程
q?0,所以wt???h?h?cp(T2?T1)?cp(T2''?T1)?qp,1?2
由5-4图可知，可逆绝热压缩过程的技术功为面积1-2T-j-m-1，不可逆绝热压缩过程的技术功为面积1-2’T-f-m-1,不可逆过程的用损失为面积1-g-n-m-112. 对于一个孤立系统，其内部若进行了可逆过程则孤立系统的总能不变，总熵不变总火用也不变？ 答：若系统内进行的是不可逆过程则系统的总能不变，总熵增加，总火用减小。
第 六 章 实际气体
1.实际气体性质与理想气体性质差异产生的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作为理想气体处理？答：理想气体模型中忽略了气体分子间的作用力和气体分子所占据的体积。实际气体只有在高温低压状态下，其性质和理想气体相近。或者在常温常压下，那些不易液化的气体，如氧气、氦气、空气等的性质与理想气体相似，可以将它们看作理想气体，使研究的问题简化。102. 压缩因子Z的物理意义怎么理解？能否将Z当作常数处理？答：压缩因子为温度、压力相同时的实际气体比体积与理想气体比体积之比。压缩因子不仅随气体的种类而且随其状态而异，故每种气体应有不同的Z?f(p,T)曲线。因此不能取常数。3. 范德瓦尔方程的精度不高，但在实际气体状态方程的研究中范德瓦尔方程的地位却很高，为什么？ 答：范德瓦尔方程其计算精度虽然不高，但范德瓦尔方程式的价值在于能近似地反映实际气体性质方面的特征，并为实际气体状态方程式的研究开拓了道路，因此具有较高的地位。4. 范德瓦尔方程中的物性常数a和b可以由试验数据拟合得到，也可以由物质的 Tcr、pcr、vcr计算得到，需要较高的精度时应采用哪种方法，为什么？答：当需要较高的精度时应采用实验数据拟和得到a、b。利用临界压力和临界温度计算得到的a、b值是近似的。5. 什么叫对应态原理？为什么要引入对应态原理？什么是对比参数？答：在相同的压力与温度下，不同气体的比体积是不同的，但是只要他们的pr和Tr分别相同，他们的vr必定相同这就是对应态原理，f(pr,Tr,vr)?0。对应态原理并不是十分精确，但大致是正确的。它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他流体的性质。 相对于临界参数的对比值叫做对比参数。对比温度Tr?Tc，对比压力pr?ppc，对比比体积vr?c。6. 什么是特性函数？试说明 u?u(s,p)是否是特性函数。答：对简单可压缩的系统，任意一个状态参数都可以表示成另外两个独立参数的函数。其中，某些状态参数若表示成特定的两个独立参数的函数时，只需一个状态函数就可以确定系统的其它参数，这样的函数就称为“特性函数”??u???u???u??T?du???ds??dp????p??s??p??s?p，但是??v且du?Tds?pdv将两公式进行对比则有由函数u?u(s,p)知对于比容无法用该函数表示出来，所以此函数不是特性函数。
7. 如何利用状态方程和热力学一般关系求取实际气体的 ?u、?h、?s？答：将状态方程进行求导，然后带入热力学能、焓或熵的一般关系式，在进行积分。8.试导出以 T,p及 p,v为独立变量的 du方程及以 T,v及 v,p为独立变量的 dh方程。答：以T,p为独立变量时u?u(T,p),将第二ds方程??v???v?dv???dT????p??dp?T??p??T得到????v???v????v??du??cp?p???dT??p???p???T??T??dp?T??p???p????????T? ds?cpTdT?(?v)pdp?T代入du?Tds?pdv同时，同理：以v,p为独立变量时u?u(v,p),将第三ds方程得到???T????T??du?cv?dp?c?p??p??dv??p????v?p? ??v??以T,v为独立变量时h?h(p,v)，将第一ds方程代入dh?Tds?vdp 得11 ds?cp?Tcv?T()vdp?()pdvT?vT?v代入du?Tds?pdv，????p???p????p??dh??cv?v?dT?T?v??????dv????T?v???v?T? ????T?v以p,v为独立变量时h?h(T,v)，将第三ds方程代入dh?Tds?vdp 得???T????T??dh??v?cv?dp?c?dvp???p????v?p???v???9. 本章导出的关于热力学能、焓、熵的一般关系式是否可用于不可逆过程？答：热力学能、焓、熵都是状态参数，计算两个平衡状态之间的变量可任意选择其过程。所以同样适用于不可逆过程。10.试根据比热容的一般关系式分析水的比定压热容和比定容热容的关系。 答：比热容一般关系式：cp?cv??T(?v2?p)P()T?T?v对于液态水，在压力不变条件下，比容随温度的变化很小，因而cp-cv≈0。即：液态和固态物质一般不区分定压比热与定容比热，而气体cp≠cv，要区分。11.水的相图和一般物质的相图区别在哪里？为什么？答：与水的相图比较，显著的差别是固液二相平衡线的倾斜方向不同，由于液态水凝固时容积增大，依据克拉贝隆-克劳修斯方程固液相平衡曲线的斜率为负。而其他物质则相反。
第 七、十一章 水蒸气及蒸汽动力循环
1.水的三相点的状态参数是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？答：水的三相点状态参数不是唯一的，其中温度、压力是定值而比体积不是定值；临界点是唯一的，其比体积、温度、压力都是确定的；三相点是三相共存的点，临界点是饱和水线与饱和蒸汽线的交点，在该点饱和水线与饱和蒸汽线不再有分别。2.刚性绝热的密闭容器内水的压力为4MPa,测得容器内温度为200℃，试问容器内的水是什么集态？因意外事故容器上产生了一不大的裂缝，试分析其后果？答：水的集态为高压水，若有裂缝则会产生爆裂事故。3.水的定压汽化过程中温度维持不变，因此有人认为过程中热量等于膨胀功，即q?w，对不对？为什么？答：这种说法是不对的。因为温度不变不表示热力学能不变。这里分析的是水，定压汽化有相变，不能作为理想气体来处理，所以?u?0。不能得到q?w这样的结果。4.由于?hp?cpT2T1T2T1?T普遍适用于一切工质，所以有人说水定压汽化时温度不变，因此其焓变量?hp?cp?T?0T2T1。这一推论错误在哪里？ 答：适用于理想气体，不能应用于水定压汽化过程，水不能作为理想气体来处理。5.干饱和蒸汽朗肯循环（图10-1中循环 6-7-3-4-5-6）与同样初压力下的过热蒸汽朗肯循环（图10-1中循环1-2-3-4-5-6-1）相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？ 答：图10-1中循环6-7-3-4-5-6局限于饱和区，上限温度受制于临界温度，导致其平均吸热温度较低，故即使实现卡诺循环，其热效率也不高。
?hp?cp?T126.本世纪二三十年代，金属材料的耐热性仅达400℃，为使蒸汽初压提高，用再热循环很有必要。其后，耐热合金材料有进展，加之其他一些原因，在很长一段时期内不再设计制造按再热循环工作的设备。但近年来随着初压提高再热循环再次受到注意。请分析其原因。答：通过对热机的效率进行分析后知道，提高蒸汽的过热温度和蒸汽的压力，都能使热机效率提高。在本世纪二三十年代，材料的耐热性较差，通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率比较困难，因此采用再热循环来提高蒸汽初压。随着耐热材料的研究通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率就可以满足工业要求。因此很长一段时期不再设计制造再热循环工作设备。近年来要求使用的蒸汽初压提高，由于初压的提高使得乏气干度迅速降低，引起气轮机内部效率降低，另外还会侵蚀汽轮机叶片缩短汽轮机寿命，所以乏气干度不宜太低，必须提高乏气温度，就要使用再热循环。7、图11-2所示回热系统中采用的是混合式回热器，靠蒸气与水的混合达到换热的目的。另有一种表面式换热器，如图10-3所示，蒸汽在管外冷凝，将凝结热量传给管内的水，这种布置可减少系统中高压水泵的数量。试分析这种系统在热力学分析上与混合式系统有否不同？答：计算回热循环主要是计算抽气量。
1）对于混合式回热加热器对如图11-4所示的N级抽汽回热的第j级加热器，列出质量守恒方程为?j???1??k??k?1N?jN?j?1k?1??1???kN?j?1能量守恒方程为
'0j?jh0j???1??k?hk?1N?j'0,j?1???1???hkk?1
解得第j级抽气量''?N?j?h0j?h0,j?1?j???1???k??h?h'k?1??0j0,j?1
2）对于表面式回热加热器，其抽气量仍是通过热平衡方程求取?
j?h0j?h0'j???h0'j?h0',j?1?13?j?''h0j?h0,j?1'h0j?h0j8.各种实际循环的热效率无论是内燃机循环，燃气轮机循环，或是蒸汽循环都肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？答：这与卡诺定理并不矛盾。卡诺定理当中的可逆循环忽略了循环当中所有的不可逆因素，不存在任何不可逆损失，所以这时热能向机械能转化只由热源的条件所决定。而实际循环中存在各种不可逆损失，由于工质性质不同，不可逆因素和不可逆程度是各不相同的，因此其热效率与工质性质有关。9.蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏汽被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量q2，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量q1大大提高热效率吗？这样想法对不对?为什么？答：这样的想法是不对的。因为从热力学第二定律来讲一个非自发过程的进行必定要有一个自发过程的进行来作为补充条件。乏气向冷却水排热就是这样一个补充条件，是不可缺少的。10.用蒸汽作为循环工质，其吸热和放热接近定温过程，而我们又常说以定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么在大多数情况下蒸汽循环反较柴油机循环的热效率低?答：柴油机的汽缸壁因为有冷却水和进入气缸的空气冷却，燃烧室和叶片都可以冷却，其材料可以承受较高燃气温度，燃气温度通常可高达K，而蒸汽循环蒸汽过热器外面是高温燃气里面是蒸汽，所以过热器壁面温度必定高于蒸汽温度，这与柴油机是不同的，蒸汽循环的最高蒸汽温度很少超过600K.。因此蒸汽循环的热效率较低。11.应用热泵来供给中等温度(例如100℃上下)的热量是比直接利用高温热源的热量来得济，因此有人设想将乏汽在冷凝器中放出热量的一部分用热泵提高温度，用以加热低温段(100℃以下)的锅炉给水，这样虽然需要增添热泵设备。但却可以取消低温段的抽汽回热，使抽汽回热设备得以简化，而对循环热效率也能有所补益。这样的想法在理论上是否正确?答：这种想法是不正确的。回热循环是是通过减少了温差传热不可逆因素，从而使热效率提高，使该循环向卡诺循环靠近了一步。而该题中的想法恰恰是又增加了 温差传热不可逆因素。因此对效率提高是没有好处的。12.热量利用系数?说明了全部热量的利用程度，为什么又说它不能完善地衡量循环的经济性？答：热量利用系数说明了全部热量的利用程度，但是不能完善的衡量循环的经济性。能量分为可用能与不可用能，能量的品位是不同的。在实际工程应用中用的是可用能。可用能在各个部分各个过程的损失是不能用热量利用系数来说明的。13.总结一下气体动力循环和蒸汽动力循环提高循环热效率的共同原则。答：提高循环热效率的共同原则是：提高工质的平均吸热温度。第 八 章 气体和蒸汽的流动1.改变气流速度起主要作用的是通道的形状，还是气流本身的状态变化？答：改变气流速度主要是气流本身状态变化。2.当气流速度分别为亚声速和超声速时，下列形状的管道宜于作喷管还是宜于作扩压管？
答：气流速度为亚声速时图6-1中的1图宜于作喷管，2图宜于作扩压管，3图宜于作喷管。当声速达到超声速时时1图宜于作扩压管，2图宜于作喷管，3图宜于作扩压管。4图不改变声速也不改变压强。
14c?2h0?h23.当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用f2计算，似乎与无摩擦损耗时相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢？答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。摩擦引起出口速度变小，出口动能的减小引起出口焓值的增大4.在图6-2中图a为渐缩喷管,图b为缩放喷管。设两喷管的工作背压均为0.1MPa，进口截面压力均c为1 MPa，进口流速f1可忽略不计。1）若两喷管的最小截面面积相等，问两喷管的流量、出口截面流速和压力是否相同？2) 假如沿截面2’-2’切去一段，将产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流量起什么变化？
答：1）若两喷管的最小截面面积相等，两喷管的流量相等，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。2) 若截取一段，渐缩喷管最小截面面积大于缩放喷管最小截面面积，则渐缩喷管的流量小于缩放喷管的流量，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。?5.图6-3中定焓线是否是节流过程线？既然节流过程不可逆，为何在推导节流微分效应J时可利用dh=0？答：定焓线并不是节流过程线。在节流口附近流体发生强烈的扰动及涡流，不能用平衡态热力学方法分析，不能确定各截面的焓值。但是在距孔口较远的地方流体仍处于平衡态，忽略速度影响后节流前和节流后焓值相等。尽管节流前和节流后焓值相等，但不能把节流过程看作定焓过程。距孔口较远的地方属于焓值不变的过程所以dh=0。6. 多股气流混合成一股混合气流称为合流，请导出各股支流都是理想气体的混合气流的温度表达式。混合气流的熵值是否等于各股支流熵值之和，为什么？应该怎么计算？第 九 章 压气机的热力过程1.如果由于应用汽缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩？为什么？答：分级压缩主要是减小余隙容积对产气量的影响，冷却作用只是减小消耗功。所以仍然需要采用分级压缩。2.压气机按定温压缩时气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高不利于进一步压缩容易对压气机造成损伤，耗功大。等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。3.
压气机所需要的功也可以由第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要
的功，并用T-s图上面积表示其值。15答：由第一定律能量方程式q??h?wt，定温过程?h?0，所以wc??wt??q??T?s，同时pp?s?Rgln1wc?RgT1ln2p2则有p1多变过程wc??wt??h?qn?kn?k1q?cv?T2?T1???Rg?T2?T1?n?1n?1k?1n?1??n????Tpkk22???h?cp?T2?T1??RgT1??1?RgT1???1???????p1??k?1?T1?k?1????n?1??n??pn2?wc?RgT1???1?????p1??n?1????绝热压缩过程q?0，所以??T2?p2kk????wc??wt??h?cp?T2?T1??RgT1??1?RT?T?k?1g1??pk?1?1??1??????k?1k??1????等温过程所作的功为图7-1中面积1-2T-m-n-1，绝热过程所作的功为图中面积1--f-n-1多变过程所作的功为图中面积1-2’n-j-g-2n-14． 叶轮是压气机不可逆绝热压缩比可逆绝热压缩多耗功可用图7-2中的面积m2s2’nm表示，这是否即是此不可逆过程的做功能力损失？为什么？
答：多消耗的功量并不就是损失的做功能力损失。因为i?T0?sg?T0(s2'?s1)?T0(s2'?s1)?2T(s2'?s1)2's为图7-2上面积1-7-n-m所示。5. 如图7-3所示的压缩过程1-2，若是可逆的，则这一过程是什么过程？他与不可逆绝热压缩过程1-2的区别何在？两者之中哪一过程消耗的功大？大多少？
答：若压缩过程1-2是可逆的，则为升温升压吸热过程。它与不可逆绝热压缩过程的区别是：该过程没有不可逆因素的影响，所消耗的功是最小的，且可以在T-s图上把该过程的吸热量表示出来。对于不可逆绝热压缩过程q??u?w，w???u，而可逆绝热压缩过程q??u?w，w?q??u所以不可逆2过程消耗的功大，数值为1?Tds。第 十 章
气体动力循环1.以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。答：分析动力循环的一般方法：首先把实际过程的不可逆过程简化为可逆过程。找到影响热效率的主要因素和提高热效率的可能措施。然后分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因以及改进办法。?t?1?k?1和2.内燃机定容加热理想循环和燃气轮机装置定压加热理想循环的热效率分别为?t?1??k?1?。若两者初态相同，压缩比相同，他们的热效率是否相同？为什么？若卡诺循环的压缩比与他们相同，则热效率如何？为什么？ ??p2p??v11对于定压加热理想2而答：若两者初态相同，压缩比相同，它们的热效率相等。因为p2v?(1)k??kp12循环带入效率公式可知二者相等。若卡诺循环的压缩比与他们相同，则有k?1T2??v1v2???k?1?t?1?k?11他们的效率都相等。 ，3.活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？答：理论上可以利用回热来提高热效率。在实际中也得到适当的应用。如果采用极限回热，可以提高热效率但所需的回热器换热面积趋于无穷大，无法实现。4.燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功(如图8-1)，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。
??1?答：采用定温压缩增加了循环净功。而1变小，所以其热效率降低。
21在此过程中2不变，175.燃气轮机装置循环中，膨胀过程在理想极限情况下采用定温膨胀，可增大膨胀过程作出的功，因而增加了循环净功(如图8-2)，但在没有回热的情况下循环热效率反而降低，为什么？??1?答：定温膨胀增大膨胀过程作出的功，增加循环净功，但21在此过程中2变大，1不变，所以其热效率降低。6. 加力燃烧涡轮喷气式发动机是在喷气式发动机尾喷管入口前装有加力燃烧用的喷油嘴的喷气发动机，需要突然提高飞行速度是此喷油嘴喷出燃油，进行加力燃烧，增大推力。其理论循环（如图8-3）的热效率比定压燃烧喷气式发动机循环的热效率提高还是降低？为什么？
??答：该理论循环热效率比定压燃烧喷气式发动机循环的热效率降低。因为当利用喷油嘴喷出燃油进行加力燃烧时，虽然多做了功增大了推力，但是功的增加是在吸收了大量的热的基础上获得的。由图可知获得的功与需要的热的比值小于定压燃烧喷气式发动机循环的比值，导致整体的理论循环的热效率比定压燃烧喷气式发动机循环的热效率降低。7. 有一燃气轮机装置，其流程示意图如图8-4所示，它由一台压气机产生压缩空气，而后分两路进入两个燃烧室燃烧。燃气分别进入两台燃气轮机，其中燃气轮机Ⅰ发出的动力全部供给压气机，另一台燃气轮机Ⅱ发出的动力则为输出的净功率。设气体工质进入让汽轮机Ⅰ和Ⅱ时状态相同，两台燃气轮??机的效率也相同，试问这样的方案和图8-5、图8-6所示的方案相比较（压气机的c,s和燃气轮机的t都相同）在热力学效果上有何差别？装置的热效率有何区别？
答：原方案：循环吸热量：Q1=cmΔt，循环净功：w0=wT-wc=m[(h3-h4)-(h2-h1)]
(1)18第2方案：循环吸热量：Q1=cmAΔt+ cm BΔt=cmΔt
(2)循环净功：w0=wTB=mB(h3-h4)
(3)对于第2方案，wTA= wc，即：mA(h3-h4)=m(h2-h1)或(m-mB)(h3-h4)=m(h2-h1)
(4)由(3)、(4)解得：w0=m[(h3-h4)-(h2-h1)]结论：两种方案循环吸热量与循环净功均相同，因而热力学效果相同，热效率w0/Q1必相同。第十二章 制冷循环1.压缩蒸汽制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。而压缩蒸汽制冷循环在膨胀过程中，因为工质的干度很小，所以能得到的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。2.压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数？能否提高其实际制冷系数？为什么？ 答：采用回热后没有提高其理论制冷系数但能够提高其实际制冷系数。因为采用回热后工质的压缩比减小，使压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响减小，因此提高实际制冷系数。3.参看图12-5，若压缩蒸汽制冷循环按1-2-3-4-8-1运行，循环耗功量没有变化，仍为h2-h1，而制冷量却从h1-h5增大到h1-h8，显见是有利的．这种考虑错误何在？答：过程4-8熵减小，必须放热才能实现。而4点工质温度为环境温度T0，要想放热达到温度Tc（8点），必须有温度低于Tc的冷源，这是不存在的。(如果有，就不必压缩制冷了)。4.作制冷剂的物质应具备哪些性质？你如何理解限产直至禁用R11、R12这类工质？答：制冷剂应具备的性质：对应于装置的工作温度，要有适中的压力；在工作温度下气化潜热要大；临界温度应高于环境温度；制冷剂在T-s图上的上下界限线要陡峭；工质的三相点温度要低于制冷循环的下限温度；比体积要小；传热特性要好；溶油性好；无毒等。限产直至禁用R11和R12时十分必要的，因为这类物质进入大气后在紫外线作用下破坏臭氧层使得紫外线直接照射到地面，破坏原有的生态平衡。5.本章提到的各种制冷循环有否共同点？若有，是什么？答：各种制冷循环都有共同点。从热力学第二定律的角度来看，无论是消耗机械能还是热能都是使熵增大，以弥补热量从低温物体传到高温物体造成的熵的减小，从而使孤立系统保持熵增大。6.为什么同一装置即可作制冷剂又可坐热泵？答：因为热泵循环与制冷循环的本质都是消耗高质能以实现热量从低温热源向高温热元的传输。热泵循环和制冷循环的热力学原理相同 。第十三章 湿空气1.为何阴雨天晒衣服不易干，而晴天则容易干？答：阴雨天空气的湿度大，吸取水蒸气的能力差，所以晒衣服不易干。晴天则恰恰相反，所以容易干。
192.为何冬季人在室外呼出的气是白色雾状?冬季室内有供暖装置时，为什么会感到空气干燥？用火炉取暖时，经常在火炉上放―壶水，目的何在?答：人呼出的气体是未饱和湿空气。当进入外界环境时，外界环境的温度很低使得呼出的气体得到冷却。在冷却过程中，湿空气保持含湿量不变，温度降低。当低于露点温度时就有水蒸气不断凝结析出，这就形成了白色雾状气体。冬季室内有供暖装置时，温度较高，使空气含湿量减小。因此会觉得干燥。放一壶水的目的就是使水加热变成水蒸气散发到空气中增加空气的含湿量。3.何谓湿空气的露点温度?解释降雾、结露、结霜现象，并说明它们发生的条件。答：露点：湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和温度称为湿空气的露点温度，或简称露点。a) 雾是近地面空气中的水蒸气发生的凝结现象。 白天温度比较高，空气中可容纳较多的水汽。但是到了夜间，地面温度较低，空气把自身的热量传给地面，空气温度下降，这时湿空气随温度降低呈现出过饱和状态，就会发生凝结，当足够多的水分子与空气中微小的灰尘颗粒结合在一起，同时水分子本身也会相互粘结，就变成小水滴或冰晶，这就形成了雾。雾的形成基本条件，一是近地面空气中的水蒸气含量充沛，二是地面气温低。三是在凝结时必须有一个凝聚核，如尘埃等。b) 露是水蒸气遇到冷的物体凝结成的水珠。露的形成有两个基本条件：一是水汽条件好，二是温度比较低的物体（低，指与露点温度比较）。，温度逐渐降低且保持含湿量不变，。当温度低于露点温度时就有水珠析出，这就形成露。c) 霜是近地面空气中的水蒸气在物体上的凝华现象。霜的形成有两个基本条件，一是空气中含有较多的水蒸气，二是有冷(O℃以下)的物体。，湿空气与温度较低物体接触达到水汽过饱和的时候多余的水汽就会析出。如果温度在0°C以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，形成霜。4.对于未饱和空气，湿球温度、干球温度以及露点三者哪个大?对于饱和空气，三者的大小又将如何？ 答：对于未饱和空气，干球温度数值较大。对于饱和空气三者的大小相等。5.何谓湿空气的含湿量？相对湿度愈大含湿量愈高，这样说对吗？答：含湿量d：1千克干空气所带有的的水蒸气的质量。相对湿度是湿空气中实际包含的水蒸气量与同温度下最多能包含的水蒸气量的百分比。相对湿度是一个比值，不能简单的地说相对湿度愈大含湿量愈高，他与同温度下最多能包含的水蒸气量是相关的。p6.刚性容器内湿空气温度保持不变而充入干空气，问容器内湿空气的 ?、 d、 v如何变化？p答：?减小，d减小，v减小。7.若封闭汽缸内的湿空气定压升温，问湿空气的 ?、 d、 h如何变化？答：?减小，d不变，h变大。第十四章 化学热力学基础1.在物理的热力变化过程中，如果有两个独立的状态多数各保持本变则过程就不可能进行在进行化学反应的物系中受此限制否?答：不受此限制。对于物理的热力变化过程，两个独立的状态参数确定工质的状态。所以两个独立的状态参数保持不变，过程就不能进行。而化学反应的物系中，还有物质成分或浓度的变化，其平衡状态往往需要两个以上的独立参数。所以不受此限制。2.为什么氢的热值须分高热值与低热值，而碳的热值却不必分高低？答：氢作为燃料燃烧时，反应物可能是气态也可能是液态，所以有高热值低热值之分，其差之为潜热。而碳作为燃料其反应物只能是气态。所以只有一个热值。3.化学反应实际上都有正向反应与逆向反应在同时进行，这样的反应是否就是可逆反应？怎样的反应才是可逆反应?20答：一切含有化学反应的实际过程都是不可逆的。并不是能够逆向进行就是可逆过程。如果在完成某含有化学反应的过程后，当使过程沿相反方向进行时，能够使物系和外界完全恢复到原来状态，不留下任何变化，这样的理想过程是可逆过程。4.为什么计算水蒸气的过程和循环时，水和水蒸气的熵值可以采用所规定的相对值，而计算化学反应物系的熵值时，物系中各物质的熵值则必须采用熵的绝对值？答：在计算水蒸气的过程和循环时，物系中物质的成分不发生变化，所以对于物系中各物质，可以任意规定计算上的起点和基准点。但是在有化学反应的过程中，物质成分发生改变，必须使用熵的绝对值。21
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