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1、工程热力学课后思考题答案第四版 沈维道 童钧耕 主编 高等教育出版社30 页思考题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
2、对压力计算公式p=pb+pg (p pb), p= pb -pv (p0所以，q 1-2-3 q1-4-3，证毕。7 题图p2 31 4O v图 4-179如图 4-18 所示，今有两个任意过程 ab 及 ac，b 点及 c 点在同一条绝热线上， (1) 试问u ab与u ac 哪个大？(2) 若 b 点及 c 点在同一条定温线上，结果又如何？依题意，T bTc，所以u abuac。若 b 点及 c点在同一条定温线上，则u ab=uac。10理想气体定温过程的膨胀功等于技术功能否推广到任意气体？从热力学第一定律的第一表达式和第二表达式来看，膨胀功和技术功分别等于 w=qu 和wt=qh，非理想
3、气体的 u 和h 不一定等于零，也不可能相等，所以理想气体定温过程的膨胀功等于技术功不能推广到任意气体。11下列三式的使用条件是什么？p2v2k=p1v1k，T 1v1k-1=T2v2k-1，T 1 =T2kpk1使用条件是：理想气体，可逆绝热过程。12Ts 图上如何表示绝热过程的技术功 wt 和膨胀功 w？p bTbTca cO v图 4-18 题解p ba cO v图 4-18p=0v=04-13 在 pv 和 Ts 图上如何判断过程q、w、 u、h 的正负。通过过程的起点划等容线（定容线） ，过程指向定容线右侧，系统对外作功，w0；过程指向定容线左侧，系统接收外功，w0；过程指向定压线上
4、侧，系统接收外来技术功，wt0、h0。通过过程的起点划等熵线（定熵线） ，过程指向定熵线右侧，系统吸收热量，q0；过程指向定熵线左侧，系统释放热量，q0 的过程必为不可逆过程。答：（1） 错。不可逆绝热过程熵也会增大。（2） 错，不准确。不可逆放热过程，当放热引起的熵减大于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量大于不可逆耗散所产生的热量时） ，它也可以表现为熵略微减少，但没有可逆放热过程熵减少那么多。（3） 错。不可逆放热过程，当放热引起的熵减等于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时） ，它也可以表现为熵没有发生变化。（4）错。可逆吸热过程熵增大。（5）错。理由如上。可以说：
5、“使孤立系统熵增大的过程必为不可逆过程。 ”（6）对。5-9 下述说法是否有错误：（1）不可逆过程的熵变S 无法计算；（2）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S 不可逆 S 可逆 ，S f，不可逆 Sf，可逆 ，S g，不可逆 Sg，可逆 ；（3）不可逆绝热膨胀终态熵大于初态熵 S2S1，不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵S2Sg，可逆 。因为熵是状态参数，同一初始状态和同一终了状态之间的熵差保持同一数值，与路径无关。（3）错。不可逆绝热压缩过程的终态熵也大于初态熵，S 2S1。（4）错。 ，因为熵是状态参数。0ds5-10 从点 a 开始有两个可逆过程：定容过程 a
6、b 和定压过程 ac，b、c 两点在同一条绝热线上（见图 534） ，问 qab 和 qac 哪个大？并在 Ts 图上表示过程 ab 和 ac 及 qab 和 qac。答：可逆定容过程 a-b 和可逆定压过程 a-c 的逆过程 c-a 以及可逆绝热线即定熵线上过程 b-c 构成一可逆循环，它们围成的面积代表了对外作功量，过程 a-b 吸热，过程 c-a 放热，根据热力学第一定律，必然有q a-bqc-a，才能对外输出净功。也就是，q a-bqa-c。图中，q a-b 为 absbsaa 围成的面积，q a-c 为 acsbsaa 围成的面积。5-11 某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不可
7、逆绝热压缩两种过程，将气体压缩到相同的终压，在 pv 图上和 Ts 图上画出两过程，并在 Ts 图上示出两过程的技术功及不可逆过程的 火 用 损失。sbsacTsba10 题图pba c0 v图 534答：见图。5-12 孤立系统中进行了（1）可逆过程；（2）不可逆过程，问孤立系统的总能、总熵、总 火 用 各如何变化？答：（1）孤立系统中进行了可逆过程后，总能、总熵、总 火 用 都不变。（2）孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变，总熵、总 火 用 都发生变化。5-13 例 512 中氮气由 0.45MPa、310K 可逆定温膨胀变化到 0.11MPa、310K，w 12，max =w=129
8、.71 kJ/kg，但根据最大有用功的概念，膨胀功减去排斥大气功（无用功）才等于有用功，这里是否有矛盾？答：没有矛盾。5-14 下列命题是否正确？若正确，说明理由；若错误，请改正。（1）成熟的苹果从树枝上掉下，通过与大气、地面的摩擦、碰撞，苹果的势能转变为环境介质的热力学能， 势能全部是 火 用 ，全部转变为 火 无 。（2）在水壶中烧水，必有热量散发到环境大气中，这就是 火 无 ，而使水升温的那部分称之为 火 用 。vs2s1p1sTp2T1不可逆可逆11 题图T1p1pp2不可逆可逆（3）一杯热水含有一定的热量 火 用 ，冷却到环境温度，这时的热量就已没有 火 用 值。（4）系统的 火 用
9、 只能减少不能增加。（5）任一使系统 火 用 增加的过程必然同时发生一个或多个使 火 用 减少的过程。5-15 闭口系统绝热过程中，系统由初态 1 变化到终态 2，则 w=u1u2。考虑排斥大气作功，有用功为 wu= u1u2p0(v1v2)，但据 火 用 的概念系统由初态 1 变化到终态 2 可以得到的最大有用功即为热力学能 火 用 差：w u,max=ex,U1exU2= u1u2T0(s1s2)p0(v1v2)。为什么系统由初态 1 可逆变化到终态 2 得到的最大有用功反而小于系统由初态 1 不可逆变化到终态 2 得到的有用功小？两者为什么不一致？P1705-1 t= =11.72615
10、.268.930721TQ2= 2.5104=22867.99kJ/h.1tN=W/95%=Q1/(0.95t)=2.5104/(0.9511.726)=2244.23kJ/h=0.623kWN 电炉 = Q1=2.5104kJ/h= 6.944kW5-2 不采用回热p2=p1=0.1MPa, T4=T1=300K, T3=T2=1000K, q23=400kJ/kg, q12=cp(T2-T1)=1.004(1000-300)=702.8kJ/kgq34=cp(T4-T3)=1.004(300-1000)=-702.8kJ/kgq23=RT2ln(p2/p3), q41=RT1ln(p4/p
11、1)=RT1ln(p3/p2)= -RT1ln(p2/p3) q41=-T1 q23/T2= -300400/1000=-120kJ/kgt=1-q41+q34/ (q12+q23) =1-702.8-120/ (702.8+400) = 0.2539采用极限回热，过程 34 放热回热给过程12，q 34q12r=1-q41/q23) =1-120/400=0.705-3 如图所示，如果两条绝热线可以相交，则令绝热线 s1、s 2 交于 a 点，过 b、c两点作等压线分别与绝热线 s1、s 2 交于 b、c 点。于是，过程 bc、ca、ab组成一闭合循环回路，沿此回路可进行一可逆循环，其中过程
12、 ca、ab 均为可逆绝热过程，只有定压过程 bc 为吸热过程，而循环回路围成的面积就是对外净输出功。显然，这构成了从单一热源吸热并将之全部转变为机械能的热力发动机循环，是违反热力学第二定律的。5-4 (1) p1=p2 =27.95MPa14.1305.kT(2) 见图。(3) q31=cp(T1-T3)= R(T1-T2), q23= kRT2ln(p2/p3)= RT2ln(p2/p1)t=1-cbapv5-3 题图s2s1 5-4 题图3 2sT 130154.9.27ln1ln22312 TRkpq=0.59765-5 (1) QH=Wnet=tQ1=3.50.40100=140kJ
13、(2) c=1- , 71.02910Tc= =5.14290360THQH,c=cWnet,c=ccQ1=5.140.71100=365.14kJ(3) 此复合系统虽未消耗机械功，但由高温热源放出热量 Q1 作为代价，使得部分热量从低温热源 T0 传到较高温热源 TH，因此并不违背热力学第二定律。5-6 c=1- =0.852031T(1)W=cQ1=0.851=0.85kJ，可能作出的最大功为 0.85kJ，所以这种情形是不可能实现的。(2)W=cQ1=0.852=1.70kJ，Q 2=Q1-W=2-1.70=0.30kJ，所以这种情形有实现的可能（如果自然界存在可逆过程的话） ，而且是可
14、逆循环。(3)Q1, c=Wnet/c=1.5/0.85= 1.765kJ， Q1=Wnet+Q2=1.5+0.5=2.0kJQ1, c, 此循环可以实现，且耗热比可逆循环要多，所以是不可逆循环。235 页思考题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理想气体处理？答：差异产生的原因就是理想气体忽略了分子体积与分子间作用力。当 p0 时，实际气体成为理想气体。实际情况是当实际气体距离其液态较远时，分子体积与分子间作用力的影响很小，可以把实际气体当作理想气体处理。2. 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：由于分子体积和分子间
15、作用力的影响，实际气体的体积与同样状态下的理想气体相比，发生了变化。变化的比例就是压缩因子。Z 不能当作常数处理。3. 范德瓦尔方程的精度不高，但是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：范德瓦尔方程是第一个实际气体状态方程，在各种实际气体状态方程中它的形式最简单；它较好地定性地描述了实际气体的基本特征；其它半理论半经验的状态方程都是沿范德瓦尔方程前进的。4. 范德瓦尔方程中的物性常数 a 和 b 可以由实验数据拟合得到，也可以由物质的 Tcr、p cr、v cr计算得到，需要较高的精度时应采用哪种方法，为什么？答：实验数据来自于实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子误差较大，所以由试验数据拟合得到的接近于实际。5. 如何看待维里方程？一定条件下维里系数可以通过理论计算，为什么维里方程没有得到广泛应用？答：维里方程具有坚实的理论基础，各个维里系数具有明确的物理意义，并且原则上都可以通过理论计算。但是第四维里系数以上的高级维里系数很难计算，三项以内的维里方程已在
