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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,则在不平衡势差作用下,各个部分发生相互作用,系统状态将发生变化。
例如,将一块烧热了铁扔进一盆水中,对于水和该铁块构成系统说来,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:
铁块温度逐渐降低,水温度逐渐升高,最终系统从热不平衡状态过渡到一种新热平衡状态;
⑵若系统原处于平衡状态,则只有在外界作用下(作功或传热)系统状态才会发生变。
⒏ 图1-16a、b所示容器为刚性容器:
⑴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?
⑵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?
⑶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:
⑴;
受刚性容器约束,气体与外界间无任何力作用,气体(系统)不对外界作功;
⑵b情况下系统也与外界无力作用,因此系统不对外界作功;
⑶a中所示情况为气体向真空膨胀(自由膨胀)过程,是典型不可逆过程。
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,气体只作极微小膨胀,因而可认为过程中气体始终处在一种无限接近平衡状态中,即气体经历是一种准静过程,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?
包括系统和外界整个系统能否恢复原来状态?
所谓过程不可逆,是指一并完成该过程逆过程后,系统和它外界不可能同时恢复到他们原来状态,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;
过程是否可逆,还得看与之发生过相互作用所有外界是否也全都回复到了原来状态,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,只是包括系统和外界在内整个系统则一定不能恢复原来状态。
⒑ 系统经历一可逆正向循环与其逆向可逆循环后,系统和外界有什么变化?
若上述正向与逆向循环中有不可逆因素,则系统与外界有什么变化?
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,系统状态都不会有什么变化。
根据可逆概念,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,与之发生相互作用外界也应一一回复到原来状态,不遗留下任何变化;
若循环中存在着不可逆因素,系统完成是不可逆循环时,虽然系统回复到原来状态,但在外界一定会遗留下某种永远无法复原变化。
(注意:
系统完成任何一个循环后都恢复到原来状态,但并没有完成其“逆过程”,因此不存在其外界是否“也恢复到原来状态”问题。
一般说来,系统进行任何一种循环后都必然会在外界产生某种效应,如热变功,制冷等,从而使外界有了变化。
)
⒒ 工质与气缸、活塞组成系统经循环后,系统输出功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功?
不需要。
由于活塞也包含在系统内,既然系统完成是循环过程,从总结果看来活塞并未改变其位置,实际上不存在排斥大气作用。
第2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两部分气体比热力学能如何变化?
答:
⑴定义容器内气体为系统,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
;
容器又是绝热,过程热量
,因此,根据热力学第一定律
,应有
,即容器中气体总热力学能不变,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比热力学能,按其容积比分配气体总热力学能;
若隔板为绝热体,则过程为A对B充气过程,由于A部分气体需对进入B那一部分气体作推进功,充气结果其比热力学能将比原来减少,B部分气体比热力学能则会比原来升高,最终两部分气体压力会达到平衡,但A部分气体温度将比B部分低(见习题4-22)。
⒉热力学第一定律能量方程式是否可写成
形式,为什么?
⑴热力学第一定律基本表达式是:
过程热量=工质热力学能变化+过程功
第一个公式中Pv并非过程功正确表达,因此该式是不成立;
⑵热量和功过程功都是过程函数,并非状态函数,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
和过程功
,因此第二个公式也是不成立。
⒊ .热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式:
分别讨论上述两式适用范围。
第一个公式为热力学第一定律最普遍表达,原则上适用于不作宏观运动一切系统所有过程;
第二个表达式中由于将过程功表达成
,这只是对简单可压缩物质可逆过程才正确,因此该公式仅适用于简单可压缩物质可逆过程。
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?
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、下游流体间这种推挤关系,就会在系统与外界之间形成一种特有推动功(推进功或推出功)相互作用。
反之,闭口系统由于不存在流体宏观流动现象,不存在上游流体推挤下游流体作用,也就没有系统与外间推动功作用,所以在闭口系统能量方程式中不会出现推动功项。
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稳定工况运行能量分析?
为什么?
可以。
就活塞式压气机这种机械一个工作周期而言,其工作过程虽是不连续,但就一段足够长时间而言(机器每一工作周期所占时间相对很短),机器是在不断地进气和排气,因此,对于这种机器稳定工作情况,稳态稳流能量方程是适用。
⒍ .开口系实施稳定流动过程,是否同时满足下列三式:
上述三式中W、Wt和Wi相互关系是什么?
是,同时满足该三个公式。
第一个公式中dU指是流体流过系统时热力学能变化,W是流体流过系统过程中对外所作过程功;
第二个公式中Wt指是系统技术功;
第三个公式中Wi指是流体流过系统时在系统内部对机器所作内部功。
对通常热工装置说来,所谓“内部功”与机器轴功区别在于前者不考虑机器各种机械摩擦,当为可逆机器设备时,两者是相等。
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)总和;
而内部功则是从技术功中扣除了流体流动动能和重力位能增量之后所剩余部分。
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,以与混合式换热器等都有合流问题。
通常合流过程都是绝热。
取1-1、2-2和3-3截面之间空间为控制体积,列出能量方程式,并导出出口截面上焓值h3计算式。
认为合流过程是绝热稳态稳流过程,系统不作轴功,并忽略流体宏观动能和重力位能。
对所定义系统,由式(2-28)
应有能量平衡
第4章理想气体热力过程
1.分析气体热力过程要解决哪些问题?
用什么方法解决?
试以理想气体定温过程为例说明之。
分析气体热力过程要解决问题是:
揭示过程中气体状态(参数)变化规律和能量转换情况,进而找出影响这种转换主要因素。
分析气体热力过程具体方法是:
将气体视同理想气体;
将具体过程视为可逆过程,并突出具体过程主要特征,理想化为某种简单过程;
利用热力学基本原理、状态方程、过程方程,以与热力学状态坐标图进行分析和表示。
对于理想气体定温过程……(从略)
2.对于理想气体任何一种过程,下列两组公式是否都适用:
因为理想气体热力学能和焓为温度单值函数,只要温度变化相同,不论经历任何过程其热力学能和焓变化都会相同,因此,所给第一组公式对理想气体任何过程都是适用;
但是第二组公式是分别由热力学第一定律第一和第二表达式在可逆定容和定压条件下导出,因而仅分别适用于可逆定容或定压过程。
就该组中两个公式前一段而言适用于任何工质,但对两公式后一段所表达关系而言则仅适用于理想气体。
3.在定容过程和定压过程中,气体热量可根据过程中气体比热容乘以温差来计算。
定温过程气体温度不变,在定温膨胀过程中是否需对气体加入热量?
如果加入话应如何计算?
在气体定温膨胀过程中实际上是需要加入热量。
定温过程中气体比热容应为无限大,应而不能以比热容和温度变化乘积来求解,最基本求解关系应是热力学第一定律基本表达式:
q=Δu+w。
4.过程热量q和过程功都是过程量,都和过程途径有关。
由定温过程热量公式
,可见,只要状态参数P1、v1和v2确定了,q数值也确定了,是否q与途径无关?
所说定温过程热量计算公式利用理想气体状态方程、气体可逆过程过程功
,以与过程定温条件获得,因此仅适用于理想气体定温过程。
式中状态1和状态2,都是指定温路径上状态,并非任意状态,这本身就确定无疑地说明热量是过程量,而非与过程路径无关状态量。
5.在闭口热力系定容过程中,外界对系统施以搅拌功δw,问这时δQ=mcvdT是否成立?
不成立。
只是在内部可逆单纯加热过程中(即无不可逆模式功存在时)才可以通过热容与温度变化乘积来计算热量,或者原则地讲,只是在在可逆过程中(不存在以非可逆功模式做功时候)才可以通过上述热量计算公式计算热量。
对工质施以搅拌功时是典型不可逆过程。
6.试说明绝热过程过程功w和技术功wt计算式
是否只限于理想气体?
是否只限于可逆绝热过程?
以上两式仅根据绝热条件即可由热力学第一定律第一表达式
与第二表达式
导出,与何种工质无关,与过程是否可逆无关。
7.试判断下列各种说法是否正确:
(1)定容过程即无膨胀(或压缩)功过程;
(2)绝热过程即定熵过程;
(3)多变过程即任意过程。
①膨胀功(压缩功)都是容积(变化)功,定容过程是一种系统比体积不变,对控制质量或说系统容积不变过程,因此说定容过程即无膨胀(或压缩)功过程是正确;
②绝热过程指是系统不与外界交换热量过程。
系统在过程中不与外界交换热量,这仅表明过程中系统与外界间无伴随热流熵流存在,但若为不可逆过程,由于过程中存在熵产,则系统经历该过程后会因有熵产生而发生熵额外增加,实际上只是可逆绝热过程才是定熵过程,而不可逆绝热过程则为熵增大过程,故此说法不正确;
③多边过程是指遵循方程Pvn=常数(n为某一确定实数)那一类热力过程,这种变化规律虽较具普遍性,但并不包括一切过程,因此说多变过程即任意过程是不正确。
8.参照图4-15,试证明:
q1-2-3≠q1-4-3。
图中1-2、4-3为定容过程,1-4、2-3为定压过程。
由于
其中w1-2、w4-3为定容过程功,等于零;
w2-3、w1-4为定压过程功,等于
。
故
(另一方面,P-v图上过程曲线与横轴v之间所夹面积代表过程功,显见w1-2=w4-3=0;
w2-3>
w4-3,即w1-2-3>
w1-4-3)。
根据热力学第一定律:
对热力学状态参数u,应有
可见
9.如图4-16所示,今有两个任意过程a-b与a-c,其中b、c在同一条绝热线上。
试问Δuab与Δuac哪个大?
若b、c在同一条定温线上,结果又如何?
由于b、c在同一条绝热线上,过程b-c为绝热膨胀过程,由热力学第一定律,有
过程中系统对外作膨胀功,wbc>
0,故有ub>
uc
因此,应有
若b、c在同一条定温线上,根据理想气体热力性质,则有
10.在T-s图上如何表示绝热过程技术功wt和膨胀功w?
根据热力学第一定律,绝热过程技术功wt和过程功w分别应等于过程焓增量和热力学能增量负值,因此,在T-s图上绝热过程技术功wt和膨胀功w表示,实际上就是过程焓增量和热力学能增量表示。
具体方法为:
(见第3章思考题11)
11.在P-v图和T-s图上如何判断过程中q、w、Δu、Δh正负?
当过程曲线分别指向绝热线、定容线、定温线右侧时q、w、Δu、Δh值为正;
反之为负。
第5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?
热力学第二定律正确表述应是:
热不可能全部变为功而不产生其它影响。
所给说法中略去了“其它影响”条件,因而是不妥当、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?
此说法不正确。
自发过程具有方向性,因而必定是不可逆;
非自发过程是在一定补充条件下发生和进行过程,虽然从理论上说来也许可以做到可逆,但事实上实际过程都不可逆,因为不可逆因素总是避免不了。
3.请给“不可逆过程”一个恰当定义。
热力过程中有哪几种不可逆因素?
所谓不可逆过程是指那种系统完成逆向变化回复到原先状态后,与其发生过相互作用外界不能一一回复到原来状态,结果在外界遗留下了某种变化过程。
简单地讲,不可逆过程就是那种客观上会造成某种不可恢复变化过程。
典型不可逆因素有:
机械摩擦、有限温差下传热、电阻、自发化学反应、扩散、混合、物质从一相溶入另一相过程等。
4.试证明热力学第二定律各种说法等效性:
若克劳修斯说法不成立,则开尔文说法也不成立。
证:
热力学第二定律克劳修斯表述是:
热不可能自发地、不付代价地从高温物体传至低温物体。
开尔文表述则为:
不可能从单一热源取热使之全部变为功而不产生其它影响。
按照开尔文说法,遵循热力学第二定律热力发动机其原则性工作系统应有如图4A所示情况。
假设克劳修斯说法可以违背,热量Q2可以自发地不付代价地从地温物体传至高温物体,则应有如图4B所示情况。
在这种情况下,对于所示热机系统当热机完成一个循环时,实际上低温热源既不得到什么,也不失去什么,就如同不存在一样,而高温热源实际上只是放出了热量(Q1Q2),同时,热力发动机则将该热量全部转变为功而不产生其它影响,即热力学第二定律开尔文说法不成立。
5.下述说法是否有错误:
⑴循环净功Wnet愈大则循环热效率愈高;
⑵不可逆循环热效率一定小于可逆循环热效率;
⑶可逆循环热效率都相等,
⑴说法不对。
循环热效率基本定义为:
,循环热效率除与循环净功有关外,尚与循环吸热量Q1大小有关;
⑵说法不对。
根据卡诺定理,只是在“工作于同样温度高温热源和同样温度低温热源间”条件下才能肯定不可逆循环热效率一定小于可逆循环,离开了这一条件结论就不正确;
⑶说法也不正确。
根据卡诺定理也应当是在“工作于同样温度高温热源和同样温度低温热源间”条件下才能肯定所有可逆循环热效率都相等,
,而且与工质性质与关,与循环种类无关。
如果式中温度分别采用各自放热平均温度和吸热平均温度则公式就是正确,即
,不过这种情况下也不能说是“所有可逆循环热效率都相等”,只能说所有可逆循环热效率表达方式相同。
6.循环热效率公式
和
是否完全相同?
各适用于哪些场合?
不完全相同。
前者是循环热效率普遍表达,适用于任何循环;
后者是卡诺循环热效率表达,仅适用于卡诺循环,或同样工作于温度为T1高温热源和温度为T2低温热源间一切可逆循环。
7.与大气温度相同压缩空气可以膨胀作功,这一事实是否违反了热力学第二定律?
不矛盾。
压缩空气虽然与大气有相同温度,但压力较高,与大气不处于相互平衡状态,当压缩空气过渡到与大气相平衡时,过程中利用系统作功能力可以作功,这种作功并非依靠冷却单一热源,而是依靠压缩空气状态变化。
况且,作功过程中压缩空气状态并不依循环过程变化。
8.下述说法是否正确:
.
⑴熵增大过程必定为吸热过程:
⑵熵减小过程必为放热过程;
⑶定熵过程必为可逆绝热过程。
系统熵变来源于熵产和热熵流两个部分,不可逆绝热过程中工质并未从外界吸热,但由于存在熵产工质熵也会因而增大;
⑵说法是对。
系统熵变来源于熵产和热熵流两个部分,其中熵产必定是正值,因而仅当系统放热,热熵流为负值时,系统熵值才可能减小;
⑶这种说法原则上是不对。
系统熵变来源于熵产和热熵流两个部分,其中熵产必定是正值,对于不可逆放热过程,其热熵流为负值,当热熵流在绝对数值上恰好与熵产一样时,过程将成为定熵。
因此:
可逆绝热过程为定熵过程,而定熵过程却不一定是绝热过程。
9.下述说法是否有错误:
⑴熵增大过程必为不可逆过程;
⑵使系统熵增大过程必为不可逆过程;
⑶熵产Sg>
0过程必为不可逆过程;
⑷不可逆过程熵变S无法计算;
⑸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
、
⑹不可逆绝热膨胀终态熵大于初态熵,S2>
S1,不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵S2<
S1;
⑺工质经过不可逆循环有
⑴说法不正确。
系统熵变来源于熵产和热熵流两个部分,其中熵产必定是正值(含零),热熵流则可为正值,亦可为负值。
当系统吸热时热熵流为正值,即便是可逆过程(熵产为零)系统熵也增大;
⑵此说法与⑴是一样。
如果所说“系统”指是孤立系统则说法是正确。
不过实在不应该这样含糊“系统”这一概念!
⑶根据熵产原理,这一说法是正确。
⑷此说法完全错误。
熵是状态参数,只要过程初、终状态确定了,系统熵变就完全确定,与过程无关。
因此,不可逆过程熵变计算方法之一便是借助同样初、终状态可逆过程来进行计算。
至于利用熵一般关系式进行熵变计算,它们根本就与过程无关。
⑸根据熵为状态参数知,两种过程端点状态相同时应有相同熵变,认为
是错误;
不可逆过程将有熵产生,而可逆过程则不会产生熵,因此说
是正确;
熵是状态参数,过程端点状态相同时应有相同熵变,由系统熵方程
,过程可逆时
不可逆时
,式中
,可见应有
,而不是
⑹此说法不对。
根据熵产原理,系统经历不可逆绝热过程后,无论是膨胀或受压缩,其熵都将增大。
⑺由熵为状态参数知,工质经过循环过程后其熵应不变,所以认为
是不正确;
根据克劳修斯不等式知,
是正确。
10.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(见图5-33),问qa-b和qa-c哪个大?
并在T-s图上表示过程a-b、a-c与qa-b、qa-c。
(提示:
可根据循环a-b-c-a考虑。
根据循环a-b-c-a情况应是正循环,即循环吸热量应大于循环放热量(指绝对值)。
其中qa-b为循环吸热量,qc-a为循环放热量,由此,知qa-b>
qa-c
在T-s图上
qa-b大小如面积abcsbsaa所示;
qa-c大小如面积acsbsaa所示;
11.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某种理想气体压缩到相同终压,在P-v图和T-s图上画出两过程,并在T-s图上示出两过程技术功与不可逆过程火用损失。
作图如下
图中12s为可逆绝热压缩;
12为不可逆绝热压缩。
T1=T1
面积12ss1s11为可逆绝热压缩消耗技术功;
面积12s2s11为不可逆绝热压缩消耗技术功。
T0为环境温度,带阴影线部分面积为不可逆过程火用损失。
12.立系统中进行了⑴可逆过程;
⑵不可逆过程。
问孤立系统总能、总熵、总火用各自如何变化?
经历可逆过程后,孤立系统总能、总熵、总火用均不改变;
经历不可逆过程后,孤立系统总能将保持不变,总熵将增加,总火用将减少。
一、1.水蒸气定压发生过程在P-V和T-S图上所表示特征归纳为一点:
临界点,二线:
饱和水线饱和蒸汽线;
三区:
未饱和水,湿饱和蒸汽,过饱和蒸汽。
2.孤立系统中进行可逆变化时系统总熵不变,进行不可逆变化时总熵必增大。
3.如果势力系处于不平衡状态下,则不能在状态图上标示。
4.组成制冷系统四大设备是换热器、压缩机、膨胀机、冷却器。
5.在最高温度与最低温度相同所有循环中以卡诺循环热效率最高。
6.湿空气含水蒸气和干空气两种成分。
7.
运用于闭口系统,理想和实际气体,可逆和不可逆过程。
8.将相同质量氢气和氧气分别储存在相同容器内,二容器温度相等,两者压力为氢气压力>
氧气压力。
9.朗肯循环由两个等压和两个绝热过程构成。
10.理想气体焓是温度单值函数。
11.水蒸气定压加热过程水加热生成过热蒸汽经五种变化,即过冷水,饱和水,湿饱和蒸汽,干饱和蒸汽,过热蒸汽。
12.在T-S图中任意逆过程吸热小于放热
13.定量某种气体经历某种过程不可能发生是吸热降温对外做负功
14.同一地区阴雨天大气压力比晴天压力高
15.可逆过程一定是准静态过程。
16.水蒸气定压气化过程温度不变
17.卡诺循环由两个等温过程和两个等熵过程组成。
18.经一个不等温传热热量可用能减小,废热增大。
19.经过一个不可逆过程,工质可以恢复原来状态
20.缩放管进口参数P1下和背压p一定时,在渐扩管切去一段,则出口面积减小这出口速度c减小,流量Q不变。
21.理想气体可逆定温过程焓不变。
22.不可逆过程熵产必定大于零。
23.工质经历一个不可
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