工程热力学思考题答案Word文档下载推荐.doc
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准静态过程是指系统状态改变的不平衡势差无限小,以致于该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态。
准静态过程允许系统状态发生变化,但是要求状态变化的每一步,系统都要处在平衡状态。
6.准静态过程的概念为什么不能完全表达可逆过程的概念?
可逆过程的充分必要条件为:
1、过程进行中,系统内部以及系统与外界之间不存在不平衡势差,或过程应为准静态的;
2、过程中不存在耗散效应。
即“无耗散”的准静态过程才是可逆过程,因此准静态过程的概念不能完全表达可逆过程的概念。
7.有人说,不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程,这种说法对吗?
不对。
系统经历不可逆过程后是可以恢复到起始状态的,只不过系统恢复到起始状态后,外界却无法同时恢复到起始状态,即外界的状态必将发生变化。
8.,可以用于不可逆过程么?
为什么?
计算得到的是准静态过程的容积变化功,因此仅适用于准静态过程或可逆过程;
对于非准静态过程,其过程曲线无法在P-V图上表达,因此也就无法用上面的公式进行计算。
仅用于可逆过程:
根据熵的定义式:
,对于可逆过程,计算出的是传热量,此时仅表示熵流;
对于不可逆过程,熵的变化不仅包括熵流,还包括熵产,即,因此中的不仅包括由于传热产生的熵流,还包括由于不可逆导致的熵产,因此上式不适用于不可逆过程,例如绝热过程,系统由于经历了不可逆过程,熵增,但此时传热量为零。
第二章思考题参考答案
1.工质膨胀时是否必须对工质加热?
工质边膨胀边放热可能否?
工质边被压缩边吸入热量可以否?
工质吸热后内能一定增加?
对工质加热,其温度反而降低,有否可能?
由闭口系统热力学第一定律关系式:
规定吸热,对外做功。
(1)不一定;
工质膨胀对外做功,,由于可以使,因此可能出现,即对外放热;
(2)能,如
(1)中所示;
(3)能;
工质被压缩,对内做功,,由于可以使,因此可能出现,即吸入热量;
(4)不一定;
工质吸热,,由于可以使,即工质对外做功,因此可能出现,即工质内能减小;
(5)可能;
对工质加热,,由于可以使,即工质对外做功,因此可能出现,对于理想气体,其内能仅为温度的单值函数,因此对于理想气体来说温度可能降低。
2.一绝热刚体容器,用隔板分成两个部分,左边贮有高压气体,右边为真空。
抽去隔板时,气体立即充满整个容器。
问工质内能、温度将如何变化?
如该刚体容器为绝对导热的,则工质内能、温度又如何变化?
对于绝热刚体容器,以高压气体为对象:
容器绝热:
;
且右边为真空,高压气体没有对外做功对象,即自由膨胀,有。
由闭口系统热力学第一定律:
,工质的内能不发生变化,如果工质为理想气体,那么其温度也不发生变化。
如果该刚体容器为绝对导热,那么初始状态下容器内工质与外界环境等温,而自由膨胀过程终了时容器内工质仍旧与外界环境等温。
当外界环境温度不发生变化时,容器内工质温度在整个自由膨胀过程中温度不变。
仍取工质为研究对象,由于工质与外界有热交换,这里工质温度高于环境温度,即对外放热,,且自由膨胀,由闭口系统热力学第一定律,有。
该工质一定为非理想气体,其势能变小。
3.图2-9中,过程1-2与过程1-a-2有相同的初、终点,试比较:
与,与,与
根据图2-9,由于是p-v图,因此有:
0〈〈(对外做功);
=;
由闭口系统热力学第一定律,,有0〈〈(吸热)。
4.推进功与过程有无关系?
推进功是因工质出、入开口系统而传递的功。
推进功是工质在流动中向前方传递的功,并且只有在工质的流动过程中才出现。
当系统出口处工质状态为(,)时,1kg工质流出系统,系统所需要做出的推进功为。
推进功的大小仅与选取出口处的压力和比容数值的乘积有关,因此是状态参数,且为广延参数。
5.你认为“任何没有体积变化的过程就一定不对外做功”的说法是否正确?
错误。
体积变化仅产生容积变化功。
除了容积变化功外,还有电功、推进功等等,这些功不需要体积发生变化。
6.说明下述说法是否正确:
(1)气体膨胀时一定对外做功。
(2)气体压缩时一定消耗外功。
对“功”的理解,功可以分为有用功和无用功,有用功是指有目的且产生有用效果的功。
(1)气体膨胀时不一定对外做功,如气体的自由膨胀,由于气体没有做功对象,因此气体对外做功为零;
(2)不一定。
当热气体冷却时,如果外界大气做的功为有用功,则(2)成立,但是如果外界大气做的功为无用功,则(2)不成立。
7.下列各式是否正确:
(1)
(2)
(3)
各式的适用条件是什么?
三个式子都针对1kg工质。
(1)式是针对闭口系的能量方程,且忽略闭口系的位能和动能变化,为闭口系统与外界交换的净功。
(2)式是针对简单可压缩系统准静态过程(或可逆过程)的能量方程,为系统与外界交换的容积变化功。
(3)式是针对技术功为零的稳定流动能量方程,即,且。
8.试写出表2-1内所列四种过程的各种功计算式。
过程种类
液体的流动过程()
气体的定压流动过程
()
液体的定压流动过程
(,)
低压气体的定温流动过程()
注:
低压气体可以认为是理想气体,且内能仅为温度的单值函数。
计算依据:
(1)
(2)
(3)
(4)
空气经过绝热节流过程,压力确实下降,但温度不变:
因为绝热节流过程为一个等焓过程,而空气可视为理想气体,理想气体的焓为温度的单值函数,因此温度不变。
但对于非理想气体和一般液体,经过绝热节流过程,虽然焓不变,但温度和压力都要发生变化,压力减小,但温度可能升高、不变或者降低。
第三章思考题参考答案
1.容积为1m3的容器中充满氮气N2,其温度为20℃,表压力为1000mmHg,为了确定其质量,不同人分别采用了以下几种计算式得出了结果,请判断它们是否正确?
若有错误请改正。
(1)
错误:
1)不应直接用表压计算,应先转化为绝对压力;
2)压力应转换为以Pa为单位,1mmHg=133.3Pa;
3)Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa*m3=J;
4)温度的单位应该用K。
(2)
2)Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa*m3=J
(3)
1)1at=1kgf/cm2=9.80665E04Pa≠1atm,因此这里计算绝对压力时,大气压力取错;
2)Rm应该用8314J/kmol*K,因为Pa*m3=J;
(4)
1)相对压力单位为工程大气压(at),与标准大气压(atm)不同;
2)气体常数Rm应该用8314J/kmol*K。
正确结果:
2.695kg
2.理想气体的cp与cv之差及cp与cv之比是否在任何温度下都等于一个常数?
根据定压比热容和定容比热容的定义,以及理想气体状态方程可以推导出,(见课本79页)。
可见,两者之差为常数。
同时,定义
对于理想气体,当不考虑分子内部的振动时,内能与温度成线性关系,从而根据摩尔定压和定温热容的定义,推导出摩尔定压和定温热容均为定值。
但通常只有在温度不太高,温度范围比较窄,且计算精度要求不高的情况下,或者为了分析问题方便,才将摩尔热容近似看作定值。
实际上理想气体热容并非定值,而是温度的单值函数,因此两者之比在较宽的温度范围内是随温度变化的,不是一个常数。
3.知道两个独立参数可确定气体的状态。
例如已知压力和比容就可确定内能和焓。
但理想气体的内能和焓只决定于温度,与压力,比容无关,前后有否矛盾,如何理解?
不矛盾。
理想气体内能和焓只决定于温度,这是由于理想气体本身假设决定的。
对于理想气体模型,假设其分子之间没有相互作用力,也就不存在分子之间的内位能。
再结合理想气体方程,则有:
因此,理想气体的内能和焓只决定于温度,而与压力、比容无关。
4.热力学第一定律的数学表达式可写成:
(1)
(2)
两者有何不同。
(1)式为闭口系统热力学第一定律方程,是普适式;
(2)式适用的范围为:
1)对象理想气体,内能为温度的单质函数;
2)系统经历准静态过程,只做容积变化功。
5.如果比热容c是温度t的单调递增函数,当时,平均比热容、、中哪一个最大?
哪一个最小?
由于比热容c是温度t的单调递增函数,且由平均比热容的定义:
由作图法可以清楚地看出,最小,最大。
6.如果某种工质的状态方程遵循,这种物质的比热容一定是常数吗?
这种物质的比热容仅仅是温度的函数么?
这种物质的比热不一定是常数,至少应该是温度的函数。
对于理想气体,仅仅对于定压和定容过程的比热容才是温度的单值函数,且为状态量。
而这里所指的比热容并不是在以上特定过程下的比热容,因此仅可以表示成为:
。
可见,这里所指的比热容是由两个参数决定的,且是与过程有关的量。
7.理想气体的内能和焓为零的起点是以它的压力值、还是以它的温度值、还是压力和温度一起来规定的?
由于理想气体的内能和焓仅为温度的单值函数,与压力无关,因此理想气体的内能和焓为零的起点是以它的温度值(热力学温度值)来规定的。
8.若已知空气的平均摩尔定压热容公式为,现在确定80℃--200℃之间的平均摩尔定压热容,有人认为,但有人认为,你认为哪个正确?
第一个是正确的。
由平均摩尔定压热容的定义:
当:
在平均摩尔定压热容的表达式形式比较特殊的情况下,可以得到一些非常简便的求解过程。
9.有人从熵和热量的定义式
(1),
(2),以及理想气体比热容c是温度的单值函数等条件出发,导得,于是他认为理想气体的熵应是温度的单值函数。
判断是否正确?
是不正确的。
因为得到结论的条件中有错误,理想气体的比热容不是温度的单值函数。
对于理想气体,只有定容和定压比热容才是温度的单值函数。
同时,的表述有问题,因为,因此得到的不仅是可逆过程的换热量,而是任意过程的换热量。
因此将
(2)代入
(1)中是不正确的。
10.在u-v图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程,可逆定压加热过程,可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。
11.试求在定压过程中加给空气的热量有多少是利用来作功的?
有多少是来改变内能?
由热一率,对定压过程,技术功为零,则,可得,
12.将满足下列要求的多边过程表示在p-v图和T-s图上(工质为空气):
(1)工质又升压、又升温,又放热;
(2)工质又膨胀、又降温,又放热;
(3)n=1.6的膨胀过程,判断q,w,Du的正负;
(4)n=1.3的压缩过程,判断q,w,Du的正负;
13.对于定温压缩的压缩机,是否需要采用多级压缩?
问什么?
对于定温压缩的压缩机,不需要采用多级压缩了。
因为采用多级压缩,就是为了改善绝热或多边压缩过程,使其尽量趋紧与定温压缩,一方面减少功耗,另一方面降低压缩终了气体的温度。
对于定温压缩来说,压气机的耗功最省,压缩终了的气体温度最低。
14.在T-s图上,如何将理想气体任意两状态间的内能变化和焓的变化表示出来。
解题思路:
T-s图中容易直接表示的是热(量),因此应考虑将其他量的变化转化为相应过程热量的值。
根据热力学第一定律:
,且对理想气体,,则对定容过程,。
在T-s图中,过状态点1作一定容线,与状态2的定温线交与A,则定容过程1A下的面积即为,对理想气体内能仅与温度有关,即。
因此任意两状态间的内能变化可用T-s图中定容过程1A下的面积表示。
同理,任意两状态间的内能变化可用T-s图中定压过程1B下的面积表示。
15.有人认为理想气体组成的闭口系统吸热后,温度必定增加,你的看法如何?
在这种情况下,你认为那一种状态参数必定增加?
根据闭口系统能量方程,,系统吸热,在保持内能不变的情况下,系统可以对外做功。
对于理想气体,内能仅为温度的单值函数,因此在这种情况下温度不变。
当系统吸热时,甚至温度可以降低,分析方法同前。
在这种情况下,系统的熵必定增加。
因为有热量传入系统,就意味着熵流大于零,即使对于可逆过程,熵产为零,系统的熵也会增大。
第四章思考题参考答案
1.若将热力学第二定律表述为“机械能可以全部变为热能,而热能不可能全部变为机械能”,有何不妥?
有两点不妥:
1)热能是可以全部变为机械能的,例如理想气体的等温过程;
但应该注意的是,热能不可能连续不断地转化为机械能;
2)没有提到热能和机械能之间的转化过程是否对产生了其它影响,不是说热不能完全变成功,而是在“不引起其它变化”的条件下,热不能完全变成功。
例如理想气体等温过程,引起了“其它变化”,即气体的体积变大。
2.“循环功越大,则热效率越高”;
“可逆循环热效率都相等”;
“不可逆循环效率一定小于可逆循环效率”。
这些结论是否正确?
1)描述不准确,只有从温度相同的恒温热源中吸相同热量的情况下,才可以比较热效率大小。
如果满足前提条件,则循环功越大,热效率越高。
2)描述不准确,只有工作在具有相同温度的两个高、低温恒温热源间的可逆热机,其循环热效率才相等。
3)描述不准确,只有工作在具有相同温度的两个高、低温恒温热源间的可逆或不可逆热机才可以比较循环效率,否则将失去可比性。
3.循环热效率公式
(1)和
(2)有何区别?
各适用什么场合?
(1)和
(2)都是用于计算卡诺热机效率的公式,区别在于适用范围不同:
式
(1)适用于计算一般热机的效率;
式
(2)仅适用于计算卡诺可逆热机的效率。
4.理想气体定温膨胀过程中吸收的热量可以全部转换为功,这是否违反热力学第二定律?
理想气体定温膨胀过程中吸收的热量可以全部转换为功,这个过程不违反热力学第二定律。
因为在上述过程中,气体的体积变大,也就是说这个热量全部转换为功的过程引起了其它变化,所以不违反热力学第二定律。
同时,理想气体定温膨胀过程仅仅是一个单独的过程,而不是一个循环,这就意味着这个过程不能连续不断地将热量全部转换为功,因此从这个角度来讲上述过程也不违反热力学第二定律。
5.下述说法是否正确,为什么?
(1)熵增大的过程为不可逆过程;
错误,熵增可能有两种可能:
熵流和熵产。
对于可逆过程,虽然熵产为零,但如果有吸热过程,则熵流大于零,导致熵增。
(2)不可逆过程无法计算;
熵为状态参数,只要知道不可逆过程前后足够的状态参数,就可以计算出过程的。
(3)若从某一初态经可逆与不可逆两条途径到达同一终态,则不可逆途径的必大于可逆过程途径的;
由于熵为状态参数,由于可逆过程和不可逆过程的初、终态相同,因此两个过程的相同。
(4)工质经不可逆循环,;
由于熵是状态参数,工质经不可逆循环,从初态又回到初态,因此。
(5)工质经不可逆循环,由于,所以;
对于工质经不可逆循环,,且有
(6)可逆绝热过程为定熵过程,定熵过程就是可逆绝热过程;
可逆绝热过程为定熵过程,但定熵过程不一定是可逆绝热过程。
例如:
对于任意一个循环,其,但是这个循环可能包含不可逆过程。
(7)自然界的过程都是朝着熵增大的方向进行,因此熵减小过程是不可能实现的。
自然界中所有的自发过程都是朝着熵增大的方向进行的,例如热量从高温传向低温。
熵减小的过程在人为作用下是可以实现的,例如人为地对系统输入有用功,例如制冷循环,输入电功使得热量从低温传向高温的过程。
(8)加热过程,熵一定增大;
放热过程,熵一定减小。
熵的变化可以由两个因素导致:
传热过程导致的熵流和不可逆过程导致的熵产。
分可逆和不可逆两个过程考虑:
1)可逆:
对于加热过程,熵产为零,但由于系统吸热,熵流大于零,因此熵一定增大;
对于放热过程,虽然系统放热,熵流为负,
2)不可逆过程:
由于熵产大于零,因此不能肯定熵一定减小。
6.若工质从同一初态经历可逆过程和不可逆过程,若热源条件相同且两过程中吸热量相同,工质终态熵是否相同?
工质终态熵不相同。
虽然两个过程热源条件相同且过程中吸热量相同,即熵流相同,但是由于不可逆过程的熵产要大于可逆过程的熵产(可逆过程熵产为零),且工质初态相同,即两个过程工质初始的熵值相同,因此不可逆过程工质终态的熵要大于可逆过程终态的熵。
7.若工质从同一初态出发,分别经可逆绝热过程与不可逆绝热过程到达相同的终压,两过程终态熵如何?
从T-S图上可以看出,从同一初态出发,达到相同的终压(注意仅为相同终压,不是相同状态):
1)对于可逆绝热过程,熵增为零,
2)对于不可逆绝热过程,熵流为零,熵产大于零,因此熵要增大。
由于工质从同一个初态出发,因此不可逆绝热过程终态的熵要大于可逆绝热过程终态的熵。
8.闭口系统经历一个不可逆过程,作功15kJ,放热5kJ,系统熵变为正、为负或不能确定?
不能确定。
对于闭口系统,系统熵的变化仅取决于两个因素:
与外界传热引起的熵流和不可逆过程引起的熵产。
已知系统对外放热,则熵流为负,但是由于不能确定过程不可逆的程度,即不能定量计算出该不可逆过程的熵产,因此不能确定系统的熵变。
第五章思考题参考答案
1.活塞式内燃机的平均吸热温度相当高,为什么循环热效率还不是很好?
是否因平均放热温度太高所致?
活塞式内燃机主要有萨巴德循环(混合加热循环)、奥图(Otto)循环以及狄塞尔(Diesel)循环。
对于活塞式内燃机,虽然平均吸热温度相当高,但平均放热温度也较高,即平均吸热温度和平均放热温度之间的差值较小,是导致该循环热效率不高的一个原因。
同时,由于受气缸材料和混合气体自燃温度的限制,压缩比不能很高,因此循环热效率有限。
2.如图5-23所示, 若把3-4绝热膨胀过程持续到,然后实现定压放热过程,这样在奥图循环基础上作了改善之后的新循环,是否可以通过降低平均放热温度而提高循环效率?
若可以,为何实际上没有这种发动机。
T
s
p
v
3
2
4
1
5
1
图5-23
在T-S图上可以看出,当气缸中绝热膨胀过程持续到,然后实现定压放热过程,确实可以降低平均放热温度,从而提高循环效率。
但实际上没有这种发动机,因为这种做法在经济上并不值得:
a、放热平均温度降低量有限,通过这种方法减小的排气损失量较小。
b、要将绝热膨胀持续到,就要增大气缸容积,增加制造成本。
3.为什么内燃机一般具有体积小、单位质量功率大的特点?
由于在内燃机循环过程中,循环工质是在封闭的有限空间内燃烧取得热量的;
在做功设备入口处,工质的温度和压力水平较外燃机(如朗肯循环)高(即做功能力大),因此内燃机体积小,单位质量功率大。
4.既然压缩过程需要消耗功,为什么内燃机或燃气轮机装置在燃烧过程前要有压缩过程?
对于内燃机或燃气轮机,都是靠高温高压的气体工质推动活塞或叶轮机械来对外做功的(即膨胀降压过程)。
为了连续地输出有用功,就必须连续地产生高温高压的气体工质,因此在燃烧过程前要进行压缩过程,主要目的是提高气体工质的压力,同时工质温度也有所提高。
5.在相同压缩比的情况下,奥图循环与卡诺循环有相同的热效率(表达式形式),这是否意味着这种情况下奥图循环达到了卡诺循环的理想水平。
否。
奥图循环的吸放热过程为定容过程,是一个变温过程;
而卡诺循环的吸、放热过程为定温过程。
在相同的压缩比下,奥图循环与卡诺循环有虽有形式相同的热效率表达式,但奥图循环的吸、放热温限不同于卡诺循环(对于奥图循环,热效率公式中代入的应是平均吸、放热温度,而不是吸、放热温限),因此不能说明奥图循环达到了卡诺循环的理想水平。
6.勃雷登循环采用回热的条件是什么?
一旦可以采用回热,为什么总会带来循环效率的提高?
4R
2R
2A
勃雷登循环采用回热的条件是:
燃气轮机的排气温度高于压气机出口的空气温度。
一旦采用回热,循环平均吸热温度上升,平均放热温度下降,既平均吸热温度和放热温度的温差加大,则循环效率总会提高。
或解释为:
在做出相同功量的前提下,经回热后,循环从外界吸收的热量减小,从而循环热效率将提高。
7.气体的压缩过程,定温压缩比绝热压缩耗功少。
但在勃雷登循环中,如果不采用回热,气体压缩过程越趋近于定温压缩反而越使循环热效率降低。
这是为什么?
对于勃雷登循环,从T-S图中可以看出,如果不采用回热,当气体越趋近于定温压缩时(12变短),平均吸热温度越低,由,在平均放热温度不变的情况下,循环热效率将会降低。
8.为什么说从能源问题和环境污染问题出发,斯特林发动机又重新引起人们的重视?
A、斯特林循环是概括性的卡诺循环,其理想循环的热效率为同温限卡诺循环的热效率,因此能源利用效率高。
B、斯特林循环不是通过在气缸内燃烧取得热量,而是通过气缸外高温热源取得热量。
这样可采用价廉易得的燃料,也可用太阳能及原子能作为热源,这对于节约能源、减少污染是一种很好的途径。
第六章思考题参考答案
1.有没有500℃的水?
有没有0℃或负摄氏温度的蒸汽?
有没有v>
0.004m3/kg的水?
液
气
固
三相点
临界点
流体
已知水的临界参数为,,。
当水的温度、压力或比容任何一个数值大于
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