完整版清华大学工程热力学思考题答案Word文档格式.docx
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由于表压力和真空度都是相对压力,而只有绝对压力才是工质的压力。
表压力与真空度与绝对压力的关系为:
其中为测量当地的大气压力。
工质的压力不变化,相当于绝对压力不变化,但随着各地的纬度、高度和气候条件的不同,测量当地的大气压值也会不同。
根据上面两个关系式可以看出,虽然绝对压力不变化,但由于测量地点的大气压值不同,当地测量的压力表或真空表的读数也会不同。
5.准静态过程如何处理“平衡状态”又有“状态变化”的矛盾?
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
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