第三版工程热力学课后思考题答案

第三版工程热力学课后思考题答案内容摘要：

度较低，故即使实现卡诺循环其热效率也不高。 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。 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 114 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       111 11 jN k kjNk kj  能量守恒方程为     39。 01139。 1,010 11 jjN k kjjNk kjj hhh     解得第 j 级抽气量为 39。 1,0039。 1,039。 011   jjjjjNk kj hhhh 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    39。 1,039。 039。 00  jjjjj hhhh 39。 0039。 1,039。 0jjjjj hh hh   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。 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。 乏气向冷取水排热就是这样一个补充条件，是不可缺少的。 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 18002300K，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。 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，使该循环向思考题 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。 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。 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。 第十二章 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。 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。 答：过程 48 熵减，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 )。 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 Ts 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。 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。 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 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，所以容易感。 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。 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 0176。 C 以下，则多余的水汽就在物体表面上凝华为冰晶，形成霜。 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。 答：含湿量 d： 1 千克干空气所带有的的水蒸汽的质量。 相对湿度是湿空气中实际包含的水蒸汽量与同温度下最多能包含的水蒸汽量的百分比。 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汽量是相关的。 答：  减小， d 减小， vp 减小 思考题 答 ：  减小， d 不变， h 变大 第一章 答：不一定。 稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。 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。 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。 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。 答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。 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。 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化的原因。 答：（ 1）第一种情况如图 11（ a） ,不作功（ 2）第二种情况如图 11（ b） ,作功（ 3）第一种情况为不可逆过程不可以在 pv 图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在 pv 图上表示出来。 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。 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。 1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。 第二章 答：将隔板抽去，根据热力学第一定律 wuq  其中 0,0  wq 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 iffcv WmgzchmgzchdEQ    112 11222 22 22 只有流体的流入没有流出， 0,0  iWQ  ，忽略动能、势能 111111mhUmhdUmhdECV B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 U。 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 pvuq  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   121212 wwuuqq  ，功和热量不是状态参数所以不能写成该式的形式。 思考题 答： wuq  适用于任何过程，任何工质 21pdVuq 可逆过程，任何工质。 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。 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。 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。 答：忽略动能影响的稳定流动、且混合过程为绝热： iWHHHQ   123 所以 322113221133213mmmmmmqhqhqhhqhqhqHHH。 第三章 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 j 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； k 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。 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。 答：摩尔气体常数不因气体的种类及状态的不同而变化。 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。 答：对于确定的理想气体在同一温度下 vp cc  为定值， vpcc 为定值。 在不同温度下 vp cc  为定值， vpcc不是定值。 答：麦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。 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 pvuh  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。 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。 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 焓值为 0，热力学能值为 0。 熵的基准状态取 0p =101325Pa、 0T =0K熵值为 0。 答：气体热力性质表中的 hu、 及 0s 基准是态是  00,pT ， KT 00 ， 0p =101325Pa。 思考题 1答：图 32 中阴影部分面积为多变过程 12 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： 21,139。 212 )()(  vvv qTT。