热工基础(张学学主编)第三版思考题及习题答案详解.pdf

1、1热 工 基 础 （ 张 学 学 主 编 ） 第 三 版 思 考 题 及 习 题 答 案 详 解第 一 章思 考 题1. 平 衡 状 态 与 稳 定 状 态 有 何 区 别 ？ 热 力 学 中 为 什 要 引 入 平 衡 态 的 概 念 ？答 ： 平 衡 状 态 是 在 不 受 外 界 影 响 的 条 件 下 ， 系 统 的 状 态 参 数 不 随 时 间 而 变 化 的 状 态 。 而 稳 定状 态 则 是 不 论 有 无 外 界 影 响 ， 系 统 的 状 态 参 数 不 随 时 间 而 变 化 的 状 态 。 可 见 平 衡 必 稳 定 ， 而稳 定 未 必 平 衡 。 热 力 学 中

2、引 入 平 衡 态 的 概 念 ， 是 为 了 能 对 系 统 的 宏 观 性 质 用 状 态 参 数 来 进 行描 述 。2. 表 压 力 或 真 空 度 能 否 作 为 状 态 参 数 进 行 热 力 计 算 ？ 若 工 质 的 压 力 不 变 ， 问 测 量 其 压 力 的压 力 表 或 真 空 计 的 读 数 是 否 可 能 变 化 ？答 ： 不 能 ， 因 为 表 压 力 或 真 空 度 只 是 一 个 相 对 压 力 。 若 工 质 的 压 力 不 变 ， 测 量 其 压 力 的 压 力表 或 真 空 计 的 读 数 可 能 变 化 ， 因 为 测 量 所 处 的 环 境 压 力

3、可 能 发 生 变 化 。3 当 真 空 表 指 示 数 值 愈 大 时 ， 表 明 被 测 对 象 的 实 际 压 力 愈 大 还 是 愈 小 ？答 ： 真 空 表 指 示 数 值 愈 大 时 ， 表 明 被 测 对 象 的 实 际 压 力 愈 小 。4. 准 平 衡 过 程 与 可 逆 过 程 有 何 区 别 ？答 ： 无 耗 散 的 准 平 衡 过 程 才 是 可 逆 过 程 ， 所 以 可 逆 过 程 一 定 是 准 平 衡 过 程 ， 而 准 平 衡 过 程 不一 定 是 可 逆 过 程 。5. 不 可 逆 过 程 是 无 法 回 复 到 初 态 的 过 程 ， 这 种 说 法 是

4、否 正 确 ？答 ： 不 正 确 。 不 可 逆 过 程 是 指 不 论 用 任 何 曲 折 复 杂 的 方 法 都 不 能 在 外 界 不 遗 留 任 何 变 化 的 情况 下 使 系 统 回 复 到 初 态 ， 并 不 是 不 能 回 复 到 初 态 。6. 没 有 盛 满 水 的 热 水 瓶 ， 其 瓶 塞 有 时 被 自 动 顶 开 ， 有 时 被 自 动 吸 紧 ， 这 是 什 幺 原 因 ？答 ： 水 温 较 高 时 ， 水 对 热 水 瓶 中 的 空 气 进 行 加 热 ， 空 气 压 力 升 高 ， 大 于 环 境 压 力 ， 瓶 塞 被 自动 顶 开 。 而 水 温 较 低

5、时 ， 热 水 瓶 中 的 空 气 受 冷 ， 压 力 降 低 ， 小 于 环 境 压 力 ， 瓶 塞 被 自 动 吸 紧 。7. 用 U形 管 压 力 表 测 定 工 质 的 压 力 时 ， 压 力 表 液 柱 直 径 的 大 小 对 读 数 有 无 影 响 ？答 ： 严 格 说 来 ， 是 有 影 响 的 ， 因 为 U型 管 越 粗 ， 就 有 越 多 的 被 测 工 质 进 入 U型 管 中 ， 这 部分 工 质 越 多 ， 它 对 读 数 的 准 确 性 影 响 越 大 。2习 题1-1 解 ： kPabarpb 100.61.00610133.3755 5 1. kPappp gb

6、 6.13700136006.100 2. kPabarppp bg 4.149494.1006.15.2 3. kPammHgppp vb 3315.755700755 4. kPabarppp bv 6.50506.05.0006.1 1-2 图 1-8表 示 常 用 的 斜 管 式 微 压 计 的 工 作 原 理 。 由 于 有 引 风 机 的 抽 吸 ， 锅 炉 设备 的 烟 道 中 的 压 力 将 略 低 于 大 气 压 力 。 如 果 微 压 机 的 斜 管 倾 斜 角 30 ， 管 内 水解 ： 根 据 微 压 计 原 理 ， 烟 道 中 的 压 力 应 等 于 环 境 压 力

7、和 水 柱 压 力 之 差 mmHgPaghp 35.79805.0102008.91000sin 3 水 柱 mmHgppp b 65.74835.7756 水 柱1-3 解 ： barppp ab 07.210.197.01 barppp b 32.005.107.212 barpppbC 65.032.097.02 1 4 解 ： kPaHppp b 2gmm15745760 汞 柱真 空 室 kPappp a 36236021 真 空 室 kPappp b 19217036212 kPappp bc 1902192 真 空 室 kNAppF b 8.150.4541133.3745)(

8、 2 真 空 室1-4 解 ：3barmmHgpppp b 11.215828003.133/81.9300760 汞 柱水 柱1-5 解 ： 由 于 压 缩 过 程 是 定 压 的 ， 所 以 有 KJVVppdVW VV 200)4.08.0(105.0)( 62121 1-6 解 ： 改 过 程 系 统 对 外 作 的 功 为 0.50.3 3.013.023.1111.33.115.03.0 2585.)(0.3VW 1 kJVVVpdVVppdV1-7 解 ： 由 于 空 气 压 力 正 比 于 气 球 的 直 径 ， 所 以 可 设 cDp ， 式 中 c为 常 数 ， D为 气

9、球的 直 径 ， 由 题 中 给 定 的 初 始 条 件 ， 可 以 得 到 ： 5000003.015000011 DpDpc该 过 程 空 气 对 外 所 作 的 功 为 kJ DDcdDDcDcDdpdVW DDDDVV 36.34)3.04.0(500000081 )(8121)61( 44 414233 212121 1-8 解 ： （ 1） 气 体 所 作 的 功 为 ： 0.30.1 46 101.76d100.04)(0.24 JVVW（ 2） 摩 擦 力 所 消 耗 的 功 为 ： JLfW 10000.1)(0.32.01000 摩 擦 力所 以 减 去 摩 擦 力 消 耗

10、 的 功 后 活 塞 所 作 的 功 为 ： JWWW 41066.1 摩 擦 力活 塞1-9 解 ： 由 于 假 设 气 球 的 初 始 体 积 为 零 ， 则 气 球 在 充 气 过 程 中 ， 内 外 压 力 始 终 保 持 相 等 ，恒 等 于 大 气 压 力 0.09MPa， 所 以 气 体 对 外 所 作 的 功 为 ： JVpW 56 108.121009.0 1-11 解 ： 确 定 为 了 将 气 球 充 到 2m3的 体 积 ， 贮 气 罐 内 原 有 压 力 至 少 应 为 （ 此 时 贮 气 罐 的 压力 等 于 气 球 中 的 压 力 ， 同 时 等 于 外 界 大

11、气 压 bp ） PaVVpVVpp 551121121 101.82 2)(2100.92)(2)( 前 两 种 情 况 能 使 气 球 充 到 2m3 JVpW b 55 101.82100.9 4情 况 三 : 3333.309.0 215.0 mpVpV b 贮 气 罐贮 气 罐气 球 贮 气 罐 所 以 气 球 只 能 被 充 到 3333.12333.3 mV 气 球 的 大 小 ， 故 气 体 对 外 作 的 功 为 ：JW 55 101.231.33100.9 第二章思考题1.绝 热 刚 性 容 器 ， 中 间 用 隔 板 分 为 两 部 分 ， 左 边 盛 有 空 气 ， 右

12、 边 为 真 空 ， 抽 掉 隔 板 ， 空 气 将充 满 整 个 容 器 。 问 ： 空 气 的 热 力 学 能 如 何 变 化 ？ 空 气 是 否 作 出 了 功 ？ 能 否 在 坐标 图 上 表 示 此 过 程 ？ 为 什 么 ？答 ： （ 1） 空 气 向 真 空 的 绝 热 自 由 膨 胀 过 程 的 热 力 学 能 不 变 。（ 2） 空 气 对 外 不 做 功 。（ 3） 不 能 在 坐 标 图 上 表 示 此 过 程 ， 因 为 不 是 准 静 态 过 程 。2. 下 列 说 法 是 否 正 确 ？ 气 体 膨 胀 时 一 定 对 外 作 功 。错 ， 比 如 气 体 向 真

13、空 中 的 绝 热 自 由 膨 胀 ， 对 外 不 作 功 。 气 体 被 压 缩 时 一 定 消 耗 外 功 。对 ， 因 为 根 据 热 力 学 第 二 定 律 ， 气 体 是 不 可 能 自 压 缩 的 ， 要 想 压 缩 体 积 ， 必 须 借 助 于 外功 。 气 体 膨 胀 时 必 须 对 其 加 热 。错 ， 比 如 气 体 向 真 空 中 的 绝 热 自 由 膨 胀 ， 不 用 对 其 加 热 。 气 体 边 膨 胀 边 放 热 是 可 能 的 。对 ， 比 如 多 变 过 程 ， 当 n大 于 k时 ， 可 以 实 现 边 膨 胀 边 放 热 。 气 体 边 被 压 缩 边

14、吸 入 热 量 是 不 可 能 的 。错 ， 比 如 多 变 过 程 ， 当 n大 于 k时 ， 可 以 实 现 边 压 缩 边 吸 热 。 对 工 质 加 热 ， 其 温 度 反 而 降 低 ， 这 种 情 况 不 可 能 。错 ， 比 如 多 变 过 程 ， 当 n大 于 1， 小 于 k时 ， 可 实 现 对 工 质 加 热 ， 其 温 度 反 而 降 低 。53.“ 任 何 没 有 体 积 变 化 的 过 程 就 一 定 不 对 外 作 功 ” 的 说 法 是 否 正 确 ？答 ： 不 正 确 ， 因 为 外 功 的 含 义 很 广 ， 比 如 电 磁 功 、 表 面 张 力 功 等

15、等 ， 如 果 只 考 虑 体 积 功 的 话 ，那 么 没 有 体 积 变 化 的 过 程 就 一 定 不 对 外 作 功 。4. 试 比 较 图 2-6所 示 的 过 程 1-2与 过 程 1-a-2中 下 列 各量 的 大 小 ： W12与 W1a2； (2)U12 与 U1a2； (3)Q12与 Q1a2答 ： （ 1） W1a2大 。(2)一 样 大 。（ 3） Q1a2大 。5. 说 明 下 列 各 式 的 应 用 条 件 ： wuq 闭 口 系 的 一 切 过 程 pdvuq闭 口 系 统 的 准 静 态 过 程 )( 1122 vpvpuq 开 口 系 统 的 稳 定 流 动

16、过 程 ， 并 且 轴 功 为 零 )( 12 vvpuq 开 口 系 统 的 稳 定 定 压 流 动 过 程 ， 并 且 轴 功 为 零 ； 或 者 闭 口 系 统 的 定 压 过 程 。6. 膨 胀 功 、 轴 功 、 技 术 功 、 流 动 功 之 间 有 何 区 别 与 联 系 ？ 流 动 功 的 大 小 与 过 程 特 性 有 无 关系 ？答 ： 膨 胀 功 是 系 统 由 于 体 积 变 化 对 外 所 作 的 功 ； 轴 功 是 指 工 质 流 经 热 力 设 备 （ 开 口 系 统 ） 时 ，热 力 设 备 与 外 界 交 换 的 机 械 功 ， 由 于 这 个 机 械 功 通

17、 常 是 通 过 转 动 的 轴 输 入 、 输 出 ， 所 以 工 程上 习 惯 成 为 轴 功 ； 而 技 术 功 不 仅 包 括 轴 功 ， 还 包 括 工 质 在 流 动 过 程 中 机 械 能 （ 宏 观 动 能 和 势能 ） 的 变 化 ； 流 动 功 又 称 为 推 进 功 ， 1kg工 质 的 流 动 功 等 于 其 压 力 和 比 容 的 乘 积 ， 它 是 工 质在 流 动 中 向 前 方 传 递 的 功 ， 只 有 在 工 质 的 流 动 过 程 中 才 出 现 。 对 于 有 工 质 组 成 的 简 单 可 压 缩系 统 ， 工 质 在 稳 定 流 动 过 程 中 所

18、作 的 膨 胀 功 包 括 三 部 分 ， 一 部 分 消 耗 于 维 持 工 质 进 出 开 口 系统 时 的 流 动 功 的 代 数 和 ， 一 部 分 用 于 增 加 工 质 的 宏 观 动 能 和 势 能 ， 最 后 一 部 分 是 作 为 热 力 设备 的 轴 功 。 对 于 稳 定 流 动 ， 工 质 的 技 术 功 等 于 膨 胀 功 与 流 动 功 差 值 的 代 数 和 。 如 果 工 质 进 、出 热 力 设 备 的 宏 观 动 能 和 势 能 变 化 很 小 ， 可 忽 略 不 计 ， 则 技 术 功 等 于 轴 功 。图 2-6 思 考 题 4附 图6习题2-1 解 ：

19、 kJUQW 308050 ， 所 以 是 压 缩 过 程2-2 解 ： kJQWQW 145012006502000放压吸膨 2-3 解 ： hJQU /107.23600102 63 2 4解 ： 状 态 b和 状 态 a之 间 的 内 能 之 差 为 ： kJWQUUU abab 6040100 所 以 ， a-d-b 过 程 中 工 质 与 外 界 交 换 的 热 量 为 ： kJWUQ abbda 802060 工 质 沿 曲 线 从 b返 回 初 态 a时 ， 工 质 与 外 界 交 换 的 热 量 为 ： kJWUWUUQ abbaab 903060 根 据 题 中 给 定 的

20、a点 内 能 值 ， 可 知 b点 的 内 能 值 为 60kJ， 所 以 有 :kJUUU dbad 204060 由 于 d-b过 程 为 定 容 过 程 ， 系 统 不 对 外 作 功 ， 所 以 d-b过 程 与 外 界 交 换 的 热 量 为 ：kJUUUQ dbbdbd 20所 以 a-d-b 过 程 系 统 对 外 作 的 功 也 就 是 a-d 过 程 系 统 对 外 作 的 功 ， 故 a-d 过 程 系 统 与 外界 交 换 的 热 量 为 ： kJWUWUUQ bdaaddaadda 60)20(40 2 5 过 程 QkJ WkJ UkJ1-2 1390 0 13902

21、-3 0 395 -3953-4 -1000 0 -10004-1 0 -5 52-5 解 ： 由 于 汽 化 过 程 是 定 温 、 定 压 过 程 ， 系 统 焓 的 变 化 就 等 于 系 统 从 外 界 吸 收 的 热 量 ，即 汽 化 潜 热 ， 所 以 有 ： kgkJqh /2257 7内 能 的 变 化 为 ： kgkJvvphpvhu /20881.674)(0.001101.012257 )()( 2 12 2-6 解 ： 选 取 气 缸 中 的 空 气 作 为 研 究 的 热 力 学 系 统 ， 系 统 的 初 压 为 ： PaAGpp b 54511 102.93910

22、100 9.8195101.028 当 去 掉 一 部 分 负 载 ， 系 统 重 新 达 到 平 衡 状 态 时 ， 其 终 压 为 ： PaAGpp b 54522 101.95910100 9.895101.028 由 于 气 体 通 过 气 缸 壁 可 与 外 界 充 分 换 热 ， 所 以 系 统 的 初 温 和 终 温 相 等 ， 都 等 于 环 境 温 度即 ： 021 TTT 根 据 理 想 气 体 的 状 态 方 程 可 得 到 系 统 的 终 态 体 积 ， 为 ： 335 2452112 10261.5101.959 101010100102.939 mpVpV 所 以

23、活 塞 上 升 的 距 离 为 ： cmmAVVL 26.5260.0510100 101010010261.5 4 6312 由 于 理 想 气 体 的 内 能 是 温 度 的 函 数 ， 而 系 统 初 温 和 终 温 相 同 ， 故 此 过 程 中 系 统 的 内 能 变化 为 零 ， 同 时 此 过 程 可 看 作 定 压 膨 胀 过 程 ， 所 以 气 体 与 外 界 交 换 的 热 量 为 ： JLApWQ 04.103260.0510100101.959 452 2-8 解 ： 压 缩 过 程 中 每 千 克 空 气 所 作 的 压 缩 功 为 ： kgkJuqw /196.51

24、46.550 忽 略 气 体 进 出 口 宏 观 动 能 和 势 能 的 变 化 ， 则 有 轴 功 等 于 技 术 功 ， 所 以 生 产 每 kg压 缩 空气 所 需 的 轴 功 为 ： kgkJhqw /252100.845)0.10.175(0.8146.550 3s 所 以 带 动 此 压 气 机 所 需 的 功 率 至 少 为 ： kWwP s 426010 2-9 解 ： 是 否 要 用 外 加 取 暖 设 备 ， 要 看 室 内 热 源 产 生 的 热 量 是 否 大 于 通 过 墙 壁 和 门 窗 传 给8外 界 的 热 量 ， 室 内 热 源 每 小 时 产 生 的 热 量

25、 为 ： kJq 51098.13600)1005050000( 热 源小 于 通 过 墙 壁 和 门 窗 传 给 外 界 的 热 量 为 3105kJ， 所 以 必 须 外 加 取 暖 设 备 ， 供 热 量 为 ：hkJQ /101.021098.1103 555 2-10 解 ： 取 容 器 内 的 气 体 作 为 研 究 的 热 力 学 系 统 ， 根 据 系 统 的 状 态 方 程 可 得 到 系 统 终 态 体积 为 ： 32.112.112112 1.78)5.01(1)( mppVV 过 程 中 系 统 对 外 所 作 的 功 为 ： 1.781 1.781 2.012.021

26、.2111.21.211 6.4540.2 )( kJVVVpdVVVppdVW所 以 过 程 中 系 统 和 外 界 交 换 的 热 量 为 ： kJWUQ 6.2246.4548*40 为 吸 热 。2-11 解 ： 此 过 程 为 开 口 系 统 的 稳 定 流 动 过 程 ， 忽 略 进 出 口 工 质 的 宏 观 动 能 和 势 能 变 化 ， 则有 ： smmm WqhqhqhQ 117766由 稳 定 流 动 过 程 进 出 口 工 质 的 质 量 守 恒 可 得 到 ： 176 mmm qqq 所 以 整 个 系 统 的 能 量 平 衡 式 为 ： s767161 )()( W

27、hhqhhqQ mm 故 发 电 机 的 功 率 为 ： kWqhhqhhQWP mm 33 116776s 10152.442)(418360070012)(41836001050418003600700 )()( 2-12 解 ： 由 于 过 程 是 稳 定 流 动 过 程 ， 气 体 流 过 系 统 时 重 力 位 能 的 变 化 忽 略 不 计 ， 所 以 系统 的 能 量 平 衡 式 为 : Sf WcmHQ 221其 中 ， 气 体 在 进 口 处 的 比 焓 为 ：9kgJvpuh /232940037.01062.0102100 631111 气 体 在 出 口 处 的 比 焓

28、 为 ： kgJvpuh /16560002.11013.0101500 632222 气 体 流 过 系 统 时 对 外 作 的 轴 功 为 ： kWW chqmcmHQW ffs 6.27082708600 )300150(21)23294001656000(10304 )21(21 223 22 所 以 气 体 流 过 系 统 时 对 外 输 出 的 功 率 为 ： kWWP s 6.7082第三章思考题1. 理 想 气 体 的 pc 和 vc 之 差 及 pc 和 vc 之 比 是 否 在 任 何 温 度 下 都 等 于 一 个 常 数 ？答 ： 理 想 气 体 的 pc 和 vc 之

29、 差 在 任 何 温 度 下 都 等 于 一 个 常 数 ， 而 pc 和 vc 之 比 不 是 。2. 如 果 比 热 容 是 温 度 t的 单 调 增 函 数 ， 当 12 tt 时 ， 平 均 比 热 容10|tc 、 20|tc 、 21|ttc 中 哪 一个 最 大 ？ 哪 一 个 最 小 ？答 ： 由 10|tc 、 20|tc 、 21|ttc 的 定 义 可 知 )(d100 11 tct tcc tt ， 其 中 10 t)(d200 22 tct tcc tt ， 其 中 20 t)(d122121 tctt tcc tttt ， 其 中 21 tt 因 为 比 热 容 是

30、 温 度 t的 单 调 增 函 数 ， 所 以 可 知 21|ttc 10|tc ， 又 因 为 2021121202112021 0)()( 10212 102 ttttttttttttt cctcctcctt tctcc 故 可 知 21|ttc 最 大 ，又 因 为 ：100)()()()( dd)(dd 21 011221 1120121 21 102121 020100 121211 2111212 tt ccttttt ctttcttt tt tcttctttt tcttctcc tttttt ttttttt所 以 10|tc 最 小 。3. 如 果 某 种 工 质 的 状 态 方

31、 程 式 遵 循 TRpv g ， 这 种 物 质 的 比 热 容 一 定 是 常 数 吗 ？ 这 种 物质 的 比 热 容 仅 是 温 度 的 函 数 吗 ？答 ： 不 一 定 ， 比 如 理 想 气 体 遵 循 此 方 程 ， 但 是 比 热 容 不 是 常 数 ， 是 温 度 的 单 值 函 数 。 这 种 物质 的 比 热 容 不 一 定 仅 是 温 度 的 函 数 。 由 比 热 容 的 定 义 ， 并 考 虑 到 工 质 的 物 态 方 程 可 得 到 ：gRTuTvpTuTwTuT wuTqc ddddddddddd )d(dd由 此 可 以 看 出 ， 如 果 工 质 的 内

32、能 不 仅 仅 是 温 度 的 函 数 时 ， 则 此 工 质 的 比 热 容 也 就 不 仅 仅 是 温度 的 函 数 了 。4. 在 vu 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 。 u v 1 2 3 4 答 ： 图 中 曲 线 1 为 可 逆 定 容 加 热 过 程 ； 2为 可 逆 定 压 加 热 过 程 ； 3 为 可 逆 定 温 加 热 过 程 ； 4为 可 逆 绝 热 膨 胀 过 程 。 因 为 可 逆 定 容 加 热 过 程 容

33、 积 v不 变 ， 过 程 中 系 统 内 能 增 加 ， 所 以 为 曲线 1， 从 下 向 上 。 可 逆 定 压 加 热 过 程 有 ：vcu cuvcc cvcudvcdvRcPdvPvTcdu PP1 221 211 0001 ， 所 以时 ，为 常 数 ， 且 考 虑 到和所 以 此 过 程 为 过 原 点 的 射 线 2， 且 向 上 。 理 想 气 体 的 可 逆 定 温 加 热 过 程 有 ：11加 ，气 体 对 外 做 功 ， 体 积 增 00 wqwqu所 以 为 曲 线 3， 从 左 到 右 。 可 逆 绝 热 膨 胀 过 程 有 ：为 常 数、 21 2111 11c

34、c cvkcudvvcpdvdu kk 所 以 为 图 中 的 双 曲 线 4， 且 方 向 朝 右 （ 膨 胀 过 程 ） 。5. 将 满 足 空 气 下 列 要 求 的 多 变 过 程 表 示 在 vp 图 sT 图 上 空 气 升 压 ， 升 温 ， 又 放 热 ； 空 气 膨 胀 ， 升 温 ， 又 放 热 ； ( 此 过 程 不 可 能 ) 6.1n 的 膨 胀 过 程 ， 并 判 断 q、 w、 u 的 正 负 ； 3.1n 的 压 缩 过 程 ， 判 断 q、 w、 u 的 正 负 。答 ： s v T p n= n=0 n=1 n=k 1nk n=1 n=k n=0 n= A

35、A 1nk （ 1） 空 气 升 温 、 升 压 、 又 放 热 有 ： knnRc TTTTnRcq VV 11 ,01 1212所 以 ： 且此 多 变 过 程 如 图 所 示 ， 在 p v图 上 ， 此 过 程 为 沿 着 几 条 曲 线 的 交 点 A向 上 ， 即 沿 压 力 和 温度 增 加 的 方 向 ； 在 T-s图 上 此 过 程 为 沿 着 几 条 曲 线 的 交 点 A向 上 。12s v T p n= n=0 n=1 n=k 1nk n=1 n=k n=0 n= 1nk A A （ 2） 空 气 膨 胀 ， 升 温 ， 又 放 热 有 ： knnRc TTTTnRcq

36、 VV 11 ,01 1212所 以 ： 且此 多 变 过 程 如 图 所 示 ， 然 而 要 想 是 过 程 同 时 满 足 膨 胀 过 程 是 不 可 能 的 。 s v T p n= n=0 n=1 n=k n=1 n=k n=0 n= n=1.6 n=1.6 n=k n=1 n=1.6 n=1.6 A A （ 3） 6.1n 的 膨 胀 过 程 ， 在 p v图 上 ， 膨 胀 过 程 体 积 增 大 ， 过 程 从 几 条 曲 线 的 交 点 A向下 ； 在 T s图 上 ， 过 程 从 几 条 曲 线 的 交 点 A向 下 。 此 过 程 为 放 热 ， 对 外 做 功 ， 内 能

37、 减 少 。13s v T p n= n=0 n=1 n=k n=1.3 n=1 n=k n=0 n= A A n=1.3 （ 4） 3.1n 的 压 缩 过 程 ， 在 p v图 上 ， 压 缩 过 程 体 积 减 小 ， 过 程 从 几 条 曲 线 的 交 点 A向上 ； 在 T s图 上 ， 过 程 从 几 条 曲 线 的 交 点 A向 上 。 此 过 程 为 放 热 ， 外 界 对 空 气 做 功 ， 内 能增 加 。6. 在 sT 图 上 ， 如 何 将 理 想 气 体 任 意 两 状 态 间 的 热 力 学 能 和 焓 的 变 化 表 示 出 来 。答 ： 理 想 气 体 的 内

38、能 和 焓 都 是 温 度 的 单 值 函 数 ， 因 此 在 sT 图 上 ， 定 内 能 和 定 焓 线 为 一 条平 行 于 T轴 的 直 线 ， 只 要 知 道 初 态 和 终 态 的 温 度 ， 分 别 在 sT 图 上 找 到 对 应 温 度 下 的 定 内能 和 定 焓 直 线 ， 就 可 以 确 定 内 能 和 焓 的 变 化 值 。7. 凡 质 量 分 数 较 大 的 组 元 气 体 ， 其 摩 尔 分 数 是 否 也 一 定 较 大 ？ 试 举 例 说 明 之 。答 ： 根 据 质 量 分 数 和 摩 尔 分 数 的 关 系 ， 有 ： ii iii MwMwx从 上 式

39、可 以 看 出 ， 对 成 分 一 定 的 混 合 气 体 ， 分 母 为 常 数 ， 因 此 摩 尔 分 数 取 决 于 其 质 量 分 数 和摩 尔 质 量 的 比 值 ， 对 于 质 量 分 数 较 大 的 组 元 ， 如 果 摩 尔 质 量 也 很 大 ， 那 么 它 的 摩 尔 分 数 可 能并 不 大 。8. 理 想 混 合 气 体 的 比 热 力 学 能 是 否 是 温 度 的 单 值 函 数 ？ 其 vp cc 是 否 仍 遵 循 迈 耶 公 式 ？答 ： 不 是 。 因 为 理 想 混 合 气 体 的 比 热 力 学 能 为 ： i miim uxu其 中 xi是 摩 尔 组

40、 分 ， 而 ui是 温 度 的 单 值 函 数 ， 所 以 理 想 混 合 气 体 的 比 热 力 学 能 不 仅 是 温 度的 函 数 ， 还 是 成 分 的 函 数 ， 或 者 说 对 于 成 分 固 定 的 混 合 理 想 气 体 ， 其 内 能 仅 是 温 度 的 单 值 函数 。 其 vp cc 仍 遵 循 迈 耶 公 式 ， 因 为 ： mmi ii mivimipimvmp RRxCxCxCC )( ,9. 有 人 认 为 由 理 想 气 体 组 成 的 封 闭 系 统 吸 热 后 ， 其 温 度 必 定 增 加 ， 这 是 否 完 全 正 确 ？ 你 认14为 哪 一 种 状

41、 态 参 数 必 定 增 加 ？答 ： 不 正 确 ， 因 为 对 于 成 分 固 定 的 混 合 理 想 气 体 ， 其 内 能 是 仅 是 温 度 的 单 值 函 数 ， 如 果 在 过程 中 吸 热 的 同 时 对 外 作 正 功 ， 当 作 的 正 功 大 于 吸 热 量 ， 其 内 能 必 然 减 少 ， 温 度 必 然 降 低 。 只有 熵 值 必 定 增 加 ， 因 为 根 据 克 劳 休 斯 不 等 式 有 :TdQds其 中 等 号 适 用 于 可 逆 过 程 ， 不 等 号 适 用 于 不 可 逆 过 程 ， 对 于 不 可 逆 过 程 ， T 为 热 源 的 温 度 ，由

42、 于 温 度 T恒 大 于 零 ， 所 以 当 过 程 为 吸 热 过 程 （ 0dQ ） 时 ， 系 统 的 熵 必 然 增 加 。10. 图 3 17所 示 的 管 段 ， 在 什 么 情 况 下 适 合 作 喷 管 ？ 在 什 么 情 况 下 适 合 作 扩 压 管 ？答 ： 当 1Ma 时 ， 要 想 使 气 流 的 速 度 增 加 ， 要 求 喷 管 的 截 面 积 沿 气 流 方 向 逐 渐 减 小 ， 即 渐缩 喷 管 ； 而 当 1Ma 时 ， 要 想 使 气 流 的 速 度 增 加 ， 要 求 喷 管 的 截 面 积 沿 气 流 方 向 逐 渐 增 加 ，即 渐 扩 喷 ；

43、而 对 于 先 缩 后 扩 的 缩 放 喷 管 （ 也 称 拉 戈 尔 喷 管 ） ， 在 最 小 截 面 处 气 流 的 流 速 恰 好等 于 当 地 声 速 。 所 以 对 于 亚 声 速 气 流 ， 渐 缩 管 适 用 于 做 喷 管 ， 渐 扩 管 适 用 于 做 扩 压 管 ， 缩 放管 适 用 于 做 喷 管 ； 对 于 超 声 速 气 流 ， 渐 缩 管 适 用 于 做 扩 压 管 ， 渐 扩 管 适 用 于 做 喷 管 。习题3-1 解 ： 设 定 熵 压 缩 过 程 的 终 态 参 数 为 222 STp 和、 ， 而 定 温 压 缩 过 程 的 终 态 参 数 为222 S

44、Tp 和、 ,根 据 给 定 的 条 件 可 知 ： 1222 TTpp ；又 因 为 两 个 终 态 的 熵 差 为 S ， 固 有 ： 21222222 lnlnln TTMcppmRTTmcSSS pgp 所 以 有 ： )exp(12 pmCSTT 对 于 定 熵 压 缩 过 程 有 ： kkkk TpTp 212111 所 以 ： )exp()exp()1(exp()( 11112112 gpkk mRSpmRSMpmckSkpTTpp 图 3-17 思 考 题 11附 图153-2 解 ： 设 气 体 的 初 态 参 数 为 1111 mTVp 和、 ， 阀 门 开 启 时 气 体

45、 的 参 数 为2222 mTVp 和、 ， 阀 门 重 新 关 闭 时 气 体 的 参 数 为 3333 mTVp 和、 ， 考 虑 到 刚 性 容器 有 ： 321 VVV ， 且 21 mm 。 当 阀 门 开 启 时 ， 贮 气 筒 内 压 力 达 到 51075.8 Pa， 所 以 此 时 筒 内 温 度 和 气 体 质 量 分 别 为 ：K25366.78.752931212 ppTT kgTRVpmm 0.225293287 0.027107 51g 1121 阀 门 重 新 关 闭 时 ， 筒 内 气 体 压 力 降 为 5104.8 Pa， 且 筒 内 空 气 温 度 在 排

46、 气 过 程 中 保 持 不变 ， 所 以 此 时 筒 内 气 体 质 量 为 ： kgTRVpTRVpmgg 216.025.366287 027.0104.8 52333333 所 以 ， 因 加 热 失 掉 的 空 气 质 量 为 ： kgm 0.0090.2160.225mm 32 3-3 解 ： 气 体 可 以 看 作 是 理 想 气 体 ， 理 想 气 体 的 内 能 是 温 度 的 单 值 函 数 ， 选 取 绝 热 气 缸内 的 两 部 分 气 体 共 同 作 为 热 力 学 系 统 ， 在 过 程 中 ， 由 于 气 缸 绝 热 ， 系 统 和 外 界 没 有 热量 交 换 ， 同 时 气 缸 是 刚 性 的 ， 系 统 对 外 作 功 为 零 ， 故 过 程 中 系 统 的 内 能 不 变 ， 而 系 统的 初 温 为 30 ， 所 以 平 衡 时 系 统 的 温 度 仍 为 30 。 设 气 缸 一 侧 气 体 的 初 始 参 数 为 1111 mTVp 和、 ， 终 态 参 数 为 111 TVp 、 ， 另 一 侧 气 体 的初 始 参 数 为 2222 mTVp 和、 ， 终 态 参 数 为 222 TVp 、 ， 重 新 平 衡 时 整 个 系 统 的 总 体 积 不变 ， 所 以 先 要 求 出 气 缸 的 总 体 积 。