哈工大工程熱力學(xué)習(xí)題答案——楊玉順版

1、第二章 熱力學(xué)第一定律思 考 題1. 熱量和熱力學(xué)能有什么區(qū)別？有什么聯(lián)系？答：熱量和熱力學(xué)能是有明顯區(qū)別的兩個(gè)概念：熱量指的是熱力系通過界面與外界進(jìn)行的熱能交換量，是與熱力過程有關(guān)的過程量。熱力系經(jīng)歷不同的過程與外界交換的熱量是不同的；而熱力學(xué)能指的是熱力系內(nèi)部大量微觀粒子本身所具有的能量的總合，是與熱力過程無關(guān)而與熱力系所處的熱力狀態(tài)有關(guān)的狀態(tài)量。簡言之，熱量是熱能的傳輸量，熱力學(xué)能是能量？的儲(chǔ)存量。二者的聯(lián)系可由熱力學(xué)第一定律表達(dá)式 看出；熱量的傳輸除了可能引起做功或者消耗功外還會(huì)引起熱力學(xué)能的變化。2. 如果將能量方程寫為或 那么它們的適用范圍如何？答：二式均適用于任意工質(zhì)組成的閉口系

2、所進(jìn)行的無摩擦的內(nèi)部平衡過程。因?yàn)?， 對(duì)閉口系將 代入第一式得 即 。3. 能量方程 （變大） 與焓的微分式 （變大） 很相像，為什么熱量 q不是狀態(tài)參數(shù)，而焓 h 是狀態(tài)參數(shù)？答：盡管能量方程 與焓的微分式 （變大）似乎相象，但兩者的數(shù)學(xué)本質(zhì)不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)檢驗(yàn)就是，看該參數(shù)的循環(huán)積分是否為零。對(duì)焓的微分式來說，其循環(huán)積分：因?yàn)?，所以，因此焓是狀態(tài)參數(shù)。而對(duì)于能量方程來說，其循環(huán)積分：雖然： 但是： 所以： 因此熱量不是狀態(tài)參數(shù)。4. 用隔板將絕熱剛性容器分成A、B兩部分（圖2-13），A部分裝有1 kg氣體，B部分為高度真空。將隔板抽去

3、后，氣體熱力學(xué)能是否會(huì)發(fā)生變化？能不能用 來分析這一過程？BbBBA 圖 2-13答：這是一個(gè)有摩擦的自由膨脹過程，相應(yīng)的第一定律表達(dá)式為。又因?yàn)槿萜鳛榻^熱、剛性，所以，因而，即，所以氣體的熱力學(xué)能在在膨脹前后沒有變化。 如果用 來分析這一過程，因?yàn)?，必有，又因?yàn)槭桥蛎涍^程，所以，即這與前面的分析得出的矛盾，得出這一錯(cuò)誤結(jié)論的原因是自由膨脹是自由膨脹是一個(gè)非平衡過程，不能采用這個(gè)式子來進(jìn)行分析，否則將要得到錯(cuò)誤的結(jié)論。5. 說明下列論斷是否正確： (1) 氣體吸熱后一定膨脹，熱力學(xué)能一定增加； (2) 氣體膨脹時(shí)一定對(duì)外作功； (3) 氣體壓縮時(shí)一定消耗外功。答：(1)不正確：由可知，當(dāng)氣體吸

4、熱全部變成對(duì)外作出的膨脹功時(shí)，熱力學(xué)能就不增加，即當(dāng)時(shí)，；又當(dāng)氣體吸熱全部用來增加其熱力學(xué)能時(shí)，即當(dāng)時(shí)，氣體也不膨脹，因?yàn)榇藭r(shí)，而，所以。(2)不正確：上題4就是氣體膨脹而不對(duì)外做功的實(shí)例。(3)正確：無摩擦?xí)r ，壓縮時(shí)，故消耗外功；有摩擦?xí)r，壓縮時(shí)，故消耗更多的外功。所以無論有無摩擦，也不論是否吸熱或放熱，氣體壓縮時(shí)一定消耗外功的。習(xí) 題2-1 冬季，工廠某車間要使室內(nèi)維持一適宜溫度。在這一溫度下，透過墻壁和玻璃窗等處，室內(nèi)向室外每小時(shí)傳出 0.7106 kcal的熱量。車間各工作機(jī)器消耗的動(dòng)力為 500PS ¬ PS為公制馬力的符號(hào)，1 PS = 75 kgfm/s。（認(rèn)為機(jī)器工

5、作時(shí)將全部動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?。另外，室?nèi)經(jīng)常點(diǎn)著 50盞 100 W的電燈。要使這個(gè)車間的溫度維持不變，問每小時(shí)需供給多少kJ的熱量（單位換算關(guān)系可查閱附表10和附表11）？解 ： 為了維持車間里溫度不變，必須滿足能量平衡即所以有 因而*此題目的練習(xí)能量平衡概念及有關(guān)能量單位的換算。2-2 某機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于潤滑不良產(chǎn)生摩擦熱，使質(zhì)量為 150 kg的鋼制機(jī)體在 30 min內(nèi)溫度升高 50 。試計(jì)算摩擦引起的功率損失(已知每千克鋼每升高 1 需熱量 0.461 kJ)。解 ： 摩擦引起的功率損失就等于摩擦熱，故有*此題目的練習(xí)能量平衡2-3 氣體在某一過程中吸入熱量 12 kJ，同時(shí)熱力學(xué)能增

6、加 20 kJ。問此過程是膨脹過程還是壓縮過程？對(duì)外所作的功是多少（不考慮摩擦）？解 ： 由閉口系能量方程： 又不考慮摩擦，故有 所以 因?yàn)?所以 因此，這一過程是壓縮過程，外界需消耗功8 kW。2-4 有一閉口系，從狀態(tài)1經(jīng)過a變化到狀態(tài)2（圖2-14）；又從狀態(tài)2經(jīng)過b回到狀態(tài)1；再從狀態(tài)1經(jīng)過c變化到狀態(tài)2。在這三個(gè)過程中，熱量和功的某些值已知（如下表中所列數(shù)值），某些值未知（表中空白）。試確定這些未知值。過 程熱量Q / kJ膨脹功W / kJ1-a-210（7）2-b-1-7-41-c-2（11）8解 ： 關(guān)鍵在于確定過程 12的熱力學(xué)能變化，再根據(jù)熱力學(xué)能變化的絕對(duì)值不隨過程而變，

7、對(duì)三個(gè)過程而言是相同的，所不同的只是符號(hào)有正、負(fù)之差，進(jìn)而則逐過程所缺值可求。根據(jù)閉口系能量方程的積分形式：2b1： 1a2： 1c2： 將所得各值填入上表空中即可 此題可以看出幾點(diǎn)： 圖 2141、 不同熱力過程，閉口系的熱量 Q 和功 W 是不同的，說明熱量與功是與過程有關(guān)的物理量。 2、 熱力學(xué)能是不隨過程變化的，只與熱力狀態(tài)有關(guān)。以下內(nèi)容請(qǐng)下載后欣賞換成小四字體后圖與題目即可對(duì)應(yīng)好 圖2-15過 程q /（kJ/kg）wt /（kJ/kg）Dh /（kJ/kg）1-20182-303-40-11424-10-2094第三章 熱力學(xué)第二定律例 題例3-1 先用電熱器使 20 kg、溫度t

8、0=20 的涼水加熱到t1=80 ，然后再與40 kg、溫度為 20 的涼水混合。求混合后的水溫以及電加熱和混合這兩個(gè)過程各自造成的熵產(chǎn)。水的比定壓熱容為 4.187 kJ/（kg·K）；水的膨脹性可忽略。編題意圖 實(shí)際過程中熵產(chǎn)的計(jì)算是本章的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，本題的目的在于檢測(cè)和練習(xí)電熱器加熱造成的熵產(chǎn)和不等溫水混合過程中的熵產(chǎn)的分析計(jì)算。解題思路 電加熱水過程引起熵產(chǎn)是由于電功轉(zhuǎn)變?yōu)闊岙a(chǎn)，水吸收這個(gè)熱后其自身溫度逐漸上升，這是一個(gè)不斷積累過程，需通過微元熱產(chǎn)量與水變化的水溫T之比這個(gè)微元熵產(chǎn)的積分求得。要求涼水與熱水混合造成的熵產(chǎn)，必須先求出20kg80的水放熱的熵減與20的涼水吸

9、熱的熵增，這種內(nèi)熱流造成的熵產(chǎn)也是個(gè)逐漸積累的過程，也需積分求得。整個(gè)加熱混合造成的總熵產(chǎn)由二者相加得到。求解步驟設(shè)混合后的溫度為t，則可寫出下列能量方程：圖 4-5圖 4-18思 考 題1. 自發(fā)過程是不可逆過程，非自發(fā)過程是可逆過程，這樣說對(duì)嗎？答：這樣說不對(duì)，誠然自發(fā)過程是不可逆過程，但非自發(fā)過程卻并非是可逆過程，而是不可能自發(fā)進(jìn)行的過程。2. 熱力學(xué)第二定律能不能說成“機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而熱能不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能”？為什么？答：不能這樣說。機(jī)械能固然能無條件地變成熱能，而熱能也能在一定條件下全部變成機(jī)械能。如理想氣體進(jìn)行的等溫膨脹過程，就是把所吸收的熱全部變成膨脹功了。但這時(shí)氣體狀態(tài)發(fā)生了變化，比容變大了這就是條件。3. 與大氣溫度相同的壓縮氣體可以從大氣中吸熱而膨脹作功（依靠單一熱