发布时间 : 星期六 文章工程热力学课后思考题答案--第四版-沈维道-童钧耕更新完毕开始阅读
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答：可逆定容过程a-b和可逆定压过程a-c的逆过程c-a以及可逆绝热线即定熵线上过程b-c构成一可逆循环，它们围成的面积代表了对外作功量，过程a-b吸热，过程c-a放热，根据热力学第一定律，必然有?qa-b?>?qc-a?，才能对外输出净功。也就是，qa-b>qa-c。
图中，qa-b为absbsaa围成的面积，qa-c为acsbsaa5-11某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不将气体压缩到相同的终压，在p–v图上和T–s图–s图上示出两过程的技术功及不可逆过程的火用损
答：见图。
T b 围成的面积。
c a sa sb 10题图 s 可逆绝热压缩两种过程，上画出两过程，并在T失。
T p1 T1 不可逆 可逆 p p1 T1 可逆 不可逆 p2 p2 s1
s2 s 11题图
v 5-12孤立系统中进行了（1）可逆过程；（2）不可逆过程，问孤立系统的总能、总熵、总火用各如何变化？
答：（1）孤立系统中进行了可逆过程后，总能、总熵、总火用都不变。
（2）孤立系统中进行了不可逆过程后，总能不变，总熵、总火用都发生变化。
5-13 例5–12中氮气由0.45MPa、310K可逆定温膨胀变化到0.11MPa、310K，w1–2，max=w=129.71 kJ/kg，但根据最大有用功的概念，膨胀功减去排斥大气功（无用功）才等于有用功，这里是否有矛盾？
答：没有矛盾。
5-14 下列命题是否正确？若正确，说明理由；若错误，请改正。
（1）成熟的苹果从树枝上掉下，通过与大气、地面的摩擦、碰撞，苹果的势能转变为环境介质的热力学能， 势能全部是火用，全部转变为火无。
（2）在水壶中烧水，必有热量散发到环境大气中，这就是火无，而使水升温的那部分称之为火用。 （3）一杯热水含有一定的热量火用，冷却到环境温度，这时的热量就已没有火用值。 （4）系统的火用只能减少不能增加。
（5）任一使系统火用增加的过程必然同时发生一个或多个使火用减少的过程。
5-15 闭口系统绝热过程中，系统由初态1变化到终态2，则w=u1–u2。考虑排斥大气作功，有用功为wu= u1–u2–p0(v1–v2)，但据火用的概念系统由初态1变化到终态2可以得到的最大有用功即为热力学能火用差：wu,max=ex,U1–exU2= u1–u2–T0(s1–s2)–p0(v1–v2)。为什么系统由初态1可逆变化到终态2得到的最大有用功反而小于系统由初态1不可逆变化到终态2得到的有用功小？两者为什么不一致？
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P170 5-1 ?t=
T1273.15?20=11.726 ?T1?T2293.15?268.15 Q2=
?t?111.726?1?2.5?104=22867.99kJ/h Q1??t11.726 N=W/95%=Q1/(0.95?t)=2.5?104/(0.95?11.726)=2244.23kJ/h=0.623kW N电炉= Q1=2.5?104kJ/h= 6.944kW 5-2 不采用回热
p2=p1=0.1MPa, T4=T1=300K, T3=T2=1000K, q23=400kJ/kg, q12=cp(T2-T1)=1.004?(1000-300)=702.8kJ/kg q34=cp(T4-T3)=1.004?(300-1000)=-702.8kJ/kg
q23=RT2ln(p2/p3), q41=RT1ln(p4/p1)=RT1ln(p3/p2)= -RT1ln(p2/p3) ? q41=-T1 q23/T2= -300?400/1000=-120kJ/kg
?t=1-?q41+q34?/ (q12+q23) =1-?-702.8-120?/ (702.8+400) = 0.2539 采用极限回热，过程34放热回热给过程12，q34?q12 ?r=1-?q41?/q23) =1-?-120?/400=0.70
5-3 如图所示，如果两条绝热线可以相交，则令绝热线s1、s2交于a
点，过b、c两点作等压线分别与绝热线s1、s2交于b、c点。于是，过程bc、ca、ab组成一闭合循环回路，沿此回路可进行一可逆循环，其中过程ca、ab均为可逆绝热过程，只有定压过程bc为吸热过程，而循环回路围成的面积就是对外净输出功。显然，这构成了从单一热源吸热并将之全部转变为机械能的热力发动机循环，是违反热力学第二定律的。
p b c s2 a s1 v 1.41.4?15-4 (1) p1=p2??T1??T???2?kk?15-3题图 =27.95MPa
?1500??0.1????300?kk?1(2) 见图。 (3) q31=cp(T1-T3)= ?t=1-R(T1-T2), q23=
RT2ln(p2/p3)= RT2ln(p2/p1)
T 1 3 2 s 5-4题图
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q23q31RT2ln?1?p2p1300?ln?1?0.127.95kR?T1?T2?k?11.4?1500?300?1.4?1
=0.5976
5-5 (1) QH=?'Wnet=?'?tQ1=3.5?0.40?100=140kJ
(2) ?c=1-
T0TH290360?1??0.71, ?'c=?T11000TH?T0360?290=5.14
QH,c=?'cWnet,c=?'c?cQ1=5.14?0.71?100=365.14kJ
(3) 此复合系统虽未消耗机械功，但由高温热源放出热量Q1作为代价，使得部分热量从低温热源T0
传到较高温热源TH，因此并不违背热力学第二定律。 5-6 ?c=1-
T2300?1?T12000=0.85
(1) W=?cQ1=0.85?1=0.85kJ，可能作出的最大功为0.85kJ，所以这种情形是不可能实现的。 (2) W=?cQ1=0.85?2=1.70kJ，Q2=Q1-W=2-1.70=0.30kJ，所以这种情形有实现的可能（如果自然界存
在可逆过程的话），而且是可逆循环。
(3) Q1, c=Wnet/?c=1.5/0.85= 1.765kJ，Q1=Wnet+Q2=1.5+0.5=2.0kJ>Q1, c, 此循环可以实现，且耗热比可逆
循环要多，所以是不可逆循环。
1. 实际气体性质与理想气体性质差异产生的原因是什么？在什么条件下才可以把实际气体作理想气体处理？
答：差异产生的原因就是理想气体忽略了分子体积与分子间作用力。当p→0时，实际气体成为理想气
体。实际情况是当实际气体距离其液态较远时，分子体积与分子间作用力的影响很小，可以把实际气体当作理想气体处理。 2.
压缩因子Z的物理意义怎么理解？能否将Z当作常数处理？
答：由于分子体积和分子间作用力的影响，实际气体的体积与同样状态下的理想气体相比，发生了变化。变化的比例就是压缩因子。Z不能当作常数处理。 3.
范德瓦尔方程的精度不高，但是在实际气体状态方程的研究中范德瓦尔方程的地位却很高，为什么？ 答：范德瓦尔方程是第一个实际气体状态方程，在各种实际气体状态方程中它的形式最简单；它较好地定性地描述了实际气体的基本特征；其它半理论半经验的状态方程都是沿范德瓦尔方程前进的。 4.
范德瓦尔方程中的物性常数a和b可以由实验数据拟合得到，也可以由物质的Tcr、pcr、vcr计算得到，需要较高的精度时应采用哪种方法，为什么？
答：实验数据来自于实际，而范德瓦尔临界压缩因子与实际的压缩因子误差较大，所以由试验数据拟合得到的接近于实际。
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5. 如何看待维里方程？一定条件下维里系数可以通过理论计算，为什么维里方程没有得到广泛应用？ 答：维里方程具有坚实的理论基础，各个维里系数具有明确的物理意义，并且原则上都可以通过理论
计算。但是第四维里系数以上的高级维里系数很难计算，三项以内的维里方程已在BWR方程、MH方程中得到了应用，故在计算工质热物理性质时没有必要再使用维里方程，而是在研究实际气体状态方程时有所应用。 6.
什么叫对应态定律？为什么要引入对应态定律？什么是对比参数？
答：在相同的对比态压力和对比态温度下，不同气体的对比态比体积必定相同。引入对应态原理，可以使我们在缺乏详细资料的情况下，能借助某一资料充分的参考流体的热力性质来估算其它流体的性质。某气体状态参数与其临界参数的比值称为热力对比参数。（对比参数是一种无量纲参数） 7.
物质除了临界状态、p–v图上通过临界点的等温线在临界点的一阶导数等于零、两阶导数等于零等性质以外，还有哪些共性？如何在确定实际气体的状态方程时应用这些共性？ 答： 8.
自由能和自由焓的物理意义是什么？两者的变化量在什么条件下会相等？ 答：H=G + TS，U=F + TS。
dg =dh–d(Ts) =dh–Tds–sdT，简单可压缩系统在可逆等温等压条件下，处于平衡状态：dg =–Tds，ds=0?dg=0。若此时系统内部发生不可逆变化（外部条件不变），则ds>0，?dg<0。例如系统内部发生化学反应，化学能转化为内热能（都是热力学能），必要条件是dg<0，否则过程不能发生。
类似地，简单可压缩系统在等温等容条件下，内部发生变化的必要条件是：df<0。
引申：系统的g、f没有时，dg=0，df=0。内部变化不再进行。进而可以认为g、f是系统内部变化的能力和标志，所以分别称为自由焓、自由能，相应地，TS可称为束缚能。
与火用相比，吉布斯自由能和亥姆霍兹自由能不需要与环境状态联系，且是工质的状态参数。——搞理论热力学的人（物理学家们）根本不拿火用当回事。
两者的变化量在什么条件下会相等？有什么意义呢？dg–df=d(h–Ts)–d(u–Ts)=dh–du=0，对于理想气体可逆等温过程，两者的变化量相等。或者：dh–du= d(pv)=0 9.
什么是特性函数？试说明u=u(s, p)是否是特性函数。
答：某些状态参数表示成特定的两个独立参数的函数时，只需一个状态参数就可以确定系统的其它参数，这样的函数就称为特性函数。热力学能函数仅在表示成熵及比体积的函数时才是特性函数，换成其它独立参数，如u=u(s, p)，则不能由它全部确定其它平衡性质，也就不是特性函数了。 10. 常用的热系数有哪些？是否有共性？
答：热系数由基本状态参数p、v、T构成，可以直接通过实验确定其数值。 11. 如何利用状态方程和热力学一般关系式求取实际气体的?u、?h、?s？
答：根据热力学一般关系式和状态方程式以及补充数据，可以利用已知性质推出未知性质，并求出能量转换关系。例如，当计算单位态p0、T0变到某一其它状态p、利用dH方程式，即式（5-45）。
p 质量气体由参考状
b(p, T0) p= const. A(p, T) T0= const.
T后焓的变化时，可由于焓是一种状态
T= const.
p0= const.
0(p0, T0) a(p0, T)
T 图5-