工程热力学例题与习题

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1、工程热力学例题与习题（第三版）目录第1章基本概念………………………………………………………1第2章理想气体的性质………………………………………………6第3章热力学第一定律………………………………………………16第4章理想气体热力过程及气体压缩………………………………30第5章热力学第二定律………………………………………………44第7章水蒸汽………………………………………………………61第8章湿空气………………………………………………………73第9章气体和蒸汽的流动……………………………………………85第10章动力循环及制冷循环………………………………………100第1章基本概念1．1本章基本要求

2、深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。1．2本章难点1．热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。2．引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。3．系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化,否则很难获得正确的结论。4．稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态时状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间

3、变化的状态。二者既有所区别，又有联系。平衡必稳定,稳定未必平衡。5．注意状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。1．3例题例1：绝热刚性容器内的气体通过阀门向气缸充气。开始时气缸内没有气体,如图1.1所示。气缸充气后,气体推动气缸内的活塞向上移动,如图1.2所示。设管道阀门以及气缸均可认为是绝热的。若分别选取开口系统与闭口系统,试说明它们的边界应该如何划定?这些系统与外界交换的功量与热量又如何?解：(1)若以容器内原有的气体作为分析对象，属于闭口系统。容器放气前，边界如图1.1中的虚线所示。放气后边界如图1.2中的虚线所示。气体对活塞作的功W是闭口系统与外界交换的功量。气体通过活塞与外界交换

4、的热量Q是此闭口系统的传热量。图1.1图1.2图1.3图1.4（2）若以容器放气后残留在容器内的气体作为分析对象，同样也是闭口系统。这时放气前的边界如图1.3中的虚线所示。放气后的边界如图1.4的虚线表示。残留气体对离开容器的那部分放逸气体所作的功，是本闭口系统与外界交换的功，残留气体与放逸气体之间交换的热量是本系统的传热量。（3）类似地若以放逸气体为分析对象，同样也是闭口系统。其边界将如图1.3和图1.4中的点划线所示。此闭口系统与外界交换的功量除了与残留气体之间的功量(大小与第二种情况的相同，方向相反)外，还应包括对活塞所作的功。同样，除了与残留气体之间的传热量(大小与第二种情况的相同，方

5、向相反)外，还应包括通过活塞与外界交换的热量。（4）若以容器或气缸为分析对象，则均属开口系统，容器的壁面或气缸与活塞的壁面为其边界。前者以对放逸气体作出的流动功与传热量为系统与外界交换的功量与热量，后者以对活塞及管道内气体的功量与热量为系统与外界交换的功量与热量。例2：温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？解：此热力过程为准静态过程，因为此热力过程的弛豫时间很短，热源非常缓慢地把热量加给冰水混合物，则冰水混合物重建热力平衡的时间远远小于传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏，所以可以近似地把此热力

6、过程看作是准静态过程。分析此热力过程，取为系统的冰水混合物和作为外界的热源之间存在有温差，100℃的高质能通过传热过程转换为0℃的低质能，有能量的耗散，所以此热力过程不能被假设为可逆过程。例3:表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。图1.5汽例4：一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，它们的温度与压力分别

7、相等，不随时间变化。试问汽水混合物是否已处于平衡态？汽水混合物的各种参数量是否到处均匀？水解：如图1.5所示的刚性绝热容器内，水和水蒸气的压力相同，温度相等，均不随时间变化，而且不受外界的影响，因此该汽水混合物已处于平衡态。处于平衡态的汽水的混合物中，汽相与液相的密度显然不同。因此即使处于平衡态的系统内部，各种参数并不一定均匀。说明：系统内部各种参数均匀的必定平衡；反之平衡时未必各种参数都是均匀，