工程熱力學(xué) 第四版思考題答案(完整版)(沈維道)(高等教育出版社)

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工程熱力學(xué)第四版沈維道 思考題 完整版 第 1 章 基本概念及定義 1 閉口系與外界無物質(zhì)交換 系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量將保持恒定 那么 系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系 一定是閉口系統(tǒng)嗎 答 否 當(dāng)一個控制質(zhì)量的質(zhì)量入流率與質(zhì)量出流率相等時 如穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng) 系統(tǒng)內(nèi)的 質(zhì)量將保持恒定不變 2 有人認(rèn)為 開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換 而物質(zhì)又與能量不可分割 所以開口系不 可能是絕熱系 這種觀點對不對 為什么 答 不對 絕熱系 指的是過程中與外界無熱量交換的系統(tǒng) 熱量是指過程中系統(tǒng)與外界 間以熱的方式交換的能量 是過程量 過程一旦結(jié)束就無所謂 熱量 物質(zhì)并不 擁有 熱量 一個系統(tǒng)能否絕熱與其邊界是否對物質(zhì)流開放無關(guān) 平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系 平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系 答 平衡狀態(tài) 與 穩(wěn)定狀態(tài) 的概念均指系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時間而變化 這是它們的共同 點 但平衡狀態(tài)要求的是在沒有外界作用下保持不變 而平衡狀態(tài)則一般指在外界作用下保 持不變 這是它們的區(qū)別所在 倘使容器中氣體的壓力沒有改變 試問安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)會改變嗎 在絕對 壓力計算公式 中 當(dāng)?shù)卮髿鈮菏欠癖囟ㄊ黔h(huán)境大氣壓 答 可能會的 因為壓力表上的讀數(shù)為表壓力 是工質(zhì)真實壓力與環(huán)境介質(zhì)壓力之差 環(huán)境 介質(zhì)壓力 譬如大氣壓力 是地面以上空氣柱的重量所造成的 它隨著各地的緯度 高度和 氣候條件不同而有所變化 因此 即使工質(zhì)的絕對壓力不變 表壓力和真空度仍有可能變化 當(dāng)?shù)卮髿鈮?并非就是環(huán)境大氣壓 準(zhǔn)確地說 計算式中的 Pb 應(yīng)是 當(dāng)?shù)丨h(huán)境介質(zhì) 的壓 力 而不是隨便任何其它意義上的 大氣壓力 或被視為不變的 環(huán)境大氣壓力 溫度計測溫的基本原理是什么 答 溫度計對溫度的測量建立在熱力學(xué)第零定律原理之上 它利用了 溫度是相互熱平衡的 系統(tǒng)所具有的一種同一熱力性質(zhì) 這一性質(zhì)就是 溫度 的概念 經(jīng)驗溫標(biāo)的缺點是什么 為什么 答 由選定的任意一種測溫物質(zhì)的某種物理性質(zhì) 采用任意一種溫度標(biāo)定規(guī)則所得到的溫標(biāo) 稱為經(jīng)驗溫標(biāo) 由于經(jīng)驗溫標(biāo)依賴于測溫物質(zhì)的性質(zhì) 當(dāng)選用不同測溫物質(zhì)制作溫度計 采 用不同的物理性質(zhì)作為溫度的標(biāo)志來測量溫度時 除選定的基準(zhǔn)點外 在其它溫度上 不同 的溫度計對同一溫度可能會給出不同測定值 盡管差值可能是微小的 因而任何一種經(jīng)驗 溫標(biāo)都不能作為度量溫度的標(biāo)準(zhǔn) 這便是經(jīng)驗溫標(biāo)的根本缺點 bvbbeb PPPP 促使系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因是什么 舉例說明 答 分兩種不同情況 若系統(tǒng)原本不處于平衡狀態(tài) 系統(tǒng)內(nèi)各部分間存在著不平衡勢差 則在不平衡勢差的作用 下 各個部分發(fā)生相互作用 系統(tǒng)的狀態(tài)將發(fā)生變化 例 將一塊燒熱了的鐵扔進(jìn)一盆水中 對于水和該鐵塊構(gòu)成的系統(tǒng)說來 由于水和鐵塊之間存在著溫度差別 起初系統(tǒng)處于熱不平 衡的狀態(tài) 這種情況下 無需外界給予系統(tǒng)任何作用 系統(tǒng)也會因鐵塊對水放出熱量而發(fā)生 狀態(tài)變化 鐵塊的溫度逐漸降低 水的溫度逐漸升高 最終系統(tǒng)從熱不平衡的狀態(tài)過渡到一 種新的熱平衡狀態(tài) 若系統(tǒng)原處于平衡狀態(tài) 則只有在外界的作用下 作功或傳熱 系統(tǒng)的狀態(tài)才會發(fā)生變 圖 1 16a b 所示容器為剛性容器 將容器分成兩 部分 一部分裝氣體 一部分抽成真空 中間是隔板 若突然抽去隔板 氣體 系統(tǒng) 是否作功 設(shè)真空部分裝有許多隔板 每抽去一塊隔板讓氣體先 恢復(fù)平衡再抽去一塊 問氣體 系統(tǒng) 是否作功 上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài) 其過程是否都可在 P v 圖上表示 答 受剛性容器的約束 氣體與外界間無任何力的作用 氣體 系統(tǒng) 不對外界作功 b 情況下系統(tǒng)也與外界無力的作用 因此系統(tǒng)不對外界作功 a 中所示的情況為氣體向真空膨脹 自由膨脹 的過程 是典型的不可逆過程 過程 中氣體不可能處于平衡狀態(tài) 因此該過程不能在 P v 圖上示出 b 中的情況與 a 有所不同 若隔板數(shù)量足夠多 每當(dāng)抽去一塊隔板時 氣體只作極微小的膨脹 因而可認(rèn)為過程中氣體 始終處在一種無限接近平衡的狀態(tài)中 即氣體經(jīng)歷的是一種準(zhǔn)靜過程 這種過程可以在 P v 圖上用實線表示出來 9 經(jīng)歷一個不可逆過程后 系統(tǒng)能否恢復(fù)原來狀態(tài) 包括系統(tǒng)和外界的整個系統(tǒng)能否恢復(fù)原 來狀態(tài) 答 所謂過程不可逆 是指一并完成該過程的逆過程后 系統(tǒng)和它的外界不可能同時恢復(fù)到 他們的原來狀態(tài) 并非簡單地指系統(tǒng)不可能回復(fù)到原態(tài) 同理 系統(tǒng)經(jīng)歷正 逆過程后恢復(fù) 到了原態(tài)也并不就意味著過程是可逆的 過程是否可逆 還得看與之發(fā)生過相互作用的所有 外界是否也全都回復(fù)到了原來的狀態(tài) 沒有遺留下任何變化 原則上說來經(jīng)歷一個不可逆過 程后系統(tǒng)是可能恢復(fù)到原來狀態(tài)的 只是包括系統(tǒng)和外界在內(nèi)的整個系統(tǒng)則一定不能恢復(fù)原 來狀態(tài) 系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆正向循環(huán)及其逆向可逆循環(huán)后 系統(tǒng)和外界有什么變化 若上述正向及逆 向循環(huán)中有不可逆因素 則系統(tǒng)及外界有什么變化 答 系統(tǒng)完成一個循環(huán)后接著又完成其逆向循環(huán)時 無論循環(huán)可逆與否 系統(tǒng)的狀態(tài)都不會 有什么變化 根據(jù)可逆的概念 當(dāng)系統(tǒng)完成可逆過程 包括循環(huán) 后接著又完成其逆向過程 時 與之發(fā)生相互作用的外界也應(yīng)一一回復(fù)到原來的狀態(tài) 不遺留下任何變化 若循環(huán)中存 在著不可逆因素 系統(tǒng)完成的是不可逆循環(huán)時 雖然系統(tǒng)回復(fù)到原來狀態(tài) 但在外界一定會 遺留下某種永遠(yuǎn)無法復(fù)原的變化 工質(zhì)及氣缸 活塞組成的系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)后 系統(tǒng)輸出的功中是否要減去活塞排斥大氣功才是 有用功 a b 圖 1 16 思考題 8 附圖 答 不需要 由于活塞也包含在系統(tǒng)內(nèi) 既然系統(tǒng)完成的是循環(huán)過程 從總的結(jié)果看來活塞 并未改變其位置 實際上不存在排斥大氣的作用 第 2 章熱力學(xué)第一定律 1 熱力學(xué)能就是熱量嗎 答 不是 熱力學(xué)能是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù) 是工質(zhì)的性質(zhì) 是工質(zhì)內(nèi)部儲存能量 是與狀態(tài)變 化過程無關(guān)的物理量 熱量是工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化時通過系統(tǒng)邊界傳遞的熱能 其大小與變化 過程有關(guān) 熱量不是狀態(tài)參數(shù) 2 若在研究飛機(jī)發(fā)動機(jī)中工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律時把參考坐標(biāo)建在飛機(jī)上 工質(zhì)的總能中是否 包括外部儲存能 在以氫 氧為燃料的電池系統(tǒng)中系統(tǒng)的熱力學(xué)能是否應(yīng)包括氫和氧的化學(xué) 能 答 無論參考坐標(biāo)建立在何處 工質(zhì)的總能中始終包括外部儲存能 只不過參考坐標(biāo)建立合 適 工質(zhì)的宏觀動能 宏觀勢能的值等于零 便于計算 氫氧燃料電池中化學(xué)能變化是主要的能量變化 因而不可忽略 3 能否由基本能量方程式得出功 熱量和熱力學(xué)能是相同性質(zhì)的參數(shù)的結(jié)論 q u w 不能 基本能量方程式僅僅說明且充分說明功 熱量和熱力學(xué)能都是能量 都是能量存 在的一種形式 在能量的數(shù)量上它們是有等價關(guān)系的 而不涉及功 熱量和熱力學(xué)能的其他 屬性 也表明功 熱量和熱力學(xué)能的其他屬性與能量本質(zhì)無關(guān) 4 一剛性容器 中間用絕熱隔板分為兩部分 A 中存有高壓空 氣 B 中保持真空 如圖 2 12 所示 若將隔板抽去 分析容器 中空氣的熱力學(xué)能將如何變化 若在隔板上有一小孔 氣體泄 漏入 B 中 分析 A B 兩部分壓力相同時 A B 兩部分氣體熱力 學(xué)能如何變化 答 q u w q 0 u 為負(fù)值 u 減少 轉(zhuǎn)化為氣體的動 能 動能在 B 中經(jīng)內(nèi)部摩擦耗散為熱能被氣體重新吸收 熱力 學(xué)能增加 最終 u 0 5 熱力學(xué)第一定律的能量方程式是否可寫成下列形式 為什 么 q u pv q2 q1 u2 u1 w2 w1 不可以 w 不可能等于 pv w 是過程量 pv 則是狀態(tài)參數(shù) q 和 w 都是過程量 所以不會有 q2 q1和 w2 w1 6 熱力學(xué)第一定律解析式有時寫成下列兩者形式 q u w q u pdv12 隔板 A B 圖 2 12 自由膨脹 分別討論上述兩式的適用范圍 前者適用于任意系統(tǒng) 任意工質(zhì)和任意過程 后者適用于任意系統(tǒng) 任意工質(zhì)和可逆過程 7 為什么推動功出現(xiàn)在開口系能量方程中 而不出現(xiàn)在閉口系能量方程式中 推動功的定義為 工質(zhì)在流動時 推動它下游工質(zhì)時所作的功 開口系工質(zhì)流動 而閉 口系工質(zhì)不流動 所以推動功出現(xiàn)在開口系能量方程中 而不出現(xiàn)在閉口系能量方程式中 我個人認(rèn)為推動功應(yīng)該定義為由于工質(zhì)在一定狀態(tài)下占有一定空間所具有的能量 它是 工質(zhì)本身所固有的性質(zhì) 是一個狀態(tài)參數(shù) 推動功既可以出現(xiàn)在開口系能量方程中 也可以 出現(xiàn)在閉口系能量方程式中 需要把 w 拆開 w w t pv 占位能 8 焓是工質(zhì)流入 或流出 開口系時傳遞入 或傳遞出 系統(tǒng)的總能量 那么閉口系工質(zhì)有 沒有焓值 比較正規(guī)的答案是 作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù) 閉口系工質(zhì)也有焓值 但是由于工質(zhì)不流動 所以其焓值沒有什么意義 焓 熱力學(xué)能 占位能 9 氣體流入真空容器 是否需要推動功 推動功的定義為 工質(zhì)在流動時 推動它下游工質(zhì)時所作的功 下游無工質(zhì) 故不需要 推動功 利用開口系統(tǒng)的一般能量方程式推導(dǎo)的最終結(jié)果也是如此 10 穩(wěn)定流動能量方程式 2 21 是否可應(yīng)用于像活塞式壓氣機(jī)這樣的機(jī)械穩(wěn)定工況運行的 能量分析 為什么 可以 熱力系統(tǒng)的選取有很大的自由度 一般把活塞式壓氣機(jī)取為閉口系統(tǒng) 是考察其 一個沖程內(nèi)的熱力變化過程 如果考慮一段時間內(nèi)活塞式壓氣機(jī)的工作狀況和能量轉(zhuǎn)換情況 就需要把它當(dāng)成穩(wěn)定流動系統(tǒng)處理 包括進(jìn)排氣都認(rèn)為是連續(xù)的 11 為什么穩(wěn)定流動開口系內(nèi)不同部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能 比焓 比熵等都會改變 而整個 系統(tǒng)的 UCV 0 HCV 0 SCV 0 控制體的 UCV 0 HCV 0 SCV 0 是指過程進(jìn)行時間前后的變化值 穩(wěn)定流動系統(tǒng)在不同 時間內(nèi)各點的狀態(tài)參數(shù)都不發(fā)生變化 所以 UCV 0 HCV 0 SCV 0 穩(wěn)定流動開口系內(nèi)不同 部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能 比焓 比熵等的改變僅僅是依坐標(biāo)的改變 12 開口系實施穩(wěn)定流動過程 是否同時滿足下列三式 Q dU W Q dH Wt Q dH mgdz Wi 2fcdm 上述三式中 W W t和 Wi的相互關(guān)系是什么 答 都滿足 W d pV Wt d pV mgdz Wi2f Wt mgdz Wi 2fcd 13 幾股流體匯合成一股流體稱為合流 如圖 2 13 所示 工程上幾臺壓氣機(jī)同時向主氣道送氣以及混合式換熱器等 qm1 1 p1 T1 3 1 qm3 p3 T3 2 3 qm2 p2 T2 2 圖 2 13 合流 都有合流的問題 通常合流過程都是絕熱的 取 1 1 2 2 和 3 3 截面之間的空間為控制體積 列出能量方程式并導(dǎo)出出口截面上焓值 h3的計算式 答 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 離開系統(tǒng)的能量 系統(tǒng)貯存能量的變化 系統(tǒng)貯存能量的變化 不變 進(jìn)入系統(tǒng)的能量 q m1帶入的和 qm2帶入的 沒有熱量輸入 qm1 h 1 cf12 2 gz1 q m2 h 2 cf22 2 gz2 離開系統(tǒng)的能量 q m3帶出的 沒有機(jī)械能 軸功 輸出 qm3 h 3 cf32 2 gz3 如果合流前后流速變化不太大 且勢能變化一般可以忽略 則能量方程為 qm1 h1 qm2 h2 qm3 h3 出口截面上焓值 h3的計算式 h3 q m1 h1 qm2 h2 q m3 本題中 如果流體反向流動就是分流問題 分流與合流問題的能量方程式是一樣的 一般習(xí) 慣前后反過來寫 qm1 h1 qm2 h2 qm3 h3 第 3 章氣體和蒸汽的性質(zhì) 1 怎樣正確看待 理想氣體 這個概念 在進(jìn)行實際計算時如何決定是否可采用理想氣體的 一些公式 第一個問題很含混 關(guān)于 理想氣體 可以說很多 可以說理想氣體的定義 理想氣體 是一種假想的實際上不存在的氣體 其分子是一些彈性的 不占體積的質(zhì)點 分子間無相互 作用力 也可以說 理想氣體是實際氣體的壓力趨近于零時極限狀況 還可以討論什么情況 下 把氣體按照理想氣體處理 這已經(jīng)是后一個問題了 后一個問題 當(dāng)氣體距離液態(tài)比較 遠(yuǎn)時 此時分子間的距離相對于分子的大小非常大 氣體的性質(zhì)與理想氣體相去不遠(yuǎn) 可 qm3 3 p3 T3 1 3 qm1 p1 T1 2 1 qm2 p2 T2 2 圖 2 14 分流 以當(dāng)作理想氣體 理想氣體是實際氣體在低壓高溫時的抽象 2 氣體的摩爾體積 Vm是否因氣體的種類而異 是否因所處狀態(tài)不同而異 任何氣體在任意 狀態(tài)下摩爾體積是否都是 0 022414m3 mol 氣體的摩爾體積 Vm不因氣體的種類而異 所處狀態(tài)發(fā)生變化 氣體的摩爾體積也隨之發(fā) 生變化 任何氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) p 101325Pa T 273 15K 下摩爾體積是 0 022414m3 mol 在 其它狀態(tài)下 摩爾體積將發(fā)生變化 3 摩爾氣體常數(shù) R 值是否隨氣體的種類而不同或狀態(tài)不同而異 摩爾氣體常數(shù) R 是基本物理常數(shù) 它與氣體的種類 狀態(tài)等均無關(guān) 4 如果某種工質(zhì)的狀態(tài)方程式為 pv RgT 這種工質(zhì)的比熱容 熱力學(xué)能 焓都僅僅是溫度的 函數(shù)嗎 是的 5 對于確定的一種理想氣體 c p cv是否等于定值 c p cv是否為定值 c p cv c p cv是否 隨溫度變化 cp cv Rg 等于定值 不隨溫度變化 c p cv不是定值 將隨溫度發(fā)生變化 6 邁耶公式 cp cv Rg是否適用于動力工程中應(yīng)用的高壓水蒸氣 是否適用于地球大氣中的 水蒸氣 不適用于前者 一定條件下近似地適用于后者 7 氣體有兩個獨立的參數(shù) u 或 h 可以表示為 p 和 v 的函數(shù) 即 u f p v 但又曾得出 結(jié)論 理想氣體的熱力學(xué)能 或焓 只取決于溫度 這兩點是否矛盾 為什么 不矛盾 pv RgT 熱力學(xué)能 或焓 與溫度已經(jīng)相當(dāng)于一個狀態(tài)參數(shù) 他們都可以表示 為獨立參數(shù) p 和 v 的函數(shù) 8 為什么工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和熵為零的基準(zhǔn)可以任選 所有情況下工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和 熵為零的基準(zhǔn)都可以任選 理想氣體的熱力學(xué)能或焓的參照狀態(tài)通常選定哪個或哪些個狀態(tài) 參數(shù)值 對理想氣體的熵又如何 我們經(jīng)常關(guān)注的是工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和熵的變化量 熱力學(xué)能 焓和熵的絕對量對變 化量沒有影響 所以可以任選工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和熵為零的基準(zhǔn) 所有情況下工質(zhì)的熱力 學(xué)能 焓和熵為零的基準(zhǔn)都可以任選 不那么絕對 但是在工程熱力學(xué)范圍內(nèi) 可以這么說 工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和熵的絕對零點均為絕對零度 0K 但是目前物理學(xué)研究成果表明 即使絕對零度 工質(zhì)的熱力學(xué)能 焓和熵也不準(zhǔn)確為零 在絕對零度 物質(zhì)仍有零點能 由 海森堡測不準(zhǔn)關(guān)系確定 熱力學(xué)第三定律可以表述為 絕對零度可以無限接近 但永遠(yuǎn)不 可能達(dá)到 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) p 101325Pa T 273 15K p 101325Pa T 293 15K p 101325Pa T 298 15K 水的三相點 等等 9 氣體熱力性質(zhì)表中的 u h 及 s0的基準(zhǔn)是什么狀態(tài) 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 10 在圖 3 15 所示的 T s 圖上任意可逆過程 1 2 的熱量如何表示 理想氣體 1 和 2 狀態(tài)間 熱力學(xué)能變化量 焓變化量能否在圖上用面積表示 若 1 2 經(jīng)過的是不可逆過程又如何 曲線 1 2 下的曲邊梯形面積就是任意可逆過程 1 2 的熱量 dQ TdS 沿過程的積分 Q U W 所以 U Q W 不可逆過程傳熱量不能用曲邊梯形面積表達(dá) 但是熱力學(xué)能和焓還 可以用原方式表達(dá) 因為熱力學(xué)能和焓都是狀態(tài)參數(shù) 其變化與過程路徑無關(guān) 11 理想氣體熵變計算式 3 39 3 41 3 43 等是由可逆過程導(dǎo)出 這些計算式 是否可以用于不可逆過程初 終態(tài)的熵變 為什么 可以 熵是狀態(tài)參數(shù) 其變化與過程路徑無關(guān) 12 熵的數(shù)學(xué)定義式為 ds dq T 又 dq cdT 故 ds cdT T 因理想氣體的比熱容是溫度的 單值函數(shù) 所以理想氣體的熵也是溫度的單值函數(shù) 這一結(jié)論是否正確 若不正確 錯在何 處 不正確 錯在 c 不是狀態(tài)參數(shù) 與過程有關(guān) 是溫度單值函數(shù)的是定過程比熱 13 試判斷下列各說法是否正確 1 氣體吸熱后熵一定增大 2 氣體吸熱后溫度一定升高 3 氣體吸熱后熱力學(xué) 能一定增加 4 氣體膨脹時一定對外作功 5 氣體壓縮時一定耗功 1 正確 2 不正確 3 不正確 4 正確 5 正確 14 氮 氧 氨這樣的工質(zhì)是否和水一樣也有飽和狀態(tài)的概念 也存在臨界狀態(tài) 是的 幾乎所有的純物質(zhì) 非混合物 都有飽和狀態(tài)的概念 也存在臨界狀態(tài) 此外的 物質(zhì)性質(zhì)更為復(fù)雜 15 水的三相點的狀態(tài)參數(shù)是不是唯一確定的 三相點與臨界點有什么差異 水的三相點的狀態(tài)參數(shù)是唯一確定的 這一點由吉布斯相律確認(rèn) 對于多元 如 k 個組 元 多相 如 f 個相 無化學(xué)反應(yīng)的熱力系 其獨立參數(shù) 即自由度 n k f 2 三相點 k 1 f 3 故 n 0 三相點是三相共存點 在該點發(fā)生的相變都具有相變潛熱 臨界點兩相歸一 差別消失 相變是連續(xù)相變 沒有相變潛熱 三相點各相保持各自的物性參數(shù)沒有巨大的變化 臨界點 的物性參數(shù)會產(chǎn)生巨大的峰值變化 三相點和臨界點是蒸汽壓曲線的兩個端點 三相點容易 T 0 s 1 2 p 0 p v 1 2 U 實現(xiàn) 臨界點不容易實現(xiàn) 16 水的汽化潛熱是否是常數(shù) 有什么變化規(guī)律 水的汽化潛熱不是常數(shù) 三相點汽化潛熱最大 隨著溫度和壓力的提高汽化潛熱逐漸縮 小 臨界點處汽化潛熱等于零 17 水在定壓汽化過程中 溫度保持不變 因此 根據(jù) q u w 有人認(rèn)為過程中的熱量等于 膨脹功 即 q w 對不對 為什么 不對 u cv T 是對單相理想氣體而言的 水既不是理想氣體 汽化又不是單相變化 所以 q w 的結(jié)論是錯的 18 有人根據(jù)熱力學(xué)第一定律解析式 q dh vdp 和比熱容的定義 c 所以認(rèn)為dTq 是普遍適用于一切工質(zhì)的 進(jìn)而推論得出水定壓汽化時 溫度不變 因此其焓變Tchp 21 量 0 這一推論錯誤在哪里 T21 c 是針對單相工質(zhì)的 不適用于相變過程 dq 第四章氣體和蒸汽的基本熱力過程 1 試以理想氣體的定溫過程為例 歸納氣體的熱力過程要解決的問題及使用方法 要解決的問題 揭示過程中狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律 揭示熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換情況 找出其內(nèi)在規(guī)律及影響轉(zhuǎn)化的因素 在一定工質(zhì)熱力性質(zhì)的基本條件下 研究外界條件對能 量轉(zhuǎn)換的影響 從而加以利用 使用的方法 分析典型的過程 分析理想氣體的定值的可逆過程 即過程進(jìn)行時限定某 一參數(shù)不發(fā)生變化 分析步驟 1 建立過程方程式 2 找出 基本 狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律 確定不同狀態(tài)下參數(shù)之間的關(guān)系 3 求出能量參數(shù)的變化 過程功 技術(shù)功 熱力學(xué)能 焓 熵 傳熱量等等 4 畫出過程變化曲線 在 T s 圖 p v 圖上 2 對于理想氣體的任何一種過程 下列兩組公式是否都適用 u cv t2 t1 h cp t2 t1 q u cv t2 t1 q h cp t2 t1 第一組都適用 第二組不適用 第二組第一式只適用于定容過程 第二式只適用于定壓 過程 3 在定容過程和定壓過程中 氣體的熱量可根據(jù)過程中氣體的比熱容乘以溫差來計算 定溫 過程氣體的溫度不變 在定溫膨脹過程中是否需要對氣體加入熱量 如果加入的話應(yīng)如何計 算 需要加入熱量 q u w 對于理想氣體 q w 或 q h wt 對于理想氣體 q 12lnvRT wt 12lnvRT 4 過程熱量 q 和過程功 w 都是過程量 都和過程的途徑有關(guān) 由理想氣體可逆定溫過程熱量 公式 q 可知 只要狀態(tài)參數(shù) p1 v1和 v2確定了 q 的數(shù)值也確定了 是否可逆定溫12lnvp 過程的熱量 q 與途徑無關(guān) 可逆定溫過程 已經(jīng)把途徑規(guī)定好了 此時談與途徑的關(guān)系沒有意義 再強(qiáng)調(diào)一遍 過程熱量 q 和過程功 w 都是過程量 都和過程的途徑有關(guān) 5 閉口系在定容過程中外界對系統(tǒng)施以攪拌功 w 問這時 Q mcvdT 是否成立 不成立 攪拌功 w 以機(jī)械能形式通過系統(tǒng)邊界 在工質(zhì)內(nèi)部通過流體內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闊?從而導(dǎo)致溫度和熱力學(xué)能升高 Q 是通過邊界傳遞的熱能 不包括機(jī)械能 6 絕熱過程的過程功 w 和技術(shù)功 wt的計算式 w u1 u2 wt h1 h2 是否只適用于理想氣體 是否只限于可逆絕熱過程 為什么 兩式來源于熱力學(xué)第一定律的第一表達(dá)式和第二表達(dá)式 唯一條件就是絕熱 q 0 與是 否理想氣體無關(guān) 且與過程是否可逆也無關(guān) 只是必須為絕熱過程 7 試判斷下列各種說法是否正確 1 定容過程即無膨脹 或壓縮 功的過程 2 絕熱過程即定熵過程 3 多變過程即任意過程 答 1 定容過程即無膨脹 或壓縮 功的過程 正確 2 絕熱過程即定熵過程 錯誤 可逆絕熱過程是定熵過 程 不可逆絕熱過程不是定熵過程 3 多變過程即任意過程 錯誤 右圖中的過程就不是多 變過程 8 參照圖 4 17 試證明 q1 2 3 q1 4 3 圖中 1 2 4 3 各為定容過程 1 4 2 3 各為 定壓過程 證明 q1 2 3 q1 2 q2 3 q1 4 3 q1 4 q4 3 q1 2 cv T2 T1 q2 3 cp T3 T2 cv T3 T2 R T3 T2 q4 3 cv T3 T4 q1 4 cp T4 T1 cv T4 T1 R T4 T1 q1 2 3 q1 2 q2 3 cv T2 T1 cv T3 T2 R T3 T2 cv T3 T1 R T3 T2 q1 4 3 q1 4 q4 3 cv T4 T1 R T4 T1 cv T3 T4 7 題圖 p 2 3 1 4 O v 圖 4 17 cv T3 T1 R T4 T1 于是 q1 2 3 q1 4 3 R T3 T2 R T4 T1 R T4 T1 T4 T1 R 1 T4 T1 02p12p 所以 q1 2 3 q1 4 3 證畢 9 如圖 4 18 所示 今有兩個任意過程 a b 及 a c b 點及 c 點在同一條絕熱線上 1 試 問 uab與 uac哪個大 2 若 b 點及 c 點在同一條定溫線上 結(jié)果又如何 依題意 Tb Tc 所以 uab uac 若 b 點及 c 點在同一條定溫線上 則 uab uac 10 理想氣體定溫過程的膨脹功等于技術(shù)功能否推廣到任意氣體 從熱力學(xué)第一定律的第一表達(dá)式和第二表達(dá)式來看 膨脹功和技術(shù)功分別等于 w q u 和 wt q h 非理想氣體的 u 和 h 不一定等于零 也不可能相等 所以理想氣體定溫過程 的膨脹功等于技術(shù)功不能推廣到任意氣體 11 下列三式的使用條件是什么 p2v2k p1v1k T 1v1k 1 T2v2k 1 T 1 T2kp k1 使用條件是 理想氣體 可逆絕熱過程 12 T s 圖上如何表示絕熱過程的技術(shù)功 wt和膨脹功 w 13 在 p v 和 T s 圖上如何判斷過程 q w u h 的正負(fù) 通過過程的起點劃等容線 定容線 過程指向定容線右側(cè) 系統(tǒng)對外作功 w 0 過程 指向定容線左側(cè) 系統(tǒng)接收外功 w0 過程指向定壓線上側(cè) 系統(tǒng)接收外來技術(shù)功 w t 0 p b Tb Tc a c O v 圖 4 18 題解 p b a c O v 圖 4 18 p 0 v 0 通過過程的起點劃等溫線 定溫線 過程指向定溫線下側(cè) u 0 h0 h 0 通過過程的起點劃等熵線 定熵線 過程指向定熵線右側(cè) 系統(tǒng)吸收熱量 q 0 過程 指向定熵線左側(cè) 系統(tǒng)釋放熱量 q0 的過程必為不可逆過程 答 1 錯 不可逆絕熱過程熵也會增大 2 錯 不準(zhǔn)確 不可逆放熱過程 當(dāng)放熱引起的熵減大于不可逆引起的熵增時 亦 即當(dāng)放熱量大于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時 它也可以表現(xiàn)為熵略微減少 但沒有可逆放 熱過程熵減少那么多 3 錯 不可逆放熱過程 當(dāng)放熱引起的熵減等于不可逆引起的熵增時 亦即當(dāng)放熱 量等于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時 它也可以表現(xiàn)為熵沒有發(fā)生變化 4 錯 可逆吸熱過程熵增大 5 錯 理由如上 可以說 使孤立系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程 6 對 5 9 下述說法是否有錯誤 1 不可逆過程的熵變 S 無法計算 2 如果從同一初始態(tài)到 同一終態(tài)有兩條途徑 一為可逆 另一為不可逆 則 S 不可逆 S 可逆 S f 不可逆 Sf 可逆 Sg 不可逆 Sg 可逆 3 不可逆絕熱膨脹終態(tài)熵大于初態(tài)熵 S2 S1 不可逆絕熱壓縮終態(tài)熵 小于初態(tài)熵 S2 S1 4 工質(zhì)經(jīng)過不可逆循環(huán) 0 ds rTq 答 1 錯 熵是狀態(tài)參數(shù) 只要能夠確定起迄點 就可以確定熵變 S 2 錯 應(yīng)為 S 不可逆 S 可逆 S f 不可逆 Sg 可逆 因為熵是狀態(tài)參數(shù) 同一初始狀態(tài)和同一終了狀態(tài)之間的熵差保持同一數(shù)值 與路徑無關(guān) 3 錯 不可逆絕熱壓縮過程的終態(tài)熵也大于初態(tài)熵 S 2 S1 4 錯 因為熵是狀態(tài)參數(shù) 0 ds 5 10 從點 a 開始有兩個可逆過程 定容過程 a b 和定壓過程 a c b c 兩點在同一條絕熱線上 見圖 5 34 問 qa b和 qa c哪個大 并 在 T s 圖上表示過程 a b 和 a c 及 qa b和 qa c 答 可逆定容過程 a b 和可逆定壓過程 a c 的逆過程 c a 以 及可逆絕熱線即定熵線上過程 b c 構(gòu)成一可逆循環(huán) 它們圍成的 面積代表了對外作功量 過程 a b 吸熱 過程 c a 放熱 根據(jù)熱 力學(xué)第一定律 必然有 q a b qc a 才能對外輸出凈功 也就 是 q a b qa c 圖中 q a b為 absbsaa 圍成的面積 q a c為 acsbsaa 圍成的面積 5 11 某種理想氣體由同一初態(tài)經(jīng)可逆絕熱壓縮和不可逆絕熱壓縮 兩種過程 將氣體壓縮到相同的終壓 在 p v 圖上和 T s 圖上畫出兩過程 并在 T s 圖上 示出兩過程的技術(shù)功及不可逆過程的 火 用 損失 答 見圖 sbsa c T s b a 10 題圖 vs2s1 p1 s T p2 T1 不可逆 可逆 11 題圖 T1 p1 p p2不可逆可逆 p b a c 0 v 圖 5 34 5 12 孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了 1 可逆過程 2 不可逆過程 問孤立系統(tǒng)的總能 總熵 總 火 用 各如何變化 答 1 孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了可逆過程后 總能 總熵 總 火 用 都不變 2 孤立系統(tǒng)中進(jìn)行了不可逆過程后 總能不變 總熵 總 火 用 都發(fā)生變化 5 13 例 5 12 中氮氣由 0 45MPa 310K 可逆定溫膨脹變化到 0 11MPa 310K w 1 2 max w 129 71 kJ kg 但根據(jù)最大有用功的概念 膨脹功減去排斥大氣功 無用功 才等于 有用功 這里是否有矛盾 答 沒有矛盾 5 14 下列命題是否正確 若正確 說明理由 若錯誤 請改正 1 成熟的蘋果從樹枝上掉下 通過與大氣 地面的摩擦 碰撞 蘋果的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán) 境介質(zhì)的熱力學(xué)能 勢能全部是 火 用 全部轉(zhuǎn)變?yōu)?火 無 2 在水壺中燒水 必有熱量散發(fā)到環(huán)境大氣中 這就是 火 無 而使水升溫的那部分稱 之為 火 用 3 一杯熱水含有一定的熱量 火 用 冷卻到環(huán)境溫度 這時的熱量就已沒有 火 用 值 4 系統(tǒng)的 火 用 只能減少不能增加 5 任一使系統(tǒng) 火 用 增加的過程必然同時發(fā)生一個或多個使 火 用 減少的過程 5 15 閉口系統(tǒng)絕熱過程中 系統(tǒng)由初態(tài) 1 變化到終態(tài) 2 則 w u1 u2 考慮排斥大氣作功 有用功為 wu u1 u2 p0 v1 v2 但據(jù) 火 用 的概念系統(tǒng)由初態(tài) 1 變化到終態(tài) 2 可以得到的最大 有用功即為熱力學(xué)能 火 用 差 w u max ex U1 exU2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2 為什么系統(tǒng) 由初態(tài) 1 可逆變化到終態(tài) 2 得到的最大有用功反而小于系統(tǒng)由初態(tài) 1 不可逆變化到終態(tài) 2 得 到的有用功小 兩者為什么不一致 第六章實際氣體的性質(zhì)及熱力學(xué)一般關(guān)系式 1 實際氣體性質(zhì)與理想氣體性質(zhì)差異產(chǎn)生的原因是什么 在什么條件下才可以把實際氣體 作理想氣體處理 答 差異產(chǎn)生的原因就是理想氣體忽略了分子體積與分子間作用力 當(dāng) p 0 時 實際氣 體成為理想氣體 實際情況是當(dāng)實際氣體距離其液態(tài)較遠(yuǎn)時 分子體積與分子間作用力的影 響很小 可以把實際氣體當(dāng)作理想氣體處理 2 壓縮因子 Z 的物理意義怎么理解 能否將 Z 當(dāng)作常數(shù)處理 答 由于分子體積和分子間作用力的影響 實際氣體的體積與同樣狀態(tài)下的理想氣體相 比 發(fā)生了變化 變化的比例就是壓縮因子 Z 不能當(dāng)作常數(shù)處理 3 范德瓦爾方程的精度不高 但是在實際氣體狀態(tài)方程的研究中范德瓦爾方程的地位卻很 高 為什么 答 范德瓦爾方程是第一個實際氣體狀態(tài)方程 在各種實際氣體狀態(tài)方程中它的形式最 簡單 它較好地定性地描述了實際氣體的基本特征 其它半理論半經(jīng)驗的狀態(tài)方程都是沿范 德瓦爾方程前進(jìn)的 4 范德瓦爾方程中的物性常數(shù) a 和 b 可以由實驗數(shù)據(jù)擬合得到 也可以由物質(zhì)的 Tcr p cr v cr計算得到 需要較高的精度時應(yīng)采用哪種方法 為什么 答 實驗數(shù)據(jù)來自于實際 而范德瓦爾臨界壓縮因子與實際的壓縮因子誤差較大 所以 由試驗數(shù)據(jù)擬合得到的接近于實際 5 如何看待維里方程 一定條件下維里系數(shù)可以通過理論計算 為什么維里方程沒有得到 廣泛應(yīng)用 答 維里方程具有堅實的理論基礎(chǔ) 各個維里系數(shù)具有明確的物理意義 并且原則上都 可以通過理論計算 但是第四維里系數(shù)以上的高級維里系數(shù)很難計算 三項以內(nèi)的維里方程 已在 BWR 方程 MH 方程中得到了應(yīng)用 故在計算工質(zhì)熱物理性質(zhì)時沒有必要再使用維里方程 而是在研究實際氣體狀態(tài)方程時有所應(yīng)用 6 什么叫對應(yīng)態(tài)定律 為什么要引入對應(yīng)態(tài)定律 什么是對比參數(shù) 答 在相同的對比態(tài)壓力和對比態(tài)溫度下 不同氣體的對比態(tài)比體積必定相同 引入對 應(yīng)態(tài)原理 可以使我們在缺乏詳細(xì)資料的情況下 能借助某一資料充分的參考流體的熱力性 質(zhì)來估算其它流體的性質(zhì) 某氣體狀態(tài)參數(shù)與其臨界參數(shù)的比值稱為熱力對比參數(shù) 對比 參數(shù)是一種無量綱參數(shù) 7 物質(zhì)除了臨界狀態(tài) p v 圖上通過臨界點的等溫線在臨界點的一階導(dǎo)數(shù)等于零 兩階導(dǎo) 數(shù)等于零等性質(zhì)以外 還有哪些共性 如何在確定實際氣體的狀態(tài)方程時應(yīng)用這些共性 答 8 自由能和自由焓的物理意義是什么 兩者的變化量在什么條件下會相等 答 H G TS U F TS dg dh d Ts dh Tds sdT 簡單可壓縮系統(tǒng)在可逆等溫等壓條件下 處于平衡狀態(tài) dg Tds ds 0 dg 0 若此時系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生不可逆變化 外部條件不變 則 ds 0 dg 0 例如系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)熱能 都是熱力學(xué)能 必要 條件是 dg 0 否則過程不能發(fā)生 類似地 簡單可壓縮系統(tǒng)在等溫等容條件下 內(nèi)部發(fā)生變化的必要條件是 dfxB 能否斷定質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是 A B 答 否 質(zhì)量分?jǐn)?shù)還與各組分的摩爾質(zhì)量有關(guān) iiieqM 5 可以近似認(rèn)為空氣是1 mol氧氣和3 76 mol氮氣混合構(gòu)成 即x O2 0 21 x N2 0 79 所以 0 1 MPa 20 C的4 76 mol空氣的熵應(yīng)是0 1 MPa 20 C的1 mol氧氣的熵和0 1 MPa 20 C 的3 76 mol氮氣熵的和 對嗎 為什么 答 不對 計算各組分熵值時 應(yīng)該使用分壓力 即 iisfTp 6 為什么混合氣體的比熱容以及熱力學(xué)能 焓和熵可由各組成氣體的性質(zhì)及其在混合氣體中 的混合比例來決定 混合氣體的溫度和壓力能不能由同樣方法確定 答 根據(jù)比熱容的定義 混合氣體的比熱容是1kg混合氣體溫度升高1 C所需熱量 理想氣體 混合物的分子滿足理想氣體的兩點假設(shè) 各組成氣體分子的運動不因存在其他氣體而受影響 混合氣體的熱力學(xué)能 焓和熵都是廣延參數(shù) 具有可加性 所以混合氣體的比熱容以及熱力 學(xué)能 焓和熵可由各組成氣體的性質(zhì)及其在混合氣體中的混合比例來決定 混合氣體的溫度和壓力是強(qiáng)度參數(shù) 不能由同樣方法確定 7 為何陰雨天曬衣服不易干 而晴天則容易干 答 陰雨天空氣的濕度大 吸取水蒸氣的能力差 所以曬衣服不易干 晴天則恰恰相反 所 以容易干 8 為何冬季人在室外呼出的氣是白色霧狀 冬季室內(nèi)有供暖裝置時 為什么會感到空氣干燥 用火爐取暖時 經(jīng)常在火爐上放 壺水 目的何在 答 人呼出的氣體是未飽和濕空氣 當(dāng)進(jìn)入外界環(huán)境時 外界環(huán)境的溫度很低使得呼出的氣 體得到冷卻 在冷卻過程中 濕空氣保持含濕量不變 溫度降低 當(dāng)?shù)陀诼饵c溫度時就有水 蒸氣不斷凝結(jié)析出 這就形成了白色霧狀氣體 冬季室內(nèi)有供暖裝置時 溫度較高 使空氣含濕量減小 因此會覺得干燥 放一壺水的 目的就是使水加熱變成水蒸氣散發(fā)到空氣中增加空氣的含濕量 9 絕對濕度是1 m 3的濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量 它非常直接地指出了濕空氣中水蒸氣的量 能不能用絕對濕度衡量濕空氣的吸濕能力 答 絕對濕度并不能完全說明濕空氣的潮濕程度和吸濕能力 因為同樣的絕對濕度 若空氣 溫度不同 濕空氣吸濕能力也不同 所以絕對濕度不能完全說明濕空氣的吸濕能力 由此而 引入了相對濕度的概念 10 何謂濕空氣的露點溫度 解釋降霧 結(jié)露 結(jié)霜現(xiàn)象 并說明它們發(fā)生的條件 答 露點 濕空氣中水蒸氣的分壓力所對應(yīng)的飽和溫度稱為濕空氣的露點溫度 或簡稱露點 a 霧是近地面空氣中的水蒸氣發(fā)生的凝結(jié)現(xiàn)象 白天溫度比較高 空氣中可容納較多的水汽 但是到了夜間 地面溫度較低 空氣把自身的熱量傳給地面 空氣溫度下降 這時濕空氣隨 溫度降低呈現(xiàn)出過飽和狀態(tài) 就會發(fā)生凝結(jié) 當(dāng)足夠多的水分子與空氣中微小的灰塵顆粒結(jié) 合在一起 同時水分子本身也會相互粘結(jié) 就變成小水滴或冰晶 這就形成了霧 霧的形成 基本條件 一是近地面空氣中的水蒸氣含量充沛 二是地面氣溫低 三是在凝結(jié)時必須有一 個凝聚核 如塵埃等 b 露是水蒸氣遇到冷的物體凝結(jié)成的水珠 露的形成有兩個基本條件 一是水汽條件好 二 是溫度比較低的物體 低 指與露點溫度比較 溫度逐漸降低且保持含濕量不變 當(dāng)溫度 低于露點溫度時就有水珠析出 這就形成露 c 霜是近地面空氣中的水蒸氣在物體上的凝華現(xiàn)象 霜的形成有兩個基本條件 一是空氣中 含有較多的水蒸氣 二是有冷 O C以下 的物體 濕空氣與溫度較低物體接觸達(dá)到水汽過飽 和的時候多余的水汽就會析出 如果溫度在0 C以下 則多余的水汽就在物體表面上凝華為 冰晶 形成霜 11 何謂濕空氣的含濕量 相對濕度愈大含濕量愈高 這樣說對嗎 答 含濕量d 1 千克干空氣所帶有的的水蒸氣的質(zhì)量 相對濕度是濕空氣中實際包含的水蒸 氣量與同溫度下最多能包含的水蒸氣量的百分比 相對濕度是一個比值 不能簡單的地說相 對濕度愈大含濕量愈高 他與同溫度下最多能包含的水蒸氣量是相關(guān)的 12 剛性容器內(nèi)濕空氣溫度保持不變而充入干空氣 問容器內(nèi)濕空氣的 d pv 如何變 化 答 減小 d 減小 pv 減小 13 若封閉汽缸內(nèi)的濕空氣定壓升溫 問濕空氣的 d h如何變化 答 減小 d 不變 h 變大 14 濕空氣節(jié)流后 pv d h如何變化 答 pv 增大 增大 d 增大 h 不變 15 有人說熱水流經(jīng)冷卻塔后 溫度可以降到低于冷卻塔的進(jìn)氣溫度 即環(huán)境大氣溫度 對不 對 為什么 答 對 熱水的冷卻實質(zhì)是蒸發(fā)散熱 接觸傳熱和輻射傳熱三個過程的共同作用 在某些條 件下 熱水的冷卻主要靠蒸發(fā)散熱 所以熱水流經(jīng)冷卻塔后 溫度可以降到低于冷卻塔的進(jìn) 氣溫度 即環(huán)境大氣溫度 16 某項工程中需使用高純度的氮氣 為防止因雜質(zhì)水蒸氣凍結(jié)而堵塞管道 要求該氣體在 0 1MPa條件下的露點不高于 40 C 測試過程在0 2MPa下進(jìn)行 測得露點為 50 C 請問這 批氣體是否合格 為什么 答 合格 在0 2MPa下的露點為 50 C 由濕空氣中水蒸氣狀態(tài)的p v圖和T s圖知 在 0 1MPa下的露點小于0 2MPa下的露點 50 C 顯然不高于 40 C 所以合格 17 我國大部分地區(qū)水資源不足 嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活提高 冷卻塔是利用蒸發(fā) 冷卻原理 使熱水降溫以獲得工業(yè)用循環(huán)冷卻水的節(jié)水裝置 所以我國缺水地區(qū) 甚至像地 處江南水鄉(xiāng)的上海地區(qū)也在火力發(fā)電廠建設(shè)冷卻塔達(dá)到節(jié)水和降低熱污染的目的 為了進(jìn)一 步節(jié)水有些地方利用強(qiáng)電場讓已蒸發(fā)到空氣中的水蒸氣凝結(jié) 回收 你對此有什么看法 答 從火力發(fā)電廠冷卻塔蒸發(fā)出來的水霧是由無數(shù)微小水粒構(gòu)成 當(dāng)這些微小水粒子經(jīng)過高 壓電場時被荷電并成為帶電水粒子 在電場的作用下 荷電微水粒子向異性電極移動并最終到 達(dá)異性電極 當(dāng)?shù)竭_(dá)電極的荷電微水粒子到一定濃度時 形成水薄膜直至開始流動 這樣可以 用容器或管道回收這些在電極上的水 電極可以設(shè)在冷卻塔內(nèi)部和 或冷卻塔的外部 這種方 法能夠很好地節(jié)約發(fā)電廠因蒸發(fā)而造成的水耗 第十三章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ) 1 在無化學(xué)反應(yīng)的熱力變化過程中 如果有兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)各保持不變 則過程就不可 能進(jìn)行 在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的物系中是否受此限制 答 否 對于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物系 參與反應(yīng)的物質(zhì)的成分或濃度也可變化 故確定其平衡 狀態(tài)往往需要兩個以上的獨立參數(shù) 2 化學(xué)反應(yīng)實際上都有正向反應(yīng)與逆向反應(yīng)在同時進(jìn)行 化學(xué)反應(yīng)是否都是可逆反應(yīng) 怎樣 的反應(yīng)才是可逆反應(yīng) 答 一切含有化學(xué)反應(yīng)的實際過程都是不可逆的 并不是能夠逆向進(jìn)行就是可逆過程 如果 在完成某含有化學(xué)反應(yīng)的過程后 當(dāng)使過程沿相反方向進(jìn)行時 能夠使物系和外界完全恢復(fù) 到原來狀態(tài) 不留下任何變化 這樣的理想過程是可逆過程 3 反應(yīng)熱和反應(yīng)熱效應(yīng)的關(guān)系是什么 它們是否是性質(zhì)相同的量 答 反應(yīng)熱是指化學(xué)反應(yīng)中物系與外界交換的熱量 若反應(yīng)在定溫定容或定溫定壓下不可逆 地進(jìn)行 且沒有作出有用功 這時反應(yīng)的不可逆程度最大 則這時的反應(yīng)熱稱為反應(yīng)熱效 應(yīng) 否 反應(yīng)熱是過程量 與反應(yīng)過程有關(guān) 而熱效應(yīng)是專指定溫反應(yīng)過程中不作有用功時 的反應(yīng)熱 是狀態(tài)量 4 反應(yīng)焓 燃燒焓 生成焓 標(biāo)準(zhǔn)生成焓 標(biāo)準(zhǔn)燃燒焓相互間是什么關(guān)系 它們與熱效應(yīng)有 何聯(lián)系 答 定溫定壓反應(yīng)的熱效應(yīng)等于反應(yīng)前后物系的焓差 這個焓差叫做 反應(yīng)21pQH 焓 燃料的燃燒反應(yīng)是不作有用功的反應(yīng) 1mol燃料完全燃燒時的定壓熱效應(yīng)常稱為 燃 燒熱 其絕對值稱為熱值 由一些單質(zhì) 或元素 化合成1mol化合物時的熱效應(yīng)稱為該化合 物的 生成熱 定溫定壓的熱效應(yīng)等于焓差 故定溫定壓的生成熱又稱為 生成焓 通 常 在涉及化學(xué)反應(yīng)的過程中 規(guī)定 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) 這一狀態(tài)下的10325pPa 98 15TK 熱效應(yīng)稱標(biāo)準(zhǔn)熱效應(yīng) 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的燃燒熱和生成熱分別稱為 標(biāo)準(zhǔn)燃燒焓 和 標(biāo)準(zhǔn)生成 焓 5 為什么氫的熱值分高熱值與低熱值 而碳的熱值卻不必分高低 答 氫作為燃料燃燒時 燃燒產(chǎn)物可能是氣態(tài)也可能是液態(tài) 所以有高熱值低熱值之分 其 差之為潛熱 而碳作為燃料其燃燒產(chǎn)物只能是氣態(tài) 所以只有一個熱值 6 赫斯定律是通過實驗得到的 你能否嘗試從熱力學(xué)第一定律推出赫斯定律 答 若反應(yīng)在定溫定容或定溫定壓下不可逆地進(jìn)行 且沒有作出有用功 這時反應(yīng)的不可逆 程度最大 則這時的反應(yīng)熱稱為反應(yīng)熱效應(yīng) 證明 若忽略宏觀位能和動能的變化 化學(xué)反應(yīng)過程中熱力學(xué)第一定律解析式可表達(dá)成如下形 式 21uQUW 式中 是反應(yīng)熱 是熱力學(xué)能 包含熱內(nèi)能和化學(xué)能 是有用功 是體積變uW 化功 1 定溫定容 反應(yīng)熱效應(yīng)為 21VQU 2 定溫定壓 反應(yīng)熱效應(yīng)為21 21 up upWH 21pQH 因為 和 都是狀態(tài)量 說明熱效應(yīng)只取決于反應(yīng)前后的狀態(tài) 與中間經(jīng)歷的反應(yīng)途徑U 無關(guān) 赫斯定律得證 7 請列舉若干例子說明 利用赫斯定律通過我們已經(jīng)深入了解的反應(yīng)系列確定對之了解很少 的反應(yīng)的熱效應(yīng) 能否通過類似的過程確定反應(yīng)熱 為什么 答 1 中的 不能直接測定 但根據(jù)赫斯定律通過以下反應(yīng)221COQ 2 和 可求得 21 3C 213Q 膦酰基從ATP 腺苷三磷酸 向葡萄糖轉(zhuǎn)換過程的熱效應(yīng) 課本405頁 2 不能通過類似的過程確定反應(yīng)熱 因為反應(yīng)熱是過程量 與反應(yīng)過程有關(guān) 8 基爾霍夫定律的意義和作用是什么 答 基爾霍夫定律表示了反應(yīng)熱效應(yīng)隨溫度變化的關(guān)系 即其只由生成物系和反應(yīng)物系的總 熱容C pr和C Re的差值而定 由此可以利用有限的基本反應(yīng)的數(shù)據(jù)表計算相當(dāng)大部分過程的反應(yīng)焓 如果過程進(jìn)行時 的溫度不是標(biāo)準(zhǔn)溫度 只要有足夠的比熱容的資料也能計算反應(yīng)的反應(yīng)焓 9 如何理解 列 查德里原理對平衡移動方向的論述與熱力學(xué)第二定律對過程方向的論述相符 合 的含義 舉例說明 答 列 查德里原理 如果處于平衡狀態(tài)下的物系受到外界條件改變的影響 如外界壓力 溫 度發(fā)生變化 使物系的壓力 溫度也隨著變化 則平衡位置就會發(fā)生移動 移動的方向總 是朝著削弱這些外來作用影響的方向 化學(xué)平衡狀態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài) 平衡被打破 狀態(tài)就不穩(wěn)定了 為了再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) 平衡就會自發(fā)地移動 以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) 總之自發(fā)的過程總是向著最穩(wěn)定的狀態(tài)靠攏 這正 是熱力學(xué)第二定律關(guān)于熱力學(xué)過程進(jìn)行方向的論述 10 氧氣在T 0 298 15 K p 0 101325 Pa時物理 為零 化學(xué) 卻不為零 為什么 答 系統(tǒng)在不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物理變化過程中 把系統(tǒng)僅與環(huán)境發(fā)生熱量較換 可逆地達(dá)到 與環(huán)境的溫度 壓力相平衡時的最大有用功稱為 如熱力學(xué)能 焓 等 這些 可以歸 納為物理 顯然 氧氣在T 0 298 15 K p 0 101325 Pa時物理 為零 但是 與環(huán)境的溫度 壓力平衡的系統(tǒng)的化學(xué)成分與環(huán)境不一定平衡 這種不平衡也具有做功能力 與環(huán)境的溫度 壓力相平衡的系統(tǒng) 經(jīng)可逆的物理 擴(kuò)散 或化學(xué)反應(yīng)過程達(dá)到與環(huán)境化學(xué)平衡 成分相同 時作出的最大有用功稱為物質(zhì)的化學(xué) 顯然 為確定物質(zhì)的化學(xué) 除溫度和壓力 還需 確定環(huán)境中基準(zhǔn)物的濃度和熱力學(xué)狀態(tài) 在實際環(huán)境中 這兩者都是變化的 所以氧氣在 T0 298 15 K p 0 101325 Pa時化學(xué) 不為零 11 為什么在計算水蒸氣的過程和循環(huán)時水和水蒸氣的熵值可以采用所規(guī)定的相對值 而在計 算化學(xué)反應(yīng)物系的熵值時物系中各物質(zhì)的熵值則必須采用熵的絕對值 答 在計算水蒸氣的過程和循環(huán)時 物系中物質(zhì)的成分不發(fā)生變化 所以對于物系中各物質(zhì) 可以任意規(guī)定計算上的起點和基準(zhǔn)點 但是在有化學(xué)反應(yīng)的過程中 物質(zhì)成分發(fā)生改變 必 須使用熵的絕對值