高等工程热力学总复习题

('高等工程热力学总复习题一、简答题1.与外界只有一种功量交换的单相简单系统的状态参数都可以由两个独立的状态参数确定是否正确？答：不正确，对简单可压缩系统的物理变化过程，确定系统平衡状态的独立状态参数只需两个。但是对于化学反应的物系，不仅存在热与力两种不平衡势差，而且存在驱动化学反应的化学势差，并使参与反应的物质成分或者浓度发生变化，故确定其平衡状态往往需要两个以上的独立参数。2.阐述膨胀功、技术功、轴功与推动功之间的联系与区别？答：膨胀功：由气体容积变化所引起的能量的变化；技术功：工程中可以直接利用的那部分能量，包括动能、势能和轴功。轴功：通过进出口截面以外的边界（一般为机器的轴）所传递的功；推进功：在进出口截面上，为推动工质出入系统所传递的功量；稳定流动中，工质受热膨胀而得到的膨胀功一部分用于补偿系统输出的净推动功，一部分用于增加流动工质的流动动能及重力势能，其余部分作为开口系统的轴功输出。即：膨胀功=技术功+推动功，技术功=轴功+动能+势能。3.刚性容器绝热放气，试证明过程中容器内发生的是可逆绝热过程。整个放气过程是可逆的吗？这过程中容器内总熵在减少但可逆，和熵增原理违背吗？答：（1）证明：消去dm/m得：这是理想气体可逆过程计算公式中，定熵过程的计算公式，所以整个放气过程是可逆的。VCoutoutdUhm,)(\uf03d\uf02d\uf064outmdm\uf064\uf02d\uf03dTdmcmdTcTdmcVVp\uf02b\uf03d（2）在这一放气过程中，可以假象成又一个活塞把剩余气体与放出的气体分割开来进行的，但并不表示容积的总熵不变，因为有质量的流出，不是孤立系统，所以容积内的总熵是减少的。如果把所有气体以及外界看做是一个系统，考虑放出的气体在容积外的不可逆膨胀过程，所以系统的总熵是增加的。如果把剩余气体和放出的气体看做是一个整体，则系统是孤立系统，又因为是可逆绝热过程，系统的总熵是不变的。所以这一过程与熵增原理不违背。4.稳定气流对刚性容器绝热充气是可逆过程吗？若不是不可逆损失如何计算？答：不是可逆过程。存在不可逆损失，熵产ΔSg>0。取此刚性绝热容器为系统，绝热过程，所以熵流ΔSf=0，故ΔS=ΔSf+ΔSg=ΔSg，所以ΔSg=∫12Cv·dT/T+R·lnV2/V1，又V1=V2，所以ΔSg=Cv·lnT2/T1。对于开口系稳流熵方程为dScv=dSf+dSg+∑ni=1δMinSin-∑ni=1δMoutSout。稳定流动时，dScv=0，δMout=0，δMin=δmdi，不可逆绝热过程dSf=0，所以dSg+δMinSin=0，因此Sg=-∫12Sinδmdi=（m1-m2）Sin。5.冷量如何定义与表述？公式推导？请阐明与热量的关系与不同？㶲㶲答：冷量：㶲当系统的温度比环境温度低的时候，储存在系统中的可以对外做功的那部分能量。或者说当系统温度比环境温度低时，肯定要对该系统做功才能达到温度比环境低，那么这个过程所做的功就是冷量储存在冷量中。㶲与热量相同点：都是反映系统通过边界以传热的形式传递的能量。㶲与热量不同点：热量与热量的正负相同，系统放出热量的同时也放出热量；反之㶲㶲㶲亦然；冷量与热量正负相反，系统吸热放出冷量，利用它对外做功。热量始终小于热㶲㶲㶲量Q，而冷量可等于、可大于、可小于冷量㶲Q06.燃料的化学是如何定义的？他与扩散、反应的区别在哪？㶲㶲㶲答：化学：㶲当系统在物理死态时，经可逆的物理（扩散）或化学（反应）过程达到与环境化学平衡（成分相同）时，所能提供的那部分最大有用功。区别：化学分为两类，一类是浓度变化引起的称为扩散，另一类由化学反应引起的㶲㶲，称为反应，因此，扩散和反应都是化学的一种。㶲㶲㶲㶲7.什么是反应热？生成热？反应热效应？反应热与反应热效应的区别是什么？什么是定容热效应？什么是定压热效应？什么情况下定压热效应与定容热效应近似相等？什么是标准定压热效应？工程中有何用途？答：反应热：化学反应中物系与外界交换的热量；生成热：由一些单质或稳定元素化合成1kmol化合物时的热效应称该化合物的生成热；反应热效应：当系统经历一个化学反应过程，只作容积变化功若所得生成物的温度与反应物温度相等，这时1kmol主要反应物或生成物所吸收或放出的热量；区别：反应热是过程量，与反应过程有关；热效应是定温反应过程中不作有用功时的反应热，是状态量；定容热效应：在定温和定容状态下的反应热效应称为定容热效应Qv=Up-UR；定压热效应：在定温和定压状态下的反应热效应称为定压热效应Qp=Hp-HR；当反应物是固体和液体燃料、反应前后物质的量变化量等于零和燃烧反应分子数变化不大的情况下，定压热效应和定容热效应近似相等；标准定压热效应：规定在标准状态25℃和一个大气压的状态下，定压热效应的值定为标准定压热效应，用Qp0表示。8.赫斯定律说明了化学反应过程中的什么规律？在工程中有什么用途（简述其在反应热效应计算中的作用）？答：1、当反应前后物质的种类给定时，化学反应的热效应，与中间过程无关，只与过程初始和终了状态有关。2、应用：某些测不出（或不易测）的热效应可由易测的热效应代替。9.什么是燃烧热？分解热？燃料的热值是怎么定义的？什么是高热值？什么是低热值？答：燃烧热：1mol燃料完全燃烧时的热效应称为燃料的燃烧热；分解热：1mol化合物分解成单质时的热效应称为该化合物的分解热；热值：1kmol燃料完全燃烧时热效应的绝对值；高热值：当在含有H的燃料燃烧时，生成的水的状态为液态水时，这时的热值为高热值；低热值：当在含有H的燃料燃烧时，生成的水的状态为气态时，这时的热值为低热值。10.什么是标准燃烧焓？什么是标准生成焓？他们的联系与区别？为什么引入标准生成焓？在工程中有什么用途？答：标准燃烧焓：由有关单质在标准状态下发生化学反应1mol燃料完全燃烧时生成的热量称为该化合物的标准燃烧焓；标准生成焓：由有关单质在标准状态下发生化学反应生成1kmol化合物所吸收的热量，称为该化合物的标准生成焓；联系：都是发生化学反应产生的热效应；区别：燃烧焓不一定是化合反应，一定是和氧气发生反应；而生成焓是单质化合反应的热效应，不一定是和氧气反应。在化学反应系统中，由于有物质的消失和产生，分析各生成物和反应物焓等热力性质的计算要有统一的基准参考点。引入标准生成焓的概念，可以方便工质热力性质的计算。用途：生成焓是一种热效应，是过程量，但是有了化学标准状态下的统一规定，可以认为化学标准状态下的生成焓是一个状态参数。11.什么是绝热燃烧温度？什么是理论燃烧温度？什么是平衡火焰温度？他们的联系和区别是什么？绝热燃烧温度：如果系统内部经历一完全的燃烧反应过程，且燃烧反应是不与外界发生热量交换的条件下进行的，燃烧产物可达的最高温度；理论燃烧温度：在不考虑动、位能的变化，又不对外作功的系统中，若燃料绝热完全燃烧，且为理论空气量时，燃烧产物可达的最高温度；平衡火焰温度：联系：只有在理论空气量的情况下，系统才可以达到理论燃烧温度；区别：绝热燃烧温度点总是低于理论燃烧温度。12.什么是燃烧的理论空气量？过量空气系数？空燃比？答：燃烧的理论空气量：燃料完全燃烧所需要氧气对应的空气量；过量空气系数：实际空气量与理论空气量之比；空燃比：混合气中空气与燃料之间质量的比例。13.简述热力学第一定律在化学反应系统中的应用及重要结论答：假设反应都能进行且都能进行到底，以热力学第一定律为基础，研究化学变化中的能量转换问题，计算化学变化中的热效应。14.什么是化学反应过程的最大有用功？答：稳定流动系统进行可逆等温过程，系统对外作的最大有用功等于系统吉布斯函数的减少。15.什么是标准生成吉布斯函数？什么是反应吉布斯自由能？答：标准生成吉布斯函数：由有关单质在标准状态下生成1kmol化合物时的吉布斯函数的变化为该化合物的标准生成吉布斯函数。反应吉布斯自由能：Gm0=Hm0-TSm0，是热力学中可能转化为有用功的能量。16.什么是化学平衡及平衡常数？什么是化学反应的平衡移动原理？阐述温度、总压对化学平衡常数的影响。解释为什么在合成氨（N2+3H2=2NH3）生产过程中要采用高压。平衡常数在化学热力反应工程计算中有什么用途？答：化学平衡：当化学反应中的正向和反向的反应速度相等时，达到化学平衡。化学平衡常数：在一定温度下，某个可逆反应达到平衡时，产物浓度系数次方的乘积与反应物浓度系数次方之比是一个常数，用k表示；化学反应的平衡移动原理：当把平衡态的某一因素改变，平衡态总是向着削弱该因素影响的方向移动；影响：温度，升高温度，使平衡向吸热方向移动；降低温度使平衡向放热方向移动；压力，当生成物的系数和小于反应物系数和时，压力变大，平衡系数变大，反应向正向进行；当生成物系数和大于反应物系数和时，压力变大，平衡系数减小，反应向反向进行；在N2+3H2=2NH3的化学反应中，生成物系数和=2大于反应物系数和=4（ⅴn=-2），由总压对平衡常数的影响，当压力升高时，反应向正向进行。所以在制备氨时，加压可以促进反应向正向进行，合成更多的氨。用途：（1）判断化学反应进行的方向；(2)计算化学平衡时各组分的成分。17.简述热力学第二定律在化学反应系统中的应用及重要结论？答：热力学第二定律可以结合化学反应过程的特征分析过程进行的方向、条件及限度，以及化学平衡问题。结论：（1）可以作为反应过程的反向判据和平衡条件：ds≥&Q/T；（2）标准生成吉布斯函数；（3）化学平衡与平衡常数。18.什么是热力学第三定律？简述其意义及作用。答：热力学第三定律：0K时任何纯固体和纯液体的熵为零；/不论如何理想化，也不管使用什么过程，都不能用有限的步骤使一个系统的温度降低到绝对0K。意义：借助第一、第二定律仅能建立在一些通用的微分方程，只能给出各状态量在给定过程中的变化量，而不能确定其绝对值。而热力学第三定律给出状态基态，且基态的状态数只有一个。也就是说，热力学第三定律决定了自然界中基态无简并。作用：在统计物理学上，热力学第三定律反映了微观运动的量子化。在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的意图。而是鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度。19.单元复相系平衡条件？物系中可能发生四种过程：热传递、功传递、相变和化学反应，相应于这些过程有哪四种平衡条件？分别对应哪几种势差？答：平衡条件：热平衡条件、力平衡条件、相平衡条件和化学平衡条件；势差：温差、压差、力差和化学势差。20.什么是吉布斯方程？什么是相平衡与相律？吉布斯相律其作用是什么？答：吉布斯方程:ΔG=ΔH－TΔS，热力学中计算自由能随温度变化的重要方程式，由此式可计算平衡常数随温度的变化；相平衡:在一定的条件下，当一个多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化时，称此系统处于相平衡；相律:f=C－p+2，适用于多相平衡的一种体系，说明了在特定相态下，系统的自由度跟其他变量的关系；吉布斯相律作用：说明了在特定相态下，系统的自由度跟其他变量的关系。21.单相多组分系统中偏摩尔参数与化学势的定义与区别？阐述化学势及偏摩尔参数的物理意义及作用。答：偏摩尔参数：在温度、压力及除了某一组分i以外其余组分的物质的量均不变的条件下，广延量Y随着组分i的物质的量n的变化率，称为组分i的偏摩尔参数；偏摩尔参数物理意义及作用：作用是解决体系组成的变化对体系状态的影响问题。几种物质混合组成多元系统时，由于分子（或原子）间的作用力的影响，这些物质在多元系统中的性质与单独存在所表现的性质不同。可以用偏摩尔参数研究多组分体系溶体理论。化学势：吉布斯自由能对成分的偏微分，化学势又称为偏摩尔势能；化学势物理意义及作用：化学势是决定物质传递方向和限度的强度因素，是驱使物质改变的势，是溶液中组成的热力性质。在相变过程中，由于物质在不同组元间的转移是在恒温恒压下进行的，故可以通过比较两相中物质化学势的大小来判断物质在各组元间转移的方向和限度，即物质总是从化学势较高的相转移到化学势较低的相。当物质在两相中的化学势相等时，则相变过程停止，系统达到平衡态；区别：都是广延参数对摩尔数的偏导数，但偏摩尔参数的限制条件是恒温恒压，化学势不受此限制；22.阐述混合物的逸度与逸度系数，其物理意义是什么？答：逸度：它代表了体系在所处的状态下，分子逃逸的趋势，也就是物质迁移时的推动力或逸散能力。是一个假想的校正压力，具有压力的量纲。但只能用于自由焓G或化学势m表达式中，不能随便用于状态方程中；逸度系数：表征实际气体相对于理想气体的偏离程度。物理意义：逸度的概念主要用在多组分系统中，混合物中某组分的逸度可认为是其假想的分压力。定义表明：当总压力趋近于零时，任何气体都变成理想气体。注意是p→0，因为如果混合物的总压不趋近于零，那么尽管混合物中一种气体与其余气体相比是稀薄的，其性质也与理想气体混合物不同。23.阐述克劳修斯-克拉伯龙方程的物理意义及用途，并推导之答：克劳修斯-克拉伯龙方程是普遍适用的微分方程式，它将两相平衡时的斜率、相变潜热和比体积三者相互联系起来。因此可以从其中的任意两个数据求取第三个。24.用克劳修斯-克拉伯龙方程解释一般物质的汽化线、升华线和融解线的斜率为正，而冰-水融解线的斜率为负？答：相变潜热y总是正值，对一般物质的气化过程，升华过程和溶解过程来说，终态比容均大于初态比容，因此式中分母比容差为正，使得其过程线斜率为正，而冰-水溶解过程中由于冰的比容大于水的比容，因此冰-水的溶解线的斜率为负。25.蒸发与沸腾现象有何异同？答：相同点：蒸发与沸腾都是汽化现象,都需要吸热不同点：A、发生地点不同：蒸发是只在液体表面发生的汽化现象,而沸腾是在液体内部和表面同时发生的剧烈的汽化现象；B、温度条件不同：蒸发在任何温度下都能发生,而沸腾是在一定温度下发生的；C、温度变化可能不同：液体蒸发时需吸收热量,温度可能降低；而沸腾过程中吸收热量,但温度保持不变；D、剧烈程度不同：蒸发比较缓和,而沸腾十分剧烈.E、影响因素不同：蒸发快慢与液体的温度,表面积,表面的空气流动速度有关,沸腾沸点与大气压的高低有关。26.我国北方冬天雪后，常在路面上洒些工业用盐，其作用是什么？为什么？答：盐溶于水形成溶液的凝固点比水的低，从而使得冰雪在较低的温度下也可以融化。27.热力学一般关系式在研究工质热力性质时有何用途？答：1、按照基本热力学关系，可以用可测的状态参数和热系数来表达不能通过实验直接得出的偏微商，从而将个常用状态函数表达出来，为在实验测定基础上得出工质的状态函数开辟道路；2、应用热力学一般关系式可以减少研究中的实验工作量，同时减小由于有限的实验精度带来的误差；3、利用热力学一般关系式可以推导得出工程中所需的各种函数关系式。28.对书中常见的实际气体状态方程，归纳各方程的优缺点及选用原则答：范.德瓦尔斯方程：范围广，精度差；范围窄，精度高；定量计算不准确；维里型状态方程式：物理意义明确，实验曲线拟合容易。29.计算工程中实际气体的热力性质时，如何判断该物质所处状态是否远离饱和区或液相区，如何决定是取用理想气体状态方程还是实际气体状态方程？答：30.在计算实际气体热力性质时有哪两种方法？各自特点是什么？答：偏差函数法和余函数法；偏差函数=实际状态值-理想气体状态值；a、理想状态值可以真实存在；b、需要给出一个压力值；余函数=理想气体状态值-实际状态值；a、可能不存在的假设状态；b、不需要假定一个压力值。31.“通过计算理想气体的有关值，然后再加上实际气体与理想气体的偏差而得到实际气体的热力性质”这种方法有哪两种表示方法，请举一例加以说明与分析答：偏差函数法和余函数法；偏差函数=实际状态值-理想气体状态值；a、理想状态值可以真实存在；b、需要给出一个压力值P0。32.对于一种新工质，请分析如何用最少量的方程来构造其热力性质计算公式（即对一种新工质建立其热力性质计算模型需几个方程？各是什么方程？如何建立？）答：1、收集广泛范围内的数据，构造状态方程的函数形式，回归出一个能精确拟合p、v、t数据、且便于对其进行微分的状态方程，并检验状态方程的准确性。2、利用余函数、偏差函数与状态方程，Cp与T之间的函数关系，导出定压比热方程及其他物理性质方程式，确定两状态间热力性质的变化。3、由实验数据精确拟合出饱和蒸汽压方程和饱和液体密度方程，以确定饱和蒸汽，饱和液相以及两相区的物理性质。4、必要时拟合出液相区的状态方程。33.若空气温度与流速已知，为达到加速目的，如何选择喷管的形状？答：Ma=V/√KRTdV/V=Ma2dCf/CfdA/A=(Ma2-1)dCf/CfMa<1亚音速渐缩喷管/拉瓦尔喷管Ma>1超音速渐扩喷管34.某横截面逐渐减小的管道中有空气流过，已知入口流速和温度，如何判断管型及内部流动状态？答：dA/A=(Ma2-1)dCf/Cf该式指出了管道截面的变化规律取决于Ma，并说明了促使一维定熵流的速度变化所需要的几何条件。根据马赫数的大小分为三种情况分析：1、Ma<1时，亚音速流动，dA与dCf异号，说明速度变化与气流截面的变化方向相反。（1）加速减压，其截面沿流动方向逐渐收缩。（2）减速增压，其截面沿流动方向逐渐扩张。2、Ma>1时，超音速流动，dA与dCf同号，说明速度变化与气流截面的变化方向相同。（1）加速减压，其截面沿流动方向逐渐扩张。（2）减速增压，其截面沿流动方向逐渐收缩。3、Ma=1时，音速流动，dA=0，联系上面的讨论可知定熵管流中，音速只可能出现在变截面的最小截面处，该截面称为“临界截面”，此时气流状态为“临界状态”，其参数称为“临界参数”并在右上角标以号辨认。若要实现气流从亚音速加速至超音速，需采用缩放喷管，喉部截面处Ma=1，为临界截面。35.若等截面绝热管道中两截面处安装有压力表和温度计，如何判断管内工质的流动方向？答：等截面管内绝热流动必须在某一条范诺线上经过，Ma=1时熵值最大，且根据第二定律的性质，过程进行必须是熵增。因此亚音速时，摩擦效应必使得速度加大，Ma增大，焓值和压力减小。超声速时，过程的性质正好相反。因此，通过已知的两截面1、2处的温度求得当地声速，判断流动是处于亚音速流还是超音速流，然后看截面1、2处压力，即可判断处流动的方向。如：判断管内是亚音速流，且截面1处压力大于截面2处的压力，则流动方向是1-2。36.试就变工况下背压扰动对拉伐尔喷管内气流的流动特性影响进行分析答：当喷管在设计工况下工作时，P2=P2设=Pb，气流在管内实现完全膨胀.当PbPb,由于出口截面上是超音速气流，由背压降低产生的扰动波以音速传播，不能“逆流而上”影响管内流动状态，所以出口压力、流速及流量都与设计工况相同。但气流在管内并未完全膨胀，称为膨胀不足，气流由喷管射出后，在管外尚要发生自由膨胀，这种膨胀不足与渐缩喷管相似，它们都没有充分利用喷管上、下游压差最大限度地将热能转换为动能。当Pb>P2设（即Pb上升），这时，由于Pb的变化引起的扰动，将使管内流动状况十分复杂。由实验结果说明如下：a当Pb稍大于P2设时，气流在管内膨胀过头，但气流出口仍是超音速流体，仅压力略低于背压（即P2