清华大学工程热力学22
清华大学工程热力学思考题答案
《工程热力学》思考题参考答案目录第一章思考题参考答案 (2)第二章思考题参考答案 (4)第三章思考题参考答案 (9)第四章思考题参考答案 (16)第五章思考题参考答案 (21)第六章思考题参考答案 (25)第七章思考题参考答案 (27)第八章思考题参考答案 (31)第九章思考题参考答案 (34)第十章思考题参考答案 (39)第十二章思考题参考答案 (45)第一章 思考题参考答案1．进行任何热力分析是否都要选取热力系统？答:是。
热力分析首先应明确研究对象，根据所研究的问题人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间，目的是确定空间内物质的总和。
2．引入热力平衡态解决了热力分析中的什么问题?答：若系统处于热力平衡状态,对于整个系统就可以用一组统一的并具有确定数值的状态参数来描述其状态，使得热力分析大为简化。
3．平衡态与稳定态的联系与差别。
不受外界影响的系统稳定态是否是平衡态？ 答：平衡态和稳定态具有相同的外在表现,即系统状态参数不随时间变化；两者的差别在于平衡态的本质是不平衡势差为零，而稳定态允许不平衡势差的存在，如稳定导热.可见，平衡必稳定；反之,稳定未必平衡.根据平衡态的定义，不受外界影响的系统，其稳定态就是平衡态.在不受外界影响（重力场除外）的条件下,如果系统的状态参数不随时间变化,则该系统所处的状态称为平衡状态。
4．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？答：由于表压力和真空度都是相对压力,而只有绝对压力才是工质的压力。
表压力g p 与真空度v p 与绝对压力的关系为:b g p p p =+b v p p p =-其中b p 为测量当地的大气压力。
工质的压力不变化，相当于绝对压力不变化,但随着各地的纬度、高度和气候条件的不同，测量当地的大气压值也会不同.根据上面两个关系式可以看出，虽然读数也会不同。
5．准静态过程如何处理“平衡状态”又有“状态变化”的矛盾?答：准静态过程是指系统状态改变的不平衡势差无限小，以致于该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态。
清华大学工程热力学习题课
清华大学工程热力学习题课工程热力学课程习题第一章1-1 试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液态钠。
它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4 人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。
在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。
试求山的高度为多少。
重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。
1-7如图1-15 所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B 读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。
大气压力为760mmHg。
试求(1) 真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；(2) 表C的读数；(3) 圆筒顶面所受的作用力。
图1-151-8 若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系(一般为线性关系)。
1-10 若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。
有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？若可能，读数相同的温度应是多少？1-14一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。
若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。
1-15气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。
由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。
试求该过程空气对外作功量。
1-16 1kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。
试求循环的净功量。
如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？图1-16第二章2-2 水在760mmHg下定压汽化，温度为100℃，比容从0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潜热为2250kJ/kg。
清华大学工程热力学思考题答案
可确定内能和焓。但理想气体的内能和焓只决定于温度，与压 力，比容无关，前后有否矛盾，如何理解？
答：不矛盾。
பைடு நூலகம்
理想气体内能和焓只决定于温度，这是由于理想气体本身假设决定
的。对于理想气体模型，假设其分子之间没有相互作用力，也就不存在
分子之间的内位能。再结合理想气体方程，则有：
因此，理想气体的内能和焓只决定于温度，而与压力、比容无关。
口系统热力学第一定律，，有0〈〈（吸热）。 4． 推进功与过程有无关系？
答：推进功是因工质出、入开口系统而传递的功。推进功是工质在流动 中向前方传递的功，并且只有在工质的流动过程中才出现。当系统出口 处工质状态为（，）时，1kg工质流出系统，系统所需要做出的推进功 为。推进功的大小仅与选取出口处的压力和比容数值的乘积有关，因此 是状态参数，且为广延参数。
温度的单值函数等条件出发，导得，于是他认为理想气体的熵 应是温度的单值函数。判断是否正确？为什么？ 答：是不正确的。 因为得到结论的条件中有错误，理想气体的比热容不是温度的单值 函数。对于理想气体，只有定容和定压比热容才是温度的单值函数。同 时，的表述有问题，因为，因此得到的不仅是可逆过程的换热量，而是 任意过程的换热量。因此将(2)代入(1)中是不正确的。 10． 在u-v图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程，可逆
工程热力学(清华大学)-——斯特林循环.
热效率
T
3
t'
w净 ' q1'
oi
k 1
k
1
c
k 1 k
1
1
1
c
4’
2’
2
4
1
s
影响燃气机实际循环热效率的因素
t'
w净 ' q1'
oi
k 1
k
1
c
k 1 k
1
1
1
c
·c oi
t'
· 一定， · 一定，有最佳
t'
opt t'
· opt t' 右移
opt t'
和 w'
T3
T1
最佳增压比 op（t w净）的求解
1k
k 1 T
w净 cpT1 k k 1
T3
令 w净 0
k
opt (w净 ) 2(k 1)
T1
s
最大循环净功
2
wopt cpT1 1
燃气轮机的实际循环
压气机：不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀
定义：
T
3
4’
2’
2
4
压气机绝热效率
t简
2R 2A
2 1
3 4
4R
s
压气机间冷intercooling的图示
Intercooler
间冷器 5
2
3
燃烧室 6 2’
燃气轮机
4
1
压气机
压气机间冷在Ts图上的表示
t间
w净 q1
？T
3
12341和62’256联合工作
清华大学工程热力学习题课
工程热力学课程习题第一章1-1 试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液态钠。
它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4 人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。
在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。
试求山的高度为多少。
重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。
1-7如图1-15 所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。
大气压力为760mmHg。
试求(1) 真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；(2) 表C的读数；(3) 圆筒顶面所受的作用力。
图1-151-8 若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系(一般为线性关系)。
1-10 若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。
有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？若可能，读数相同的温度应是多少？1-14一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。
若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。
1-15气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。
由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。
试求该过程空气对外作功量。
1-16 1kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。
试求循环的净功量。
如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？图1-16第二章2-2 水在760mmHg下定压汽化，温度为100℃，比容从0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潜热为2250kJ/kg。
清华大学热工基础课件工程热力学加传热学1绪论
我国的CO2排放量仅次于美国，居世界第二， 占世界总排放量的13.6%。
据世界银行报导，我国城市空气污染对人体安 康和生产造成的损失估计每年200亿美元；酸雨使 农作物减产每年损失达50亿美元。
我国的能源建立要走可持续开展的道 路，必须两条腿走路：
0-2 热工根底的研究内容
热工基础
工程热力学篇
〔热工理论根底〕 传热学篇
主要研究内容：
热工根底主要研究热能利用的根 本规律以及热能利用过程及自然界所有 热现象中热量传递的根本规律。
1.工程热力学的研究内容与研究方法
〔1〕研究内容
工程热力学主要研究热能和机械能之间 相互转换的规律及提高能量转换经济性的途径 和技术措施 。〔举例〕
〔1〕合理利用能源，提高能源利用率。 主要途径就是改造或更新技术落后的能源 利用终端设备；
〔2〕大力开发对环境无污染或污染很小 的新能源，如太阳能、风能、水能、地 热能、海洋能、生物质能以及核能等。
3. 能量的转换与利用
能量的利用过程，实质上是能量的传递与转换过程。
燃料电池
机械能
氢、酒精等二次能源
及化学变化和核反响的热力学能，也称为内 热能；
电能 ：与电荷的运动和积蓄有关的能量； 化学能 ：通过化学反响释放的能量； 核能 ：通过核反响释放的能量； 辐射能 ：物体以电磁波的形式发射的能量。
2. 能源
能源是指能够直接或间接提供能量的物
质资源。
〔1〕能源分类
1〕按开发利用的情况： 常规能源：煤、石油、天然气、水能、核能等。 新能源：太阳能、风能、海洋能、生物质能、
〔2〕研究方法
清华大学工程热力学习题课
工程热力学课程习题第一章1-1 试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液态钠。
它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4 人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。
在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。
试求山的高度为多少。
重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。
1-7如图1-15 所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。
大气压力为760mmHg。
试求(1) 真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；(2) 表C的读数；(3) 圆筒顶面所受的作用力。
图1-151-8 若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系(一般为线性关系)。
1-10 若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。
有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？若可能，读数相同的温度应是多少？1-14一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。
若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。
1-15气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。
由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。
试求该过程空气对外作功量。
1-16 1kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。
试求循环的净功量。
如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？图1-16第二章2-2 水在760mmHg下定压汽化，温度为100℃，比容从0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潜热为2250kJ/kg。
朱明善清华大学工程热力学全集
压
燃
气
气
机
轮
空
机
气
1、热源，冷源 2、工质（燃气） 3、膨胀做功 4、循环 (加压、加热、 膨胀做功、放热)
废 气
三、内燃机的工作原理
进气过程 ：进气阀开，排气阀关，活 塞下行，将空气吸入气 缸。
压缩过程 ：进、排气门关，活塞上行 压缩空气，使其温度和 压力得以升高。
燃烧过程 ：喷油嘴喷油，燃料燃烧， 气体压力和温度急剧升高
教材与参考书
教 材：《工程热力学》朱明善等编
参考书：《工程热力学》（第二版） 庞麓鸣等编
《工程热力学》（第四版 ） 沈维道编 2007年
《工程热力学》严家騄编 2007年
绪论
工程热力学是重要的专业基础课
工程热力学
是一门研究热能有效利用及 热能和其它形式能量转换规律 的科学
0-1 热能及其利用
主 0-2 热能转换装置的工
要
作过程
内 0-3 工程热力学的研究
容
对象及其主要内容
0-4 热力学的研究方法
0-1 热能及其利用
风 能
燃
水 力 能
化 学 能
核 能
地 热 能
太
一次能源
阳 (天然存在)
能
料 电 池
风 车
水水
轮 机
车
燃 烧
聚裂 变变
热
供 暖
光转 热换
光 电 转
能 90%
换
机械能 发电 电动 机机
热机
直接利用
二次能源
（燃料的化学能转换为热能）。
膨胀过程 ：高温高压气体推动活塞下 行，曲轴向外输出机械功。
排气过程 ：活塞接近下死点时，排气 门开，在压差的作用下废气 流出气缸。 随后，活塞上行，将残余气体推出气 缸。
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4
冷凝器中放热量
2 3
q1 h2 h4
1
制冷系数
5
q2
h1 h4
h1 h4 q2 s
q1 q2 (h2 h4 ) (h1 h4 ) h2 h1 w
热、功均与焓有关
lnp-h图
lnp-h 图及计算
lnp
4
q1 3
T
2
4
2 3
1 5
q2 w
作业
8-5 工作在某某温度间, 意味着
环境温度和冷库温度之间
8-6 8-8 发的p-h图与书上h基准不同
空气回热压缩制冷循环
5 3R 4
回热式空气压缩制冷装置
2R 1R 1
T
3
T0 T1 3R
4
2
2R
5 1R
1
s
空气回热制冷与非回热的比较
吸热量（收益）： T
q2=cp(T1-T4) 不变
放热量： 相同
4
逆卡诺 73 湿蒸气压缩 “液击”现象
65
实际循环: 12 既安全，又增加了单 位质量工质的制冷量71
节流阀代替了膨胀机
2 3
1 7
s
节流阀代替膨胀机的分析
缺点： T
1. 损失功量 h4 h6
2. 从冷库少取走热量
84越陡越好
4
h5 h6 h4 h6 面积8468
思考题：
空气压缩制 冷循环是否 可以使用节 流阀代替膨
- 40.8°C
- 26.1°C
- 30.18°C
空气压缩制冷循环装置示意图
冷却水
3
2
冷却器
膨胀机 4
冷藏室
压缩机 1
蒸气压缩制冷空调装置示意图
1-2：绝热压缩过程
4
2-4：定压放热过程
4-5：绝热节流过程
5
5-1：定压吸热过程
蒸气压缩制冷循环
循环耗功量图示：123451 ？T
比较逆卡诺循环3467
h
q2 h1 h5 h1 h4 q1 h2 h4
1 5
s
q2 h1 h4
w h2 h1
过冷措施 工程上常用
lnp
q1 h2 h4'
T
4’ 4
32
4
w h2 h1 4’
1
5’ 5
q2 h1 h5'
5’ 5
h
q2 h1 h4'
w
不变
h2 h1
2 3
1
s
3
q1=cp(T2-T3) 非回热 T0 =cp(T2R-T5) 回热 T1 3R
回热＝ 非回热
4
2
2R
5
1R
1
p2R p2 p1 p1
s 适用于小压比大流量的叶轮式 压气机和膨胀机空气制冷系统
空气压缩制冷的根本缺陷
1. 无法实现 T ， 低，经济性差
2. q2=cp(T1-T4)小， 制冷能力q2 小
胀机？ 2
3
(h4 h8 ) (h6 h8 )
8 65
1
面积a84ba 面积a86ba
ab
优点：1. 省掉膨胀机，设备简化；
s
2. 节流阀开度易控制，调节蒸发压力；
另外，3. 小温差传热，不可逆性减小； 利>弊
4. 单位质量工质制冷量大幅发器中吸热量（制冷量）T
• 蒸气在两相区易实现 T • 汽化潜热大，制冷能力可能大
§8-2 蒸气压缩制冷循环
Vapor-compression refrigeration cycle
水能用否？ 0°C以下凝固不能流动。 一般用低沸点工质，如氟利昂、氨
水 R22 R134a THR01
沸点：
100°C
Ts ( p 1atm)