高等工程熱力學總復習題

高等工程熱力學總復習題高等工程熱力學總復習題高等工程熱力學總復習題一、簡答題1.與外界只有一種功量交換的單相簡單系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)都可以兩個獨立的狀態(tài)參數(shù)確定是否正確？答：不正確，對簡單可壓縮系統(tǒng)的物理變化過程，確定系統(tǒng)平衡狀態(tài)的獨立狀態(tài)參數(shù)只需兩個。但是對于化學反應的物系，不僅存在熱與力兩種不平衡勢差，而且存在驅(qū)動化學反應的化學勢差，并使參與反應的物質(zhì)成分或者濃度發(fā)生變化，故確定其平衡狀態(tài)往往需要兩個以上的獨立參數(shù)。2.闡述膨脹功、技術功、軸功與推動功之間的聯(lián)系與區(qū)別？答：膨脹功：氣體容積變化所引起的能量的變化；技術功：工程中可以直接利用的那部分能量，包括動能、勢能和軸功。軸功：通過進出口截面以外的邊界所傳遞的功；推進功：在進出口截面上，為推動工質(zhì)出入系統(tǒng)所傳遞的功量；穩(wěn)定流動中，工質(zhì)受熱膨脹而得到的膨脹功一部分用于補償系統(tǒng)輸出的凈推動功，一部分用于增加流動工質(zhì)的流動動能及重力勢能，其余部分作為開口系統(tǒng)的軸功輸出。即：膨脹功=技術功+推動功，技術功=軸功+動能+勢能。3.剛性容器絕熱放氣，試證明過程中容器內(nèi)發(fā)生的是可逆絕式，所以整個放氣過程是可逆的。在這一放氣過程中，可以假象成又一個活塞把剩余氣體與放出的氣體分割開來進行的，但并不表示容積的總熵不變，因為有質(zhì)量的流出，不是孤立系統(tǒng)，所以容積內(nèi)的總熵是減少的。如果把所有氣體以及外界看做是一個系統(tǒng)，考慮放出的氣體在容積外的不可逆膨脹過程，所以系統(tǒng)的總熵是增加的。如果把剩余氣體和放出的氣體看做是一個整體，則系統(tǒng)是孤立系統(tǒng)，又因為是可逆絕熱過程，系統(tǒng)的總熵是不變的。所以這一過程與熵增原理不違背。4.穩(wěn)定氣流對剛性容器絕熱充氣是可逆過程嗎？若不是不可逆損失如何計算？答：不是可逆過程。存在不可逆損失，熵產(chǎn)ΔSg>0。取此剛性絕熱容器為系統(tǒng)，絕熱過程，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。對于開口系穩(wěn)流熵方程為dScv=dSf+dSg+∑ni=1δMinSin-∑ni=1δMoutSout。穩(wěn)定流動時，dScv=0，δMout=0，δMin=δmdi，不可逆絕熱過程dSf=0，所以dSg+δMinSin=0，因此Sg=-∫12Sinδmdi=Sin。5.冷量?如何定義與表述？公式推導？請闡明與熱量?的關系與不同？答：冷量?：當系統(tǒng)的溫度比環(huán)境溫度低的時候，儲存在系統(tǒng)中的可以對外做功的那部分能量?；蛘哒f當系統(tǒng)溫度比環(huán)境溫度低時，肯定要對該系統(tǒng)做功才能達到溫度比環(huán)境低，那么這個過程所做的功就是冷量?儲存在冷量中。與熱量?相同點：都是反映系統(tǒng)通過邊界以傳熱的形式傳遞的能量。與熱量?不同點：熱量?與熱量的正負相同，系統(tǒng)放出熱量的同時也放出熱量?；反之亦然；冷量?與熱量正負相反，系統(tǒng)吸熱放出冷量?，利用它對外做功。熱量?始終小于熱量Q，而冷量?可等于、可大于、可小于冷量Q0ExQ2?T0?S?Q26.燃料的化學?是如何定義的？他與擴散?、反應?的區(qū)別在哪？答：化學?：當系統(tǒng)在物理死態(tài)時，經(jīng)可逆的物理或化學過程達到與環(huán)境化學平衡時，所能提供的那部分最大有用功。區(qū)別：化學?分為兩類，一類是濃度變化引起的稱為擴散?，另一類化學反應引起的，稱為反應?，因此，擴散?和反應?都是化學?的一種。7.什么是反應熱？生成熱？反應熱效應？反應熱與反應熱效應的區(qū)別是什么？什么是定容熱效應？什么是定壓熱效應？什么情況下定壓熱效應與定容熱效應近似相等？什么是標準定壓熱效應？工程中有何用途？答：反應熱：化學反應中物系與外界交換的熱量；生成熱：一些單質(zhì)或穩(wěn)定元素化合成1kmol化合物時的熱效應稱該化合物的生成熱；反應熱效應：當系統(tǒng)經(jīng)歷一個化學反應過程，只作容積變化功若所得生成物的溫度與反應物溫度相等，這時1kmol主要反應物或生成物所吸收或放出的熱量；區(qū)別：反應熱是過程量，與反應過程有關；熱效應是定溫反應過程中不作有用功時的反應熱，是狀態(tài)量；定容熱效應：在定溫和定容狀態(tài)下的反應熱效應稱為定容熱效應Qv=Up-UR；定壓熱效應：在定溫和定壓狀態(tài)下的反應熱效應稱為定壓熱效應Qp=Hp-HR；當反應物是固體和液體燃料、反應前后物質(zhì)的量變化量等于零和燃燒反應分子數(shù)變化不大的情況下，定壓熱效應和定容熱效應近似相等；標準定壓熱效應：規(guī)定在標準狀態(tài)25℃和一個大氣壓的狀態(tài)下，定壓熱效應的值定為標準定壓熱效應，用Qp0表示。?Wmax??1???Q1??1????Wmax??Q2????Wmax?Q2???C1?T??Q2??0?1??Q2T?T?T0?T?T?T0??T?T0??Wmax?T???0?1??Q2?T?Q2?T?ExQ2?Wmax???0?1??Q2?T0?S?Q20?T?8.赫斯定律說明了化學反應過程中的什么規(guī)律？在工程中有什么用途？答：1、當反應前后物質(zhì)的種類給定時，化學反應的熱效應，與中間過程無關，只與過程初始和終了狀態(tài)有關。2、應用：某些測不出的熱效應可易測的熱效應代替。9.什么是燃燒熱？分解熱？燃料的熱值是怎么定義的？什么是高熱值？什么是低熱值？答：燃燒熱：1mol燃料完全燃燒時的熱效應稱為燃料的燃燒熱；分解熱：1mol化合物分解成單質(zhì)時的熱效應稱為該化合物的分解熱；熱值：1kmol燃料完全燃燒時熱效應的絕對值；高熱值：當在含有H的燃料燃燒時，生成的水的狀態(tài)為液態(tài)水時，這時的熱值為高熱值；低熱值：當在含有H的燃料燃燒時，生成的水的狀態(tài)為氣態(tài)時，這時的熱值為低熱值。10.什么是標準燃燒焓？什么是標準生成焓？他們的聯(lián)系與區(qū)別？為什么引入標準生成焓？在工程中有什么用途？答：標準燃燒焓：有關單質(zhì)在標準狀態(tài)下發(fā)生化學反應1mol燃料完全燃燒時生成的熱量稱為該化合物的標準燃燒焓；標準生成焓：有關單質(zhì)在標準狀態(tài)下發(fā)生化學反應生成1kmol化合物所吸收的熱量，稱為該化合物的標準生成焓；聯(lián)系：都是發(fā)生化學反應產(chǎn)生的熱效應；區(qū)別：燃燒焓不一定是化合反應，一定是和氧氣發(fā)生反應；而生成焓是單質(zhì)化合反應的熱效應，不一定是和氧氣反應。在化學反應系統(tǒng)中，于有物質(zhì)的消失和產(chǎn)生，分析各生成物和反應物焓等熱力性質(zhì)的計算要有統(tǒng)一的基準參考點。引入標準生成焓的概念，可以方便工質(zhì)熱力性質(zhì)的計算。用途：生成焓是一種熱效應，是過程量，但是有了化學標準狀態(tài)下的統(tǒng)一規(guī)定，可以認為化學標準狀態(tài)下的生成焓是一個狀態(tài)參數(shù)。11.什么是絕熱燃燒溫度？什么是理論燃燒溫度？什么是平衡火焰溫度？他們的聯(lián)系和區(qū)別是什么？絕熱燃燒溫度：如果系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)歷一完全的燃燒反應過程，且燃燒反應是不與外界發(fā)生熱量交換的條件下進行的，燃燒產(chǎn)物可達的最高溫度；理論燃燒溫度：在不考慮動、位能的變化，又不對外作功的系統(tǒng)中，若燃料絕熱完全燃燒，且為理論空氣量時，燃燒產(chǎn)物可達的最高溫度；平衡火焰溫度：聯(lián)系：只有在理論空氣量的情況下，系統(tǒng)才可以達到理論燃燒溫度；區(qū)別：絕熱燃燒溫度點總是低于理論燃燒溫度。12.什么是燃燒的理論空氣量？過量空氣系數(shù)？空燃比？答：燃燒的理論空氣量：燃料完全燃燒所需要氧氣對應的空氣量；過量空氣系數(shù)：實際空氣量與理論空氣量之比；空燃比：混合氣中空氣與燃料之間質(zhì)量的比例。13.簡述熱力學第一定律在化學反應系統(tǒng)中的應用及重要結(jié)論答：假設反應都能進行且都能進行到底，以熱力學第一定律為基礎，研究化學變化中的能量轉(zhuǎn)換問題，計算化學變化中的熱效應。14.什么是化學反應過程的最大有用功？答：穩(wěn)定流動系統(tǒng)進行可逆等溫過程，系統(tǒng)對外作的最大有用功等于系統(tǒng)吉布斯函數(shù)的減少。15.什么是標準生成吉布斯函數(shù)？什么是反應吉布斯自能？答：標準生成吉布斯函數(shù)：有關單質(zhì)在標準狀態(tài)下生成1kmol化合物時的吉布斯函數(shù)的變化為該化合物的標準生成吉布斯函數(shù)。反應吉布斯自能：Gm0=Hm0-TSm0，是熱力學中可能轉(zhuǎn)化為有用功的能量。16.什么是化學平衡及平衡常數(shù)？什么是化學反應的平衡移動原理？闡述溫度、總壓對化學平衡常數(shù)的影響。解釋為什么在合成氨生產(chǎn)過程中要采用高壓。平衡常數(shù)在化學熱力反應工程計算中有什么用途？答：化學平衡：當化學反應中的正向和反向的反應速度相等時，達到化學平衡?；瘜W平衡常數(shù)：在一定溫度下，某個可逆反應達到平衡時，產(chǎn)物濃度系數(shù)次方的乘積與反應物濃度系數(shù)次方之比是一個常數(shù)，用k表示；化學反應的平衡移動原理：當把平衡態(tài)的某一因素改變，平衡態(tài)總是向著削弱該因素影響的方向移動；影響：溫度，升高溫度，使平衡向吸熱方向移動；降低溫度使平衡向放熱方向移動；壓力，當生成物的系數(shù)和小于反應物系數(shù)和時，壓力變大，平衡系數(shù)變大，反應向正向進行；當生成物系數(shù)和大于反應物系數(shù)和時，壓力變大，平衡系數(shù)減小，反應向反向進行；在N2+3H2=2NH3的化學反應中，生成物系數(shù)和=2大于反應物系數(shù)和=4，總壓對平衡常數(shù)的影響，當壓力升高時，反應向正向進行。所以在制備氨時，加壓可以促進反應向正向進行，合成更多的氨。用途：判斷化學反應進行的方向；(2)計算化學平衡時各組分的成分。17.簡述熱力學第二定律在化學反應系統(tǒng)中的應用及重要結(jié)論？答：熱力學第二定律可以結(jié)合化學反應過程的特征分析過程進行的方向、條件及限度，以及化學平衡問題。結(jié)論：可以作為反應過程的反向判據(jù)和平衡條件：ds≥&Q/T；標準生成吉布斯函數(shù)；化學平衡與平衡常數(shù)。18.什么是熱力學第三定律？簡述其意義及作用。答：熱力學第三定律：0K時任何純固體和純液體的熵為零；/不論如何理想化，也不管使用什么過程，都不能用有限的步驟使一個系統(tǒng)的溫度降低到絕對0K。意義：借助第一、第二定律僅能建立在一些通用的微分方程，只能給出各狀態(tài)量在給定過程中的變化量，而不能確定其絕對值。而熱力學第三定律給出狀態(tài)基態(tài)，且基態(tài)的狀態(tài)數(shù)只有一個。也就是說，熱力學第三定律決定了自然界中基態(tài)無簡并。作用：在統(tǒng)計物理學上，熱力學第三定律反映了微觀運動的量子化。在實際意義上，第三定律并不像第一、二定律那樣明白地告誡人們放棄制造第一種永動機和第二種永動機的意圖。而是鼓勵人們想方設法盡可能接近絕對零度。19.單元復相系平衡條件？物系中可能發(fā)生四種過程：熱傳遞、功傳遞、相變和化學反應，相應于這些過程有哪四種平衡條件？分別對應哪幾種勢差？答：平衡條件：熱平衡條件、力平衡條件、相平衡條件和化學平衡條件；勢差：溫差、壓差、力差和化學勢差。20.什么是吉布斯方程？什么是相平衡與相律？吉布斯相律其作用是什么？答：吉布斯方程:ΔG=ΔH－TΔS，熱力學中計算自能隨溫度變化的重要方程式，此式可計算平衡常數(shù)隨溫度的變化；相平衡:在一定的條件下，當一個多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時間變化時，稱此系統(tǒng)處于相平衡；相律:f=C－p+2，適用于多相平衡的一種體系，說明了在特定相態(tài)下，系統(tǒng)的自度跟其他變量的關系；吉布斯相律作用：說明了在特定相態(tài)下，系統(tǒng)的自度跟其他變量的關系。21.單相多組分系統(tǒng)中偏摩爾參數(shù)與化學勢的定義與區(qū)別？闡述化學勢及偏摩爾參數(shù)的物理意義及作用。答：偏摩爾參數(shù)：在溫度、壓力及除了某一組分i以外其余組分的物質(zhì)的量均不變的條件下，廣延量Y隨著組分i的物質(zhì)的量n的變化率，稱為組分i的偏摩爾參數(shù)；偏摩爾參數(shù)物理意義及作用：作用是解決體系組成的變化對體系狀態(tài)的影響問題。幾種物質(zhì)混合組成多元系統(tǒng)時，于分子間的作用力的影響，這些物質(zhì)在多元系統(tǒng)中的性質(zhì)與單獨存在所表現(xiàn)的性質(zhì)不同。可以用偏摩爾參數(shù)研究多組分體系溶體理論?；瘜W勢：吉布斯自能對成分的偏微分，化學勢又稱為偏摩爾勢能；化學勢物理意義及作用：化學勢是決定物質(zhì)傳遞方向和限度的強度因素，是驅(qū)使物質(zhì)改變的勢，是溶液中組成的熱力性質(zhì)。在相變過程中，于物質(zhì)在不同組元間的轉(zhuǎn)移是在恒溫恒壓下進行的，故可以通過比較兩相中物質(zhì)化學勢的大小來判斷物質(zhì)在各組元間轉(zhuǎn)移的方向和限度，即物質(zhì)總是從化學勢較高的相轉(zhuǎn)移到化學勢較低的相。當物質(zhì)在兩相中的化學勢相等時，則相變過程停止，系統(tǒng)達到平衡態(tài)；區(qū)別：都是廣延參數(shù)對摩爾數(shù)的偏導數(shù)，但偏摩爾參數(shù)的限制條件是恒溫恒壓，化學勢不受此限制；22.闡述混合物的逸度與逸度系數(shù)，其物理意義是什么？答：逸度：它代表了體系在所處的狀態(tài)下，分子逃逸的趨勢，也就是物質(zhì)遷移時的推動力或逸散能力。是一個假想的校正壓力，具有壓力的量綱。但只能用于自焓G或化學勢m表達式中，不能隨便用于狀態(tài)方程中；逸度系數(shù)：表征實際氣體相對于理想氣體的偏離程度。物理意義：逸度的概念主要用在多組分系統(tǒng)中，混合物中某組分的逸度可認為是其假想的分壓力。定義表明：當總壓力趨近于零時，任何氣體都變成理想氣體。注意是p→0，因為如果混合物的總壓不趨近于零，那么盡管混合物中一種氣體與其余氣體相比是稀薄的，其性質(zhì)也與理想氣體混合物不同。23.闡述克勞修斯-克拉伯龍方程的物理意義及用途，并推導之答：克勞修斯-克拉伯龍方程是普遍適用的微分方程式，它將兩相平衡時的斜率、相變潛熱和比體積三者相互聯(lián)系起來。因此可以從其中的任意兩個數(shù)據(jù)求取第三個。24.用克勞修斯-克拉伯龍方程解釋一般物質(zhì)的汽化線、升華線和融解線的斜率為正，而冰-水融解線的斜率為負？答：相變潛熱y總是正值，對一般物質(zhì)的氣化過程，升華過程和溶解過程來說，終態(tài)比容均大于初態(tài)比容，因此式中分母比容差為正，使得其過程線斜率為正，而冰-水溶解過程中于冰的比容大于水的比容，因此冰-水的溶解線的斜率為負。25.蒸發(fā)與沸騰現(xiàn)象有何異同？答：相同點：蒸發(fā)與沸騰都是汽化現(xiàn)象,都需要吸熱不同點：A、發(fā)生地點不同：蒸發(fā)是只在液體表面發(fā)生的汽化現(xiàn)象,而沸騰是在液體內(nèi)部和表面同時發(fā)生的劇烈的汽化現(xiàn)象；B、溫度條件不同：蒸發(fā)在任何溫度下都能發(fā)生,而沸騰是在一定溫度下發(fā)生的；C、溫度變化可能不同：液體蒸發(fā)時需吸收熱量,溫度可能降低；而沸騰過程中吸收熱量,但溫度保持不變；D、劇烈程度不同：蒸發(fā)比較緩和,而沸騰十分劇烈.E、影響因素不同：蒸發(fā)快慢與液體的溫度,表面積,表面的空氣流動速度有關,沸騰沸點與大氣壓的高低有關。26.我國北方冬天雪后，常在路面上灑些工業(yè)用鹽，其作用是什么？為什么？答：鹽溶于水形成溶液的凝固點比水的低，從而使得冰雪在較低的溫度下也可以融化。27.熱力學一般關系式在研究工質(zhì)熱力性質(zhì)時有何用途？答：1、按照基本熱力學關系，可以用可測的狀態(tài)參數(shù)和熱系數(shù)來表達不能通過實驗直接得出的偏微商，從而將個常用狀態(tài)函數(shù)表達出來，為在實驗測定基礎上得出工質(zhì)的狀態(tài)函數(shù)開辟道路；2、應用熱力學一般關系式可以減少研究中的實驗工作量，同時減小于有限的實驗精度帶來的誤差；3、利用熱力學一般關系式可以推導得出工程中所需的各種函數(shù)關系式。28.對書中常見的實際氣體狀態(tài)方程，歸納各方程的優(yōu)缺點及選用原則答：范.德瓦爾斯方程：范圍廣，精度差；范圍窄，精度高；定量計算不準確；維里型狀態(tài)方程式：物理意義明確，實驗曲線擬合容易。29.計算工程中實際氣體的熱力性質(zhì)時，如何判斷該物質(zhì)所處狀態(tài)是否遠離飽和區(qū)或液相區(qū)，如何決定是取用理想氣體狀態(tài)方程還是實際氣體狀態(tài)方程？答：30.在計算實際氣體熱力性質(zhì)時有哪兩種方法？各自特點是什么？答：偏差函數(shù)法和余函數(shù)法；偏差函數(shù)=實際狀態(tài)值-理想氣體狀態(tài)值；a、理想狀態(tài)值可以真實存在；b、需要給出一個壓力值；余函數(shù)=理想氣體狀態(tài)值-實際狀態(tài)值；a、可能不存在的假設狀態(tài)；b、不需要假定一個壓力值。31.“通過計算理想氣體的有關值，然后再加上實際氣體與理想氣體的偏差而得到實際氣體的熱力性質(zhì)”這種方法有哪兩種表示方法，請舉一例加以說明與分析答：偏差函數(shù)法和余函數(shù)法；偏