第9章气体动力循环
9-1 某活塞式内燃机定容加热理想循环，压缩比ε＝10，气体在压缩中程的起点状态是p1＝100kPa、t1＝35℃，加热过程中气体吸热650kJ/kg。假定比热容为定值且c p＝1.005kJ/（kg·K）、k＝1.4，求：
（1）循环中各点的温度和压力；
（2）循环热效率，并与同温度限的卡诺循环热效率作比较；
（3）平均有效压力。
图9-1
解：（1）由题意可知
v3＝v2＝0.08844m3/kg
由q1＝c V（T3－T2）可知
（2）由题意可知
同温限的卡诺循环热效率为
（3）由题意可知
9-2 利用空气标准的奥托循环模拟实际火花点火活塞式汽油机的循环。循环的压缩比为7，循环加热量为1000kJ/kg，压缩起始时空气压力为90kPa，温度10℃，假定空气的比热容器可取定值，求循环的最高温度、最高压力、循环热效率和平均有效压力。
解：状态1：
状态2：
状态3：
v3＝v2＝0.129m3/kg
状态4：
v4＝v1＝0.9029m3kg
q2＝c V（T4－T1）＝0.718×（922.64－283.15）＝459.2kJ/kg
9-3 某狄塞尔循环的压缩比是19：1，输入每千克空气的热量q1＝800kJ/kg。若压缩起始时状态是t1＝25℃、p1＝100kPa，计算：
（1）循环中各点的压力、温度和比体积；
（2）预胀比；
（3）循环热效率，并与同温限的卡诺循环热效率作比较；
（4）平均有效压力。假定气体的比热容为定值，且c p＝1005J/（kg·K）、c V＝718J/（kg·K）
解：（1）由题意可知
（2）由题意可知
（3）由题意可知
卡诺循环效率
（4）由题意可知
9-4 某内燃机狄塞尔循环的压缩比是17：1，压缩起始时上质状态为p1＝95kPa、t1＝10℃。若循环最高温度为1900K，假定气体比热容为定值c p＝1.005kJ/（kg·K）、k＝1.4。试确定：
（1）循环各点温度，压力及比体积；
（2）预胀比；
（3）循环热效率。
解：（1）由题意可知
（2）由题意可知
（3）由题意可知
9-5 已知某活塞式内燃机混合加热理想循环p1＝0.1MPa、t1＝60℃，压缩比定容升压比
，定压预胀比试分析计算循环各点温度、压力、比体积及循环热效率。设工质比热容取定值，c p＝1.005kJ/（kg·K），c V＝0.718kJ/（kg·K）。
图9-2 解：由题意可知
第一章基本概念与定义 1．答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定 2．答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。 3．答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。平衡状态并非稳定状态之必要条件。物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。 4．答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。当地大气压不一定是环境大气压。环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。 5．答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。 6．答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测定值可能有微小的差异。 7．答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变化的原因。 } 8．答：（1）第一种情况如图1-1（a）,不作功（2）第二种情况如图1-1（b）,作功（3）第一种情况为不可逆过程不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在p-v图上表示出来。 9．答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。 10．答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复到原来状态，外界没有变化；若存在不可逆因素，系统恢复到原状态，外界产生变化。 11．答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。
工程热力学第四版沈维道 思考题 完整版 第1章 基本概念及定义 1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗 答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。 2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对，为什么 答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。 ⒊平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系 答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。 ⒋倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗在绝对压力计算公式 中，当地大气压是否必定是环境大气压 答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。 “当地大气压”并非就是环境大气压。准确地说，计算式中的P b 应是“当地环境介质”的压 ) ( )( b v b b e b P P P P P P P P P P <-=>+=；
P30 (1) P56 (4) P93 (9) P133 (13) P193 (18) P235 (25) P263 (30) P281 (34) P396 (35) P30 1．闭与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？ 不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。 2．有人认为开口系统内系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？ 不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界进行传递（传热量），随物质进出的热能（准确地说是热力学能）不在其中。 3．平衡状态与稳定状态有何区别和联系？ 平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。 4．倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公式
p =p b +p g (p > p b ), p = p b -p v (p < p b ) 中，当地大气压是否必定是环境大气 压？ 当地大气压p b 改变，压力表读数 就会改变。当地大气压p b 不一定是环 境大气压。 5．温度计测温的基本原理是什么？ 热力学第零定律 6．经验温标的缺点是什么？为什么？ 不同测温物质的测温结果有较大的误差，因为测温结果依赖于测温物质的性质。 7．促使系统状态变化的原因是什么？举例说明。 有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。 8．分别以图1-20所示的参加公路自行车赛的运动员、运动手枪中的压缩空气、杯子里的热水和正在运行的电视机为研究对象，说明这些是什么系统。 参加公路自行车赛的运动员是开口系统、运动手枪中的压缩空气是闭口绝热系统、杯子里的热水是开口系统（闭口系统——忽略蒸发时）、正在运行的电视机是闭口系统。 4题图
第4章 理想气体热力过程及气体压缩 4．1 本章基本要求 熟练掌握定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p 、v 、T 、?u 、?h 、?s 的计算，过程量Q 、W 的计算，以及上述过程在p -v 、T -s 图上的表示。 4．2 本章重点 结合热力学第一定律，计算四个基本热力过程、多变过程中的状态参数和过程参数及在p -v 、T -s 图上表示。本章的学习应以多做练习题为主，并一定注意要在求出结果后，在p -v 、T -s 图上进行检验。 4．3 例 题 例1．2kg 空气分别经过定温膨胀和绝热膨胀的可逆过程，如图4.1，从初态1p =9.807bar,1t =300C 膨胀到终态容积为初态容积的5倍，试计算不同过程中空气的终态参数，对外所做的功和交换的热量以及过程中内能、焓、熵的变化量。 图4.1 解：将空气取作闭口系 对可逆定温过程1-2，由过程中的参数关系，得 bar v v p p 961.15 1807.92112=?==
按理想气体状态方程，得1 11p RT v ==0.1677kg m /3 125v v ==0.8385kg m /3 12T T ==573K 2t =300C 气体对外作的膨胀功及交换的热量为 1 211ln V V V p Q W T T ===529.4kJ 过程中内能、焓、熵的变化量为 12U ?=0 12H ?=0 12S ?= 1T Q T =0.9239kJ /K 或12S ?=mRln 1 2V V =0.9238kJ /K 对可逆绝热过程1-2′, 由可逆绝热过程参数间关系可得 k v v p p )(2 11'2= 其中22'v v ==0.8385kg m /3 故 4.12)5 1(807.9'=p =1.03bar R v p T '''222==301K '2t =28C 气体对外所做的功及交换的热量为 )(1 1)(11'212211T T mR k V p V p k W s --=--==390.3kJ 0'=s Q 过程中内能、焓、熵的变化量为 kJ T T mc U v 1.390)(1212''-=-=? 或kJ W U 3.390212'-=-=? kJ T T mc H p 2.546)(1212''-=-=? '12S ?=0 例2. 1kg 空气多变过程中吸取41.87kJ 的热量时，将使其容积增大
《工程热力学》 沈维道主编 第四版 课后思想题答案（1～５章） 第1章 基本概念 ⒈ 闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定,那么,系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗? 答:否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时(如稳态稳流系统),系统内的质量将保持恒定不变。 ⒉ 有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换,而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对,为什么? 答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量,是过程量,过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。 ⒊ 平衡状态与稳定状态有何区别和联系,平衡状态与均匀状态有何区别和联系？ 答:“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点;但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。 ⒋ 倘使容器中气体的压力没有改变,试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式 b e p p p =+()b p p >;b v p p p =-() b p p < 中,当地大气压是否必定是环境大气压? 答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力,譬如大气压力,是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变,表压力和真空度仍有可能变化。 “当地大气压”并非就是环境大气压。准确地说,计算式中的Ｐｂ 应是“当地环境介质”的压力,而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。 ⒌ 温度计测温的基本原理是什么? 答:温度计对温度的测量建立在热力学第零定律原理之上。它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。 ⒍ 经验温标的缺点是什么?为什么? 答:由选定的任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。由于经验温标依赖于测温物质的性质,当选用不同测温物质制作温度计、采用不同的物理性质作为温度的标志来测量温度时，除选定的基准点外,在其它温度上,不同的温度计对同一温度可能会给出不同测定值（尽管差值可能是微小的）,因而任何一种经验温标都不能作为度量温度的标准。这便是经验温标的根本缺点。 ⒎ 促使系统状态变化的原因是什么?举例说明。 答：分两种不同情况： ⑴ 若系统原本不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势差的作用下,各个部分发生相互作用，系统的状态将发生变化。例如,将一块烧热了的铁扔进一盆水中,对于水和该铁块构成的系统说来,由于水和铁块之间存在着温度差别,起初系统处于热不平衡的状态。这种情况下，无需外界给予系统任何作用，系统也会因铁块对水放出热量而发生状态变化：铁块的温度逐渐降低,水的温度逐渐升高,最终系统从热不平衡的状态过渡到一种新的热平衡状态; ⑵ 若系统原处于平衡状态，则只有在外界的作用下（作功或传热）系统的状态才会发生变。 ⒏ 图1-１6a 、b 所示容器为刚性容器：⑴将容器分成两部分。一部分装气体,一部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板,气体(系统)是否作功？ ⑵设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢复平衡再抽去一块, 问气体（系统)是否作功？ ⑶上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在P-v 图上表示? 答：⑴;受刚性容器的约束，气体与外界间无任何力的作用，气体（系统）不对 外界作功; ⑵ b 情况下系统也与外界无力的作用，因此系统不对外界作功; ⑶ a 中所示的情况为气体向真空膨胀(自由膨胀)的过程，是典型的不可逆过程。过程中气体不可能处于平衡状态,因此该
第7章气体与蒸汽的流动 7-1 空气以c f＝180m/s的流速在风洞中流动，用水银温度计测量空气的温度，温度计上的读数是70℃，假定气流通在温度计周围得到完全滞止，求空气的实际温度（即所谓热力学温度）。 解：由题意可知 所以t1＝53.88℃ 7-2 已测得喷管某一截面空气的压力为0.5MPa，温度为800K，流速为600m/s，若空气按理想气体定比热容计，试求滞止温度和滞止压力。 解：由题意可知 滞止温度 滞止压力 7-3 喷气发动机前端是起扩压嚣作用的扩压段，其后为压缩段。若空气流以900km/h 的速度流入扩压段，流入时温度为－5℃，压力为50kPa。空气流离开扩压段进入压缩段时速度为80m/s，此时流通截面积为入口截面积的80％，试确定进入压缩段时气流的压力和温度。
解：由题意可知，扩压段出口的温度 由质量守恒得， 即 7-4 进入出口截面积A2＝10cm2的渐缩喷管的空气初速度很小可忽略不计，初参数为p1＝2×106Pa、t1＝27℃。求空气经喷管射出时的速度，流量以及出口截面处空气的状态参数v2、t2。设空气取定值比热容，c p＝1005J/（kg·K）、k＝1.4，喷管的背压力p b分别为1.5MPa和1MPa。 解：由题意可知， 所以
当p b＝1MPa时， 7-5 空气进入渐缩喷管时的初速度为200m/s，初压为1MPa，初温为500℃。求喷管达到最大流量时出口截面的流速、压力和温度。 解：由题意可知， 对于初态及A2确定的收缩喷管内的流动，出口截面流速达到音速，流量最大，所以
7-6 空气流经渐缩喷管。在喷管某一截面处，压力为0.5MPa，温度为540℃，流速为200m/s，截面积为0.005m2。试求： （1）气流的滞止压力及滞止温度； （2）该截面处的音速及马赫数； （3）若喷管出口处的马赫数等于1。求出口截面积、出口温度、压力及速度。 解：（1）由题意可知 （2）由题意可知 （3）由题意可知 7-7 燃气经过燃气轮机中渐缩喷管形的通道绝热膨胀，燃气的初参数为p1＝0.7MPa、
工程热力学第4 版习题解 本题解是沈维道、童钧耕编写高等教育出版社出版的“十一五”国家级规划教材《工程热力学》第 4 版的配套资料。本题解提供的解法是从教学的角度出发的，未必是唯一的或是最好的，题解中出现的错误恳请读者批评指正。 上海交通大学机械与动力工程学院 童钧耕 2007/11/22 第一章基本概念 1-1英制系统中采用华氏温标，它规定在标准大气压（101 325 Pa）下纯水的冰点是 32 F，汽点是212 F，试推导华氏温度与摄氏温度的换算关系。 {t}F 32 {t}C 0 解： 212 32 100 0 180 {t}C 32 9{t}C 32 {t}F 100 5 1-2英制系统中朗肯温度与华氏温度的关系为{T}R {t}F 459.67。已知热力学绝对温 标及朗肯温标在纯水冰点的读数分别是273.15K和491.67R；汽点的读数分别是373.15K和671.67R。 （1）导出朗肯温度和开尔文温度的关系式； （2）开尔文温标上绝对零度在朗肯温标上是多少度？ 解：（1）若任意温度T在朗肯温标上读数为T(R)在热力学绝对温标上读数为T（K）， 671.67 491.67 T(R) 491.67 则 373.15273.15 T(K) 273.15 解得{T}R 1.8{T}K （2）据上述关系{T}K 0时，{T}R 0
1-3设一新温标，用符号N 表示温度单位（它的绝对温标是用Q 表示温度单位）。规定 纯水的冰点和汽点100N 和1000N 。试求： （1）该新温标与摄氏温标的关系； （2）若该温标的绝对零度与热力学温标零度相同，则该温标读数为0N 时，其绝对温标 读数是多少Q ？ {t }N 100 {t } C 0 解：（1） 1000 100 100 0 {t }N 9{t } C 100 （2） {T }Q {t }N C 9{t } C 100 C 9[{T }K 273.15]100 C 据题意，当{T }K 0时，{T }Q 0，解得上式中 C 2358.35，代回原式得 {T }Q {t }N 2358.35 {T }N 0时，T 2358.385Q 。 1-4直径为 1m 的球形刚性容器，抽气后真空度为 752.5mmHg ，若当地大气为 0.101MPa ， 求： （1）容器内绝对压力为多少 Pa ； （2）容器表面受力多少 N ？ 6 Pa 752.5mmHg 133.3Pa/mmHg 691.75Pa 12.57m 解：（1） （2） p p b p v 0.10110 A 0 4 d 4 3.14161m 2 2 2 F A 0p A 0( p b p ) 12.57 m (0.10110 Pa - 691.75Pa) 1.26110 N 6 6 2 1-5用 U 型压力计测量容器中气体的压力，在水银柱上加一段水， 则得水柱高 1020mm ，水银柱高 900mm ，如图 1-1所示，若当地大气压 为 755mmHg ，求容器中气体的压力（MPa ）。 解： p p e p b (10209.81)Pa (900133.3)Pa (755133.3)Pa 图 1- 1 2.30610 Pa 0.231MPa 5 1-6容器中的真空度为 p v 600mmHg ，气压计上水银柱高度为 p b 755mm ，求容器中
难，并且承担一切后果。也许，常常还会遇到这样的情况：你刚刚还在为抓到一个小鸟球而欢呼雀跃，下一刻大风就把小白球吹跑了；或者你才在上一个洞吞了柏忌，下一个洞你就为抓了老鹰而兴奋不已。 P30 (1) P56 (6) P93 (13) P133 (19) P193 (25) P235 (36) P263 (42) P281 (47) P396 (49) P30 1．闭与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？ 不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。 2．有人认为开口系统内系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以 开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？ 只有凭借毅力，坚持到底，才有可能成为最后的赢家。这些磨练与考验使成长中的青少年受益匪浅。在种种历练之后，他们可以学会如何独立处理问题；如何调节情绪与心境，直面挫折，抵御压力；如何保持积极进取的心态去应对每一次挑战。往往有着超越年龄的成熟与自信，独立性和处理问题的能力都比较强。
难，并且承担一切后果。也许，常常还会遇到这样的情况：你刚刚还在为抓到一个小鸟球而欢呼雀跃，下一刻大风就把小白球吹跑了；或者你才在上一个洞吞了柏忌，下一个洞你就为抓了老鹰而兴奋不已。 只有凭借毅力，坚持到底，才有可能成为最后的赢家。这些磨练与考验使成长中的青少年受益匪浅。在种种历练之后，他们可以学会如何独立处理问题；如何调节情绪与心境，直面挫折，抵御压力；如何保持积极进取的心态去应对每一次挑战。往往有着超越年龄的成熟与自信，独立性和处理问题的能力都比较强。 不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界进行传递（传热量），随物质进出的热能（准确地说是热力学能）不在其中。 3．平衡状态与稳定状态有何区别和联系？ 平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。 4．倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公式 p =p b +p g (p > p b ), p = p b -p v (p < p b ) 中，当地大气压是否必定是环境大气 压？ 当地大气压p b 改变，压力表读数 就会改变。当地大气压p b 不一定是环 境大气压。 5．温度计测温的基本原理是什么？ 热力学第零定律 6．经验温标的缺点是什么？为什么？ 不同测温物质的测温结果有较大的误差，因为测温结果依赖于测温物质的性质。 4题图