工程熱力學課后答案

1、工程熱力學 沈維道主編 第四版 課后思想題答案（ 15 章） 第1章 基本概念 閉口系與外界無物質交換，系統內質量將保持恒定，那么，系統內質量保持恒定的熱力系一定是閉口系統嗎? 答：否。當一個控制質量的質量入流率與質量出流率相等時（如穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統），系統內的質量將保持恒定不變。 有人認為，開口系統中系統與外界有物質交換，而物質又與能量不可分割，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。熱量是指過程中系統與外界間以熱的方式交換的能量， 是過程量，過程一旦結束就無所謂“熱量”。物質并不“擁有”熱量。一個系統能否絕熱與其邊界是否對

2、物質流開放無 關。 平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別和聯系，平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)有何區(qū)別和聯系? 答：“平衡狀態(tài)”與“穩(wěn)定狀態(tài)”的概念均指系統的狀態(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會改變嗎？在絕對壓力計算公式 ppbpe(ppb) ;ppbpv(ppb ) 中，當地大氣壓是否必定是環(huán)境大氣壓 ? 答：可能會的。因為壓力表上的讀數為表壓力，是工質真實壓力與環(huán)境介質壓力之差。環(huán)境介質壓力，譬如大氣壓力， 是地面以上空氣柱的重量所造成的，

3、它隨著各地的緯度、高度和氣候條件不同而有所變化，因此，即使工質的絕對壓力 不變，表壓力和真空度仍有可能變化。 “當地大氣壓”并非就是環(huán)境大氣壓。準確地說，計算式中的 Pb 應是“當地環(huán)境介質”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第零定律原理之上。它利用了“溫度是相互熱平衡的系統所具有的一種同一熱力 性質”，這一性質就是“溫度”的概念。 經驗溫標的缺點是什么 ?為什么 ? 答：由選定的任意一種測溫物質的某種物理性質，采用任意一種溫度標定規(guī)則所得到的溫標稱為經驗溫標。由于經驗溫 標依賴

4、于測溫物質的性質，當選用不同測溫物質制作溫度計、采用不同的物理性質作為溫度的標志來測量溫度時，除選 定的基準點外，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 一種經驗溫標都不能作為度量溫度的標準。這便是經驗溫標的根本缺點。 促使系統狀態(tài)變化的原因是什么 ?舉例說明 答：分兩種不同情況： 若系統原本不處于平衡狀態(tài)， 系統內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， 系統的狀態(tài)將發(fā)生變化。例如，將一塊燒熱了的鐵扔進一盆水中，對于水和該鐵塊構成的系統說來，由于水和鐵塊之間 存在著溫度差別，起初系統處于熱不平衡的狀態(tài)。這

5、種情況下，無需外界給予系統任何作用，系統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 ） 是否作功？ 設真空部分裝有許多隔板，每抽去一塊隔板讓氣體先恢復平衡再抽去一塊， 問氣體 （系統 ）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

6、間無任何力的作用，氣體（系統）不對外界作功； b 情況下系統也與外界無力的作用，因此系統不對外界作功； 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，若隔板數量足夠多，每當抽去一塊隔板時，氣體只作極微小的 膨脹，因而可認為過程中氣體始終處在一種無限接近平衡的狀態(tài)中， 即氣體經歷的是一種準靜過程， 這種過程可以在 P-v 圖上用實線表示出來。 經歷一個不可逆過程后，系統能否恢復原來狀態(tài)？包括系統和外界的整個系統能否恢復原來狀態(tài)？答：所謂過程不 可逆，是指一并完成該過程的逆過

7、程后，系統和它的外界不可能同時恢復到他們的原來狀態(tài)，并非簡單地指系統不可能 回復到原態(tài)。同理，系統經歷正、逆過程后恢復到了原態(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到了原來的狀態(tài)，沒有遺留下任何變化。原則上說來經歷一個不可逆過程后系 統是可能恢復到原來狀態(tài)的，只是包括系統和外界在內的整個系統則一定不能恢復原來狀態(tài)。 系統經歷一可逆正向循環(huán)及其逆向可逆循環(huán)后， 系統和外界有什么變化？若上述正向及逆向循環(huán)中有不可逆因素， 則 系統及外界有什么變化？ 答：系統完成一個循環(huán)后接著又完成其逆向循環(huán)時，無論循環(huán)可逆與否，系統的狀態(tài)都不會有什么變化。根據

8、可逆的概 念，當系統完成可逆過程（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一一回復到原來的狀 態(tài)，不遺留下任何變化；若循環(huán)中存在著不可逆因素，系統完成的是不可逆循環(huán)時，雖然系統回復到原來狀態(tài)，但在外 界一定會遺留下某種永遠無法復原的變化。 （注意：系統完成任何一個循環(huán)后都恢復到原來的狀態(tài)，但并沒有完成其“逆過程”，因此不存在其外界是否“也恢復 到原來狀態(tài)”的問題。一般說來，系統進行任何一種循環(huán)后都必然會在外界產生某種效應，如熱變功，制冷等，從而使 外界有了變化。） 工質及氣缸、活塞組成的系統經循環(huán)后，系統輸出的功中是否要減去活塞排斥大氣功才是有用功？ 答：不需要。由于活塞

9、也包含在系統內，既然系統完成的是循環(huán)過程，從總的結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 熱力學第一定律 2-11 所示。 B 中， 剛性絕熱容器中間用隔板分為兩部分， A 中存有高壓空氣， B 中保持真空，如圖 若將隔板抽去，分析容器中空氣的熱力學能如何變化？若隔板上有一小孔，氣體泄漏人 分析 A、B兩部分壓力相同時 A、B 兩部分氣體的比熱力學能如何變化？ 答: 定義容器內的氣體為系統，這是一個控制質量。 由于氣體向真空作無阻自由膨脹，不對外界作功，過程功W=0；容器又是絕熱的，過程的熱量 Q=0，因此，根據熱力學第一定律 Q=U+W，應有 U=0，即容器中氣體的

10、總熱力學能不變， 則其溫度不變。 A、B 膨脹后當氣體重新回復到熱力學平衡狀態(tài)時，其比熱力學能亦與原來一樣，沒有變化；若為理想氣體， 當隔板上有一小孔，氣體從 A 泄漏人 B 中，若隔板為良好導熱體， A、 B 兩部分氣體時刻應有相同的溫度，當 A對 B的充氣過程，由于 A部分氣體需對 B 部分氣體的比熱力學能則會比原來升高， 兩部分氣體壓力相同時， A、B 兩部分氣體處于熱力學平衡狀態(tài)，情況像上述作自由膨脹時一樣，兩部分氣體將有相同的 比熱力學能，按其容積比分配氣體的總熱力學能；若隔板為絕熱體，則過程為 進入 B 的那一部分氣體作推進功，充氣的結果其比熱力學能將比原來減少， 見習題 4-22

11、）。 最終兩部分氣體的壓力會達到平衡，但 A 部分氣體的溫度將比 B部分的低 熱力學第一定律的能量方程式是否可寫成 q u Pv q2 q1 （u2 u1） （w2 w1） 的形式，為什么？ 答：熱力學第一定律的基本表達式是： 過程熱量 = 工質的熱力學能變化 + 過程功 第一個公式中的 Pv并非過程功的正確表達，因此該式是不成立的； 熱量和功過程功都是過程的函數，并非狀態(tài)的函數，對應于狀態(tài) 1 和 2 并不存在什么 q1、 q2 和 w1、w2；對于過程1-2并不存在過程熱量 q q2 q1 和過程功 w w2 w 1 ，因此第二個公式也是不成立的 q .熱力學u 第一w定律解析式有時寫成下

12、列兩種形式： 2 q u 1 Pdv 分別討論上述兩式的適用范圍 答：第一個公式為熱力學第一定律的最普遍表達，原則上適用于不作宏觀運動的一切系統的所有過程；第二個表達式中 由于將過程功表達成 2 Pdv 這只是對簡單可壓縮物質的可逆過程才正確，因此該公式僅適用于簡單可壓縮物質的可逆過程。 .為什么推動功出現在開口系能量方程式中，而不出現在閉口系能量方程式中？ 答：當流體流動時， 上游流體為了在下游占有一個位置， 必須將相應的下游流體推擠開去， 當有流體流進或流出系統時， 上、下游流體間的這種推擠關系，就會在系統與外界之間形成一種特有的推動功（推進功或推出功）相互作用。反之， 閉口系統由于不存在

13、流體的宏觀流動現象，不存在上游流體推擠下游流體的作用，也就沒有系統與外間的推動功作用， 所以在閉口系統的能量方程式中不會出現推動功項。 .穩(wěn)定流動能量方程式（ 2-16 ）是否可應用于活塞式壓氣機這種機械的穩(wěn)定工況運行的能量分析？為什么？ 答：可以。就活塞式壓氣機這種機械的一個工作周期而言，其工作過程雖是不連續(xù)的，但就一段足夠長的時間而言（機 器的每一工作周期所占的時間相對很短），機器是在不斷地進氣和排氣，因此，對于這種機器的穩(wěn)定工作情況，穩(wěn)態(tài)穩(wěn) 流的能量方程是適用的。 Q dUW .開口系實施穩(wěn)定流動過程，是否同時滿足下列三式 Q dHWt m2 Q dHdc2f mgdzWi 上述三式中

14、W、 Wt 和 Wi 的相互關系是什么 ? 答：是的，同時滿足該三個公式。 第一個公式中 dU 指的是流體流過系統時的熱力學能變化， W是流體流過系統的過程中對外所作的過程功；第二個公 式中的Wt指的是系統的技術功；第三個公式中的 Wi 指的是流體流過系統時在系統內部對機器所作的內部功。對通 常的熱工裝置說來，所謂“內部功”與機器軸功的區(qū)別在于前者不考慮機器的各種機械摩擦，當為可逆機器設備時，兩 者是相等的。從根本上說來，技術功、內部功均來源于過程功。過程功是技術功與流動功（推出功與推進功之差）的總 和；而內部功則是從技術功中扣除了流體流動動能和重力位能的增量之后所剩余的部分。 幾股流體匯合成

15、一股流體稱為合流，如圖 2-12 所示。工程上幾臺壓氣機同時向主氣道送氣，以及混合式換熱器 等都有合流的問題。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，并導出出口截面上焓值 h3 的計算式。 答：認為合流過程是絕熱的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，系統不作軸功，并忽略流體的宏觀動能和重力位 能。對所定義的系統，由式 （2-28） dE cv n 1 . m 1 (h 2c2 gz)m ( h 2c2 gz)m Wshaft ,i i 1 2 out ,i i 1 2 in ,i 應有能量平衡 第 3 章 理想氣體的性質 怎樣正確看待“理想氣體”這個概念

16、？在進行實際計算時如何決定是否可采用理想氣體的一些公式？ 答：理想氣體并非實際存在的氣體。它只是通常氣體的一種抽象物，當實際氣體壓力趨于零，比體積趨于無限大時才表 現出理想氣體性質。相對通常的壓力和溫度而言，當實際氣體的溫度較高，壓力較低，而計算精度要求又不是太高時， 可以采用理想氣體的一些公式對之進行計算。 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？ 答：同溫同壓下，任何 1 摩爾氣體都具有相同的容積。但是，若氣體的狀態(tài)不同，其摩爾體積并不相同，只在標準狀況 下氣體的千摩爾體積才等于 22.4 m3

17、/kmol 。 摩爾氣體常數 R 的值是否隨氣體的種類不同或狀態(tài)不同而異？ 答：摩爾氣體常數 R的值恒等于 8.3143 kJ/(kmol K)，不因氣體的種類不同或狀態(tài)不同而異。 如果某種工質的狀態(tài)方程式為 Pv = RgT，那么這種工質比熱容、熱力學能、焓都僅僅是溫度的函數嗎？ 答：理想氣體的狀態(tài)方程式為 Pv = RgT，服從這一方程的氣體均屬理想氣體。按照理想氣體模型，其熱力學能、焓都僅 僅是溫度的函數。理想氣體的比熱容與過程的性質有關，也與溫度有關，對于一定的過程而言，理想氣體的比熱容僅是 溫度的函數。 對于一種確定的理想氣體， (cp- cv)是否等于定值？ cp/cv 是否為定值

18、？在不同溫度下 (cp -cv)、 cp/cv 是否總是同一定 值？ 答：根據邁耶公式， cp-cv = Rg，對于一種確定的理想氣體 Rg是一常數，不因溫度變化而改變。熱容比 cp/cv 則不同，它與氣體的種類有關，而且，對于一種確定的理想氣體它還與氣體的溫度有關，隨溫升高 而降低。 邁耶公式 cp- cv = Rg是 否適用于理想氣體混合物？是否適用于實際氣體？ 答：邁耶公式 cp-cv = Rg也適用于理想氣體混合物，這時式中的 cp 、 cv 應是混合氣體的定壓比熱容和定容比熱容，對于 質量比熱容，應有 cp = wicp,i ， cv = wicv,i ； Rg是混合氣體的折算氣體常

19、數， Rg = wiRg,i 。以上 wi 為混合氣體的質量分數。 邁耶公式根據理想氣體的熱力學能和焓為溫度的單值函數這一性質導出，不適用于實際氣體。 試論證熱力學能和焓是狀態(tài)參數。理想氣體熱力學能和焓有何特點？ 答：所謂熱力學能是指因物質內部分子作熱運動的所具有的內動能，分子間存在相互作用力而相應具有的內位能、維持 一定分子結構的化學能、原子核內部的原子能，以及電磁場作用下的電磁能等。在無化學反應、原子核反應的情況下， 物質的化學能和原子核能無變化，可不予考慮，物質的熱力學能變化僅包含內動能和內位能的變化。 根據分子運動論和量子理論，普遍說來分子熱運動所具有的內動能是溫度的函數，而內位能則是

20、溫度和比體積的函數， 即物質的熱力學能是物質的狀態(tài)參數。 根據熱力學第一定律，工質從狀態(tài) 1經某種熱力過程變化到狀態(tài) 2 時，有能量平衡關系 dQ=dU+dW . . (m h) (m h ) 0 從另一方面說來，當 nou tmin nou tmin m1 h1m 2 h2m3 h3 h3 m1h1 . m2h2 如此，對于如圖所示 m3 工質經歷熱力循環(huán)時，應有循環(huán)的凈熱量等于循環(huán)的凈功： dQ dW 即 (dQ dW) 0 的 1a2c1和 1b2c1 兩個熱力循環(huán)，應有 (dQ dW)(dQ dW) 0 及 (dQ dW)(dQ dW) 0 對比兩式，可見 1a 2( dQ dW )

21、1b2( dQ d W ) 由熱力學第一定律的表達式，根據式及有 dU 0 及 1a2dU 1b2dU 這表明積分函數 dU 的求積結果與路徑無關，即 dU 是某個狀態(tài)參數的全微分，可見熱力學能 U為狀態(tài)參數。 氣體有兩個獨立的參數， u 或 h 可以表示為 P 和 v 的函數，即 u = fu(P, v)。但又曾得出結論，理想氣體的熱力學能、 焓只取決于溫度，這兩點是否矛盾？為什么？ 答：不矛盾。根據理想氣體模型，理想氣體的分子只有內動能，不存在內位能，其熱力學能僅包含內動能，因此其熱力 學能 u 只是溫度的函數。焓參數 h 的定義為 h = u+ Pv，由于理想氣體遵循狀態(tài)方程 Pv =

22、RgT，可見理想氣體的焓參數也 僅為溫度的函數。另一方面，從狀態(tài)方程看理想氣體的溫度T應是其壓力 P和比體積 v的函數，因而熱力學能 u 和焓參 數 h 也可以表達為壓力 P和比體積 v 的函數。一個狀態(tài)參數是另一個狀態(tài)參數的單值函數，這說明兩者間具有一種特殊 的同一關系，相互間不是獨立的。實際上氣體的狀態(tài)是不可能由這兩者來共同確定的，要確定氣體的狀態(tài)必須給出兩個 獨立參數，這是普遍的關系。 為什么工質的熱力學能、 焓、熵為零的基準可以任選？理想氣體的熱力學能或焓的參照狀態(tài)通常選定哪個或哪些個狀 態(tài)參數值？對理想氣體的熵又如何？ 答：由于熱工計算中通常只是需要知道工質的熱力學能、焓或熵的變化值

23、，因此無需追究他們的絕對值，只要選定參照 狀態(tài)作為基準，為之確定相對值就可以了。理想氣體通常取熱力學溫度為零(0 K)，或攝氏溫度為零時 (0 )的狀態(tài)作為基 準狀態(tài)，令此時的熱力學能和焓參數為零，以確定其它狀態(tài)下的相對值；氣體的熵參數通常取0K，0.1013MPa 為參照狀 態(tài)，令氣體在該狀態(tài)下的熵參數相對值為零。 .氣體熱力性質表中的 u、h 及 so 的基準是什么狀態(tài)？ 答：這時的基準狀態(tài)是熱力學溫度為零 (0 K)。 在圖 3-8 所示 T-s 圖上任意可逆過程 1-2 的熱量如何表示？理想氣體在 1 和 2 狀態(tài)間的熱力學能變化量、焓變化量如 何表示？若 1-2 經過的是不可逆過程又

24、如何？ 答：對于可逆過程 1-2，過程熱量可用過程曲線與橫軸 s 之間所夾的面積來表示； 由于理想氣體的熱力學能是溫度的單值函數，溫度相同時其熱力學能相同，圖附一中點3 與點 2 溫度相同，因此其熱力學能相同。又因可逆定容過程的熱量等于熱力學能增量，因此圖中所示 定容線 1-3下面帶陰影線部分的面積代表理想氣體過程 12 的熱力學能變化。 作圖方法：過點 1作定容過程線；過點 2 作定溫線與定容線交于點 3。定容過程 13的過程線與橫軸 s間所夾的面積即為 過程 12 的熱力學能變化。 3 與點 2 溫度相同，因此其焓相同。又因可 由于理想氣體的焓是溫度的單值函數，溫度相同時其焓相同，圖附二中

25、點 逆定壓過程的熱量等于焓增量，因此圖 中所示定壓線 1-3 下面帶陰影線部分的面積代表理想氣體過程 12 的焓變 化。 作圖方法：過點 1 作定壓過程線；過點 2 作定溫線與定壓線交于點 3。定 壓過程 13 的過程線與橫軸 s間所夾的面積即為過程 12 的焓變化。 若 1-2 過程為不可逆過程，則其熱量不能以過程曲線下面的面積來表示，原則上在 T-s 圖上表示不出來。不過由于熱 力學能和焓為狀態(tài)參數， 1、2 之間的熱力學能和焓的變化量不因過程 1-2的性質而改變，因此熱力學能和焓的變化表示 方法仍如前述。 理想氣體熵變計算式 （3-34a）、 （3-35a）、 （3-36a）、（3-37

26、a）等是由可逆過程導出的，這些計算式是否可用于不可逆過程初、 終態(tài)的熵變計算？為什么？ 答：可以。熵是狀態(tài)參數，只要初、終狀態(tài)相同，不論經歷何種過程工質的熵變應相同，因此以上4 式對理想氣體的任 何過程都適用。 熵的數學定義式為，比熱容的定義式為 ，故有 。由此認為：理想氣 體的比熱容是溫度的單值的函數，所以理想氣體的熵也是溫度的單值函數。試問這一結論是否正確？若不正確，錯在何 處？ 答：此結論不正確。 理想氣體的比熱容是與過程性質有關的一個物理量，對于不同性質的過程氣體有不同的比熱容，如定壓比熱容、定容比 熱容等，因此，正確地應該說一定的過程中理想氣體的比熱容是溫度的單值的函數?？梢姾唵蔚馗?/p>

27、據比熱容的定義推斷 出氣體的比熱容只是溫度的單值函數，從而熵參數也只是溫度的函數是不對的。 試判斷下列各說法是否正確： 氣體吸熱后熵一定增大； 氣體吸熱后溫度一定升高； 氣體吸熱后熱力學能一定升高； 氣體膨脹時一定對外作功； 氣體壓縮時一定耗功。 答：說法正確。由系統（ CMS = Sf + S，g 根據熵產原理，過程的熵產 Sg永遠為正值。而系統吸熱時其熱 熵流 Sf 亦為正值，故氣體吸熱后熵一定增大。 說法不正確。氣體的熱力學能僅為溫度的函數， 氣體溫度升高時其熱力學能一定增大。 由熱力學第一定律 Q =U + W， 即U = Q - W， U值為正或為負要由 Q 和 W 共同決定，系統吸

28、熱時 Q雖為正值，但若系統對外界所的作功（正值） 大于吸熱量時，其熱力學能的變化 U 值將有可能成為負值，這時氣體的溫度將降低 說法不正確。理由同。 說法不正確?？赡孢^程中氣體的過程功為 ?W = PdV，式中氣體的壓力為正值，氣體膨脹時 dV亦為正值，故 ?W 一定等 于正值氣體對外作功。但過程若不可逆，譬如氣體向真空作自由膨脹時因無需克服外力，其過程功當為零。 說法正確。氣體本身有壓力，令氣體壓縮，體積變小，外界必須克服氣體的壓力移動其邊界，因而無論過程可逆與否 都要外界對氣體作功。 道爾頓分壓定律和亞美格分體積定律是否適用于實際氣體混合物？ 答：不適用。所說的兩個定律都是根據理想氣體狀態(tài)

29、方程導出的，應而不適用于實際氣體混合物。 混合氣體中如果已知兩種組分 A 和 B 的摩爾分數 xA xB，能否斷定質量分數也是 wA wB？ 答：不能。由于質量分數（份額）與摩爾分數的關系為 M eqRgi xi wi wi iMi i Rgeq i 可見兩種組分的質量成分之比除與摩爾成分有關外，還與它們的摩爾質量（或氣體常數）的大小有關。 第 4 章 理想氣體的熱力過程 1. 分析氣體的熱力過程要解決哪些問題？用什么方法解決？試以理想氣體的定溫過程為例說明之。 答：分析氣體的熱力過程要解決的問題是：揭示過程中氣體的狀態(tài)（參數）變化規(guī)律和能量轉換的情況，進而找出影響 這種轉換的主要因素。 分析

30、氣體熱力過程的具體方法是：將氣體視同理想氣體；將具體過程視為可逆過程，并突出具體過程的主要特征，理想 化為某種簡單過程；利用熱力學基本原理、狀態(tài)方程、過程方程，以及熱力學狀態(tài)坐標圖進行分析和表示。 對于理想氣體的定溫過程 , （從略） 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： 答：因為理想氣體的熱力學能和焓為溫度的單值函數，只要溫度變化相同，不論經歷任何q過程p其1v熱1 l力n學vv12 能和焓的變化都 會相同，因此，所給第一組公式對理想氣體的任何過程都是適用的；但是第二組公式是分別由熱力學第一定律的第一和 第二表達式在可逆定容和定壓條件下導出，因而僅分別適用于可逆的定容

31、或定壓過程。就該組中的兩個公式的前一段而 言適用于任何工質，但對兩公式后一段所表達的關系而言則僅適用于理想氣體。 3. 在定容過程和定壓過程中，氣體的熱量可根據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對氣體加入熱量？如果加入的話應如何計算？ 答：在氣體定溫膨脹過程中實際上是需要加入熱量的。定溫過程中氣體的比熱容應為無限大，應而不能以比熱容和溫度 變化的乘積來求解，最基本的求解關系應是熱力學第一定律的基本表達式：q = u + w 。 4. 過程熱量 q 和過程功都是過程量，都和過程的途徑有關。由定溫過程熱量公式 可見，只要狀態(tài)參數 P1、v1和 v2確

32、定了， q的數值也確定了，是否 q 與途徑無關？ 答：否。所說的定溫過程熱量計算公式利用理想氣體狀態(tài)方程、氣體可逆過程的過程功dw=pdv，以及過程的定溫條件 獲得，因此僅適用于理想氣體的定溫過程。式中的狀態(tài) 1 和狀態(tài) 2，都是指定溫路徑上的狀態(tài)，并非任意狀態(tài)，這本身 就確定無疑地說明熱量是過程量，而非與過程路徑無關的狀態(tài)量。 5. 在閉口熱力系的定容過程中，外界對系統施以攪拌功 w，問這時Q = mcvdT是否成立？ 答：不成立。只是在內部可逆的單純加熱過程中（即無不可逆模式功存在時）才可以通過熱容與溫度變化的乘積來計算 熱量，或者原則地講，只是在在可逆過程中（不存在以非可逆功模式做功的時

33、候）才可以通過上述熱量計算公式計算熱 量。對工質施以攪拌功時是典型的不可逆過程。 6. 試說明絕熱過程的過程功 w 和技術功 wt 的計算式 w u1 u2;wt h1 h2 是否只限于理想氣體？是否只限于可逆絕熱過程？為什么？ q=u+w及第二表達式 q= h+wt 導出，與何種工質 答：以上兩式僅根據絕熱條件即可由熱力學第一定律的第一表達式 無關，與過程是否可逆無 p v n 關。 7. 試判斷下列各種說法是否正確： 量或 （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：膨脹功（壓縮功）都是容積（變化）功，定容過程是一種系統比體積

34、不變，對控制質 說系統容積不變的過程，因此說定容過程即無膨脹 （或壓縮 ）功的過程是正確的； 絕熱過程指的是系統不與外界交換熱量的過程。系統在過程中不與外界交換熱量，這僅表明過程中系統與外界間無伴 隨熱流的熵流存在，但若為不可逆過程，由于過程中存在熵產，則系統經歷該過程后會因有熵的產生而發(fā)生熵的額外增 加，實際上只是可逆的絕熱過程才是定熵過程，而不可逆的絕熱過程則為熵增大的過程，故此說法不正確； 多邊過程是指遵循方程 = 常數（n 為某一確定的實數）的那一類熱力過程，這種變化規(guī)律雖較具普遍性，但 并不包括 一切過程，因此說多 ucv （t2t1 ） 變過程即任意過程是不正確的。 h cp （t

35、2 t1） 8. 參照圖 4-15，試證 q u cv(t2 t1) 明：q1-2-3 q1-4-3 。圖中 1-2、4-3 為定容過程， 1-4、2-3 為定壓過程。 q h c p ( t 2 t1 ) 答：由于 w 1 2 3 w 1 2 w 2 3 ; w 1 4 3 w 1 4 w 4 3 其中 w1-2、w4-3 為定容過程功，等于零； w2-3、w1-4 為定壓過程功，等于 vP p2 p1; v2 3v1 4 故 另一方面， P-v 圖上過程曲線與橫軸 v 之間所夾的面積代表過程功，顯見 w1-2 = w4-3 = 0； w2-3 w4-3，即 w1 2 3 w1 4 3 w1

36、-2-3 w1-4-3）。 根據熱力學第一定律： q= u+w對熱力學狀態(tài)參數 u，應有u 1 2 3 u 1 4 3u 1 3 可見 q1 2 3 q1 4 3 9. 如圖 4-16 所示，今有兩個任意過程 a -b及 a -c，其中 b、c 在同一條絕熱線上。試問 Uab與Uac哪個大？若 b、c 在同一條定溫線上，結果又如何？ 答：由于 b、c 在同一條絕熱線上，過程 b-c為絕熱膨脹過程，由熱力學第一定律，有 wbcubc ub uc 過程中系統對外作膨脹功， Wbc 0，故有 Ub Uc因 此，應有uabu ac 若 b、c 在同一條定溫線上，根據理想氣體的熱力性質，則有 ub uc

37、; uabuac 10. 在 T-s圖上如何表示絕熱過程的技術功 Wt 和膨脹功 W？ 答：根據熱力學第一定律，絕熱過程的技術功 wt 和過程功 w 分別應等于過程的焓增量和熱力學能增量的負值，因此， 在 T-s圖上絕熱過程技術功 wt 和膨脹功 w的表示，實際上就是過程的焓增量和熱力學能增量的表示。 具體方法為： （見 第 3 章思考題 11） 11. 在 P-v 圖和 T-s圖上如何判斷過程中 q、 w、 u、 h 的正負？ 答：當過程曲線分別指向絕熱線、定容線、定溫線的右側時q、w、u、h 值為正；反之為負。 第5章 熱力學第二定律 1. 熱力學第二定律能否表達為： “機械能可以全部變?yōu)?/p>

38、熱能， 而熱能不可能全部變?yōu)闄C械能。 ”這種說法有什么不妥當？ 答：熱力學第二定律的正確表述應是：熱不可能全部變?yōu)楣Χ划a生其它影響。 所給說法中略去了“其它影響”的條件， 因而是不妥當、不正確的。 2. 自發(fā)過程是不可逆過程，非自發(fā)過程必為可逆過程，這一說法是否正確？ 答：此說法不正確。自發(fā)過程具有方向性，因而必定是不可逆的；非自發(fā)過程是在一定補充條件下發(fā)生和進行的過程， 雖然從理論上說來也許可以做到可逆，但事實上實際過程都不可逆，因為不可逆因素總是避免不了的。 3. 請給“不可逆過程”一個恰當的定義。熱力過程中有哪幾種不可逆因素？ 答：所謂不可逆過程是指那種系統完成逆向變化回復到原先狀態(tài)后，與其發(fā)生過相互作用的外界不能一一回復到原來狀 態(tài)，結果在外界遺留下了某種變化的過程。 簡單地講， 不可逆過程就是那種客觀上會造成某種不可恢復的變化的過程。 典型的不可逆因素有：機械摩擦、有限溫差下的傳熱、電阻、自發(fā)的化學反應、擴散、混合、物質從一相溶入另一相的 過程等。 4. 試證明熱力學第二定律各種說法的等效性：若克勞修斯說法不成立，則開爾文說法也不成立。 證：熱力學第二定律的克勞修斯表述是：熱不可能自發(fā)地、不付代價地從高溫物體傳至低溫物體 開爾文表述則為：不可能從單一熱源取熱使之全部變?yōu)楣Χ划a生其它影響。按照開爾文說法，遵循熱力學第二定律的 熱力發(fā)動機其原則