工程熱力學(xué)思考題答案解析整理完成版

1、 有人認(rèn)為，開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開口系不可能是絕熱系。這種觀點(diǎn)對不對，為什么?答：不對?！敖^熱系”指的是過程中與外界無熱量交換的系統(tǒng)。熱量是指過程中系統(tǒng)與外界間以熱的方式交換的能量，是過程量，過程一旦結(jié)束就無所謂“熱量”。物質(zhì)并不“擁有”熱量。一個(gè)系統(tǒng)能否絕熱與其邊界是否對物質(zhì)流開放無關(guān)。平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)，平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系?答：“平衡狀態(tài)”與“穩(wěn)定狀態(tài)”的概念均指系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，這是它們的共同點(diǎn)；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

2、，試問安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)會改變嗎？在絕對壓力計(jì)算公式中，當(dāng)?shù)卮髿鈮菏欠癖囟ㄊ黔h(huán)境大氣壓?答：可能會的。因?yàn)閴毫Ρ砩系淖x數(shù)為表壓力，是工質(zhì)真實(shí)壓力與環(huán)境介質(zhì)壓力之差。環(huán)境介質(zhì)壓力，譬如大氣壓力，是地面以上空氣柱的重量所造成的，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(zhì)的絕對壓力不變，表壓力和真空度仍有可能變化?！爱?dāng)?shù)卮髿鈮骸辈⒎蔷褪黔h(huán)境大氣壓。準(zhǔn)確地說，計(jì)算式中的Pb 應(yīng)是“當(dāng)?shù)丨h(huán)境介質(zhì)”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(jì)測溫的基本原理是什么?答：溫度計(jì)對溫度的測量建立在熱力學(xué)第零定律原理之上。它利用了“溫度是相互

3、熱平衡的系統(tǒng)所具有的一種同一熱力性質(zhì)”，這一性質(zhì)就是“溫度”的概念。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)是什么?為什么?答：由選定的任意一種測溫物質(zhì)的某種物理性質(zhì)，采用任意一種溫度標(biāo)定規(guī)則所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。由于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)依賴于測溫物質(zhì)的性質(zhì)，當(dāng)選用不同測溫物質(zhì)制作溫度計(jì)、采用不同的物理性質(zhì)作為溫度的標(biāo)志來測量溫度時(shí)，除選定的基準(zhǔn)點(diǎn)外，在其它溫度上，不同的溫度計(jì)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(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)都不能作為度量溫度的標(biāo)準(zhǔn)。這便是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的根本缺點(diǎn)。促使系統(tǒng)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(tǒng)原本不處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)各部分間存在著不平衡勢差，則在不

4、平衡勢差的作用下，各個(gè)部分發(fā)生相互作用，系統(tǒng)的狀態(tài)將發(fā)生變化。例如，將一塊燒熱了的鐵扔進(jìn)一盆水中，對于水和該鐵塊構(gòu)成的系統(tǒng)說來，由于水和鐵塊之間存在著溫度差別，起初系統(tǒng)處于熱不平衡的狀態(tài)。這種情況下，無需外界給予系統(tǒng)任何作用，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的狀態(tài)才會發(fā)生變。(a)(b)圖1-16 思考題8附圖圖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(tǒng))是否

5、作功？設(shè)真空部分裝有許多隔板，每抽去一塊隔板讓氣體先恢復(fù)平衡再抽去一塊，問氣體(系統(tǒng))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，氣體與外界間無任何力的作用，氣體（系統(tǒng)）不對外界作功； b情況下系統(tǒng)也與外界無力的作用，因此系統(tǒng)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(shù)量足夠多，每當(dāng)抽去一塊隔板時(shí)，氣體只作極微小的膨脹，因而可認(rèn)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(jīng)歷的是一種準(zhǔn)靜過程，這種過程

6、可以在P-v圖上用實(shí)線表示出來。工質(zhì)及氣缸、活塞組成的系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)后，系統(tǒng)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。由于活塞也包含在系統(tǒng)內(nèi)，既然系統(tǒng)完成的是循環(huán)過程，從總的結(jié)果看來活塞并未改變其位置，實(shí)際上不存在排斥大氣的作用。第2章 熱力學(xué)第一定律B隔板A自由膨脹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2-11所示。若將隔板抽去，分析容器中空氣的熱力學(xué)能如何變化？若隔板上有一小孔，氣體泄漏人B中，分析A、B兩部分壓力相同時(shí)A、B兩部分氣體的比熱力學(xué)能如何變化？答: 定義容器內(nèi)的氣體為系統(tǒng)，這是一個(gè)控制質(zhì)量。由于氣體向真空作無阻自由膨脹，不對外界作功

7、，過程功；容器又是絕熱的，過程的熱量，因此，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，應(yīng)有，即容器中氣體的總熱力學(xué)能不變，膨脹后當(dāng)氣體重新回復(fù)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，其比熱力學(xué)能亦與原來一樣，沒有變化；若為理想氣體，則其溫度不變。 當(dāng)隔板上有一小孔，氣體從A泄漏人B中，若隔板為良好導(dǎo)熱體，A、B兩部分氣體時(shí)刻應(yīng)有相同的溫度，當(dāng)A、B兩部分氣體壓力相同時(shí)，A、B兩部分氣體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，情況像上述作自由膨脹時(shí)一樣，兩部分氣體將有相同的比熱力學(xué)能，按其容積比分配氣體的總熱力學(xué)能；若隔板為絕熱體，則過程為A對B的充氣過程，由于A部分氣體需對進(jìn)入B的那一部分氣體作推進(jìn)功，充氣的結(jié)果其比熱力學(xué)能將比原來減少，B部分氣體的比熱

8、力學(xué)能則會比原來升高，最終兩部分氣體的壓力會達(dá)到平衡，但A部分氣體的溫度將比B部分的低（見習(xí)題4-22）。熱力學(xué)第一定律的能量方程式是否可寫成的形式，為什么？答：熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)式是：過程熱量 = 工質(zhì)的熱力學(xué)能變化 + 過程功第一個(gè)公式中的Pv并非過程功的正確表達(dá)，因此該式是不成立的；熱量和功過程功都是過程的函數(shù)，并非狀態(tài)的函數(shù)，對應(yīng)于狀態(tài)1和2并不存在什么q1、q2和w1、w2；對于過程1-2并不存在過程熱量和過程功，因此第二個(gè)公式也是不成立的。.熱力學(xué)第一定律解析式有時(shí)寫成下列兩種形式：分別討論上述兩式的適用范圍。答：第一個(gè)公式適用于不作宏觀運(yùn)動的一切系統(tǒng)的所有過程；第二個(gè)表達(dá)式

9、中由于將過程功表達(dá)成，僅適用于簡單可壓縮物質(zhì)的可逆過程。為什么推動功出現(xiàn)在開口系能量方程式中，而不出現(xiàn)在閉口系能量方程式中？答：反之，閉口系統(tǒng)由于不存在流體的宏觀流動現(xiàn)象，不存在上游流體推擠下游流體的作用，也就沒有系統(tǒng)與外間的推動功作用，所以在閉口系統(tǒng)的能量方程式中不會出現(xiàn)推動功項(xiàng)。.穩(wěn)定流動能量方程式（2-16）是否可應(yīng)用于活塞式壓氣機(jī)這種機(jī)械的穩(wěn)定工況運(yùn)行的能量分析？為什么？答：可以。就活塞式壓氣機(jī)這種機(jī)械的一個(gè)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(shí)間而言（機(jī)器的每一工作周期所占的時(shí)間相對很短），機(jī)器是在不斷地進(jìn)氣和排氣，因此，對于這種機(jī)器的穩(wěn)定工作情況，穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的能量方

10、程是適用的。.開口系實(shí)施穩(wěn)定流動過程，是否同時(shí)滿足下列三式：上述三式中W、Wt和Wi的相互關(guān)系是什么?答：是的，同時(shí)滿足該三個(gè)公式。第一個(gè)公式中dU指的是流體流過系統(tǒng)時(shí)的熱力學(xué)能變化，dW是流體流過系統(tǒng)的過程中對外所作的過程功；第二個(gè)公式中的dWt指的是系統(tǒng)的技術(shù)功；第三個(gè)公式中的dWi指的是流體流過系統(tǒng)時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部對機(jī)器所作的內(nèi)部功。對通常的熱工裝置說來，所謂“內(nèi)部功”與機(jī)器軸功的區(qū)別在于前者不考慮機(jī)器的各種機(jī)械摩擦，當(dāng)為可逆機(jī)器設(shè)備時(shí)，兩者是相等的。從根本上說來，技術(shù)功、內(nèi)部功均來源于過程功。過程功是技術(shù)功與流動功（推出功與推進(jìn)功之差）的總和；而內(nèi)部功則是從技術(shù)功中扣除了流體流動動能和重力

11、位能的增量之后所剩余的部分。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(shù)）變化規(guī)律和能量轉(zhuǎn)換的情況，進(jìn)而找出影響這種轉(zhuǎn)換的主要因素。分析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(xué)基本原理、狀態(tài)方程、過程方程，以及熱力學(xué)狀態(tài)坐標(biāo)圖進(jìn)行分析和表示。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?yàn)槔硐霘怏w的熱力學(xué)能和焓為溫度的單值函數(shù)，只要溫度變化相同，不論經(jīng)歷任

12、何過程其熱力學(xué)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(xué)第一定律的第一和第二表達(dá)式在可逆定容和定壓條件下導(dǎo)出，因而僅分別適用于可逆的定容或定壓過程。就該組中的兩個(gè)公式的前一段而言適用于任何工質(zhì)，但對兩公式后一段所表達(dá)的關(guān)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(jù)過程中氣體的比熱容乘以溫差來計(jì)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(yīng)如何計(jì)算？答：在氣體定溫膨脹過程中實(shí)際上是需要加入熱量的。定溫過程中氣體的比熱容應(yīng)為無限大，應(yīng)而不能以比熱容和溫度變化的乘積來求解，最基本

13、的求解關(guān)系應(yīng)是熱力學(xué)第一定律的基本表達(dá)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(guān)。由定溫過程熱量公式，可見，只要狀態(tài)參數(shù)P1、v1和v2確定了，q的數(shù)值也確定了，是否q與途徑無關(guān)？答：否。所說的定溫過程熱量計(jì)算公式利用理想氣體狀態(tài)方程、氣體可逆過程的過程功，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(guān)的狀態(tài)量。5. 在閉口熱力系的定容過程中，外界對系統(tǒng)施以攪拌功w，問這時(shí)Q = mcvdT是否成立？答：不成立?？赡孢^程中（不存在以非

14、可逆功模式做功的時(shí)候）才可以通過上述熱量計(jì)算公式計(jì)算熱量。對工質(zhì)施以攪拌功時(shí)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(shù)功wt的計(jì)算式是否只限于理想氣體？是否只限于可逆絕熱過程？為什么？答：以上兩式僅根據(jù)絕熱條件即可由熱力學(xué)第一定律的第一表達(dá)式及第二表達(dá)式導(dǎo)出，與何種工質(zhì)無關(guān)，與過程是否可逆無關(guān)。7. 試判斷下列各種說法是否正確：(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：正確的；絕熱過程指的是系統(tǒng)不與外界交換熱量的過程。系統(tǒng)在過程中不與外界交換熱量，這僅表明過程中系統(tǒng)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

15、在熵產(chǎn)，則系統(tǒng)經(jīng)歷該過程后會因有熵的產(chǎn)生而發(fā)生熵的額外增加，實(shí)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Pvn = 常數(shù)（n為某一確定的實(shí)數(shù)）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，因此說多變過程即任意過程是不正確的。第5章 熱力學(xué)第二定律1. 熱力學(xué)第二定律能否表達(dá)為：“機(jī)械能可以全部變?yōu)闊崮埽鵁崮懿豢赡苋孔優(yōu)闄C(jī)械能?！边@種說法有什么不妥當(dāng)？答：熱力學(xué)第二定律的正確表述應(yīng)是：熱不可能全部變?yōu)楣Χ划a(chǎn)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(dāng)、不正確的。3. 請給“不可逆過程”一個(gè)恰

16、當(dāng)?shù)亩x。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(tǒng)完成逆向變化回復(fù)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(fù)到原來狀態(tài)，結(jié)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(fù)的變化的過程。典型的不可逆因素有：機(jī)械摩擦、有限溫差下的傳熱、電阻、自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散、混合、物質(zhì)從一相溶入另一相的過程等。5. 下述說法是否有錯(cuò)誤： 循環(huán)凈功Wnet愈大則循環(huán)熱效率愈高； 不可逆循環(huán)的熱效率一定小于可逆循環(huán)的熱效率； 可逆循環(huán)的熱效率都相等，。 答：說法不對。循環(huán)熱效率的基本定義為：，循環(huán)的熱效率除與循環(huán)凈功有關(guān)外，尚與循環(huán)吸熱量Q1的大小有

17、關(guān)；說法不對。根據(jù)卡諾定理，只是在“工作于同樣溫度的高溫?zé)嵩春屯瑯訙囟鹊牡蜏責(zé)嵩撮g”的條件下才能肯定不可逆循環(huán)的熱效率一定小于可逆循環(huán)，離開了這一條件結(jié)論就不正確；說法也不正確。根據(jù)卡諾定理也應(yīng)當(dāng)是在“工作于同樣溫度的高溫?zé)嵩春屯瑯訙囟鹊牡蜏責(zé)嵩撮g”的條件下才能肯定所有可逆循環(huán)的熱效率都相等，而且與工質(zhì)的性質(zhì)與關(guān)，與循環(huán)的種類無關(guān)。如果式中的溫度分別采用各自的放熱平均溫度和吸熱平均溫度則公式就是正確的，即，不過這種情況下也不能說是“所有可逆循環(huán)的熱效率都相等”，只能說所有可逆循環(huán)的熱效率表達(dá)方式相同。6. 循環(huán)熱效率公式和是否完全相同？各適用于哪些場合？答：不完全相同。前者是循環(huán)熱效率的普遍表

18、達(dá)，適用于任何循環(huán)；后者是卡諾循環(huán)熱效率的表達(dá)，僅適用于卡諾循環(huán)，或同樣工作于溫度為T1的高溫?zé)嵩春蜏囟葹門2的低溫?zé)嵩撮g的一切可逆循環(huán)。7. 與大氣溫度相同的壓縮空氣可以膨脹作功，這一事實(shí)是否違反了熱力學(xué)第二定律？答：不矛盾。壓縮空氣雖然與大氣有相同溫度，但壓力較高，與大氣不處于相互平衡的狀態(tài)，當(dāng)壓縮空氣過渡到與大氣相平衡時(shí)，過程中利用系統(tǒng)的作功能力可以作功，這種作功并非依靠冷卻單一熱源，而是依靠壓縮空氣的狀態(tài)變化。況且，作功過程中壓縮空氣的狀態(tài)并不依循環(huán)過程變化。8. 下述說法是否正確:. 熵增大的過程必定為吸熱過程： 熵減小的過程必為放熱過程； 定熵過程必為可逆絕熱過程。答：說法不對。系統(tǒng)的熵變來源于熵產(chǎn)和熱熵流兩個(gè)部分，不可逆絕熱過程中工質(zhì)并未從外界吸熱，但由于存在熵產(chǎn)工質(zhì)的熵也會因而增大；說法是對的。系統(tǒng)的熵變來源于熵產(chǎn)和熱熵流兩個(gè)部分，其中熵產(chǎn)必定是正值，因而僅當(dāng)系統(tǒng)放熱，熱熵流為負(fù)值時(shí)，系統(tǒng)的熵值才可能減?。贿@種說法原則上是不對的。系統(tǒng)的熵變來源于熵產(chǎn)和熱熵流兩個(gè)部分，其中熵產(chǎn)必定是正值，對于不可逆的放熱過程，其熱熵流為負(fù)值，當(dāng)熱熵流在絕對數(shù)值上恰好與熵產(chǎn)一樣時(shí)，過程