工程熱力學思考題答案整理完成版

1、2 .有人認為，開口系統(tǒng)中系統(tǒng)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?！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，過程一旦結束就無所謂“熱量”。物質并不“擁有”熱量。一個系統(tǒng)能否絕熱與其邊界是否對物質流開放無關。3 .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。4 .倘使容

2、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，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?！爱數卮髿鈮骸辈⒎蔷褪黔h(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”。 5.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

3、理之上。它利用了 “溫度是相互熱乎 衡的系統(tǒng)所具有的一種同一熱力性質”，這一性質就是“溫度”的概念。6 .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。7 .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

4、狀態(tài)，系統(tǒng)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(tǒng)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(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)；（作功或傳熱）系統(tǒng)的狀態(tài)才會發(fā)生圖1-16思考題8 附圖若系統(tǒng)原處于平衡狀態(tài)，則只有在外界的作用 變。8 .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

5、真空，中間是隔板。若突然抽去隔板，氣 體（系統(tǒng)）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(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

6、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。11.工質及氣缸、活塞組成的系統(tǒng)經循環(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，既然系統(tǒng)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1 .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。|JSl若將隔板抽去，分析容器中空氣的熱力學能如何變化？A熠B 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A、B兩部分氣體的比熱力學能如何變化？自由膨答：

7、定義容器內的氣體為系統(tǒng)，這是一個控制質量。勿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=AU +W,應有AU =0,即容器中氣體 的總熱力學能不變，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，則其溫度不變。 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、B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

8、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，B部分氣體的比熱力學能則會比原來升高，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（見習題4-22）。2 .熱力學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w、w；對于過程1-2并不存在過程熱量q=q2 -qi和過程功w=w2

9、-w1,因此 第二個公式也是不成立的。3.熱力學第一定律解析式有時寫成下列兩種形式： 分別討論上述兩式的適用范圍。答：第一個公式適用于不作宏觀運動的一切系統(tǒng)的所有過程；第二個表達式中由于將過 2程功表達成P Pdv ,僅適用于簡單可壓縮物質的可逆過程。4.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。5.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。

10、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。6.1. 口系實施穩(wěn)定流動過程，是否同時滿足下列三式：上述三式中w W和W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(tǒng)時的熱力學能變化， W是流體流過系統(tǒng)的過程 中對外所作的過程功；第二個公式中的 W指的是系統(tǒng)的技術功；第三個公式中的 W指的 是流體流過系統(tǒng)時在系統(tǒng)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

11、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。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

12、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。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始為溫度的單值函數，只要溫度變化相同，不論經歷任 何過程具熱力學能和始的變化都會相同，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

13、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 = A 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 q=PMln也，可見，只要狀態(tài)參數 口、丫1和丫2確定了，q的數值也確定了，是否q與途 Vl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，

14、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(tǒng)施以攪拌功6w,問這時6 Q= mGdT是否成答：不成立?？赡孢^程中(不存在以非可逆功模式做功的時候)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w的計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：以上兩式僅根據絕熱條件即可由熱力學第一定律的第一表達式q=Au+w及第二表達式q = ；h , Wt導出，與何種工

15、質無關，與過程是否可逆無關。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)絕熱過程即定嫡過程；(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嫡流存在，但若為不可逆過程，由于過程中 存在嫡產，則系統(tǒng)經歷該過程后會因有嫡的產生而發(fā)生嫡的額外增加，實際上只是可逆的絕熱過程才是定嫡過程，而不可逆的絕熱過程則為嫡增大的過程，故此說法不正確；多邊過程是指遵循方程Pvn=常數(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

16、變過程即任意過程是不正確 的。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)闊崮?，而熱能不可能全部變?yōu)闄C 械能?！边@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。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(tǒng)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

17、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。5 .下述說法是否有錯誤：循環(huán)凈功wet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， 1 =1 -T2。Ti答：說法不對。循環(huán)熱效率的基本定義為 ：嗎，循環(huán)的熱效率除與循環(huán)凈功有Qi關外，尚與循環(huán)吸熱量 Q的大小有關；說法不對。根據卡諾定理，只是在“ 工作于同樣溫度的高溫熱源和同樣溫度的低溫熱源間”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 結論就不正確；說法也不正確。根據卡諾定理也應當是在“ 工作于同樣溫度的高溫熱源和同樣溫丁2吸熱

18、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“所有可逆度的低溫熱源間”的條件下才能肯定所有可逆循環(huán)的熱效率都相等，*=1 工質的性質與關，與循環(huán)的種類無關。如果式中的溫度分別采用各自的放熱平均溫度和循環(huán)的熱效率都相等"，只能說所有可逆循環(huán)的熱效率表達方式相同。6 .循環(huán)熱效率公式q =q1二和7 =五二”是否完全相同？各適用于哪些場合？qiTi答：不完全相同。前者是循環(huán)熱效率的普遍表達，適用于任何循環(huán)；后者是卡諾循環(huán)熱 效率的表達，僅適用于卡諾循環(huán)，或同樣工作于溫度為Ti的高溫熱源和溫度為T2的低溫熱源間的一切可逆循環(huán)。7 .與大氣溫度相同的壓縮空氣可以膨脹作功，這一事實是否

19、違反了熱力學第二定律？ 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)，當壓縮空氣過渡到與大氣相平衡時，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：.嫡增大的過程必定為吸熱過程： 嫡減小的過程必為放熱過程；定嫡過程必為可逆絕熱過程。答：說法不對。系統(tǒng)的嫡變來源于嫡產和熱嫡流兩個部分，不可逆絕熱過程中工質并 未從外界吸熱，但由于存在嫡產工質的嫡也會因而增大；說法是對的。系統(tǒng)的嫡變來源于嫡產和熱嫡流兩個部分， 其中嫡產必定是正值，因 而僅當系統(tǒng)放熱，熱嫡流為負值時，系統(tǒng)的嫡值才可能減小；這種說法原則上是不對的。系統(tǒng)的嫡變來源于嫡產和熱嫡流兩個部分， 其中嫡產必 定是正值，對于不可逆的放熱過程，其熱嫡流為負值，當熱嫡流在絕對數值上恰好與嫡 產一樣時，過程將成為定嫡的。因此：可逆的絕熱過程為定嫡過程，而定嫡過程卻不一定是絕熱過程。9 .下述說法是否有錯誤：嫡增大的過程必為不可逆過程； 使系統(tǒng)嫡增大的過程必為不可逆過程； 不 可逆過程的嫡變S無法計算；如果從同一初始態(tài)到同一終態(tài)有兩條途徑，一為