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1、工程热力学思考题答案完成版有人以为，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。“绝热系指的是经过中与外界无热量交换的系统。热量是指经过中系统与外界间以热的方式交换的能量，是经过量，经过一旦结束就无所谓“热量。物质并不“拥有热量。一个系统能否绝热与其边界能否对物质流开放无关。平衡状态与稳定状态，平衡状态与均匀状态有何区别和联络?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。倘使容器中气体
2、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，当地大气压能否必定是环境大气压?答：可能会的。由于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，因而，即便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。准确地讲，计算式中的Pb应是“当地环境介质的压力，而不是随意任何其它意义上的“大气压力，或被视为不变的“环境大气压力。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
3、互相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。经历温标的缺点是什么?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历温标。由于经历温标依靠于测温物质的性质，中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，因此任何一种经历温标都不能作为度量温度的标准。这便是经历温标的根本缺点。促使系统状态变化的原因是什么?举例讲明。答：分两种不同情况：若系统本来不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势
4、差的作用下，各个部分发生互相作用，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讲来，由于水和铁块之间存在着温度差异，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：铁块的温度逐步降低，水的温度逐步升高，最终系统从热不平衡的状态过渡到一种新的热平衡状态；若系统原处于平衡状态，则只要在外界的作用下作功或传热系统的状态才会发生变。图1-16a、b所示容器为刚性容器：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。若忽然抽去隔板，气体(系统)能否作功？设真空部分装有很多隔板，每抽去一块隔板让气
5、体先恢复平衡再抽去一块，问气体(系统)能否作功？上述两种情况从初态变化到终态，其经过能否都可在P-v图上表示？答：；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；b情况下系统也与外界无力的作用，因而系统不对外界作功；a中所示的情况为气体向真空膨胀(自由膨胀)的经过，是典型的不可逆经过。经过中气体不可能处于平衡状态，因而该经过不能在P-v图上示出；b中的情况与a有所不同，若隔板数量足够多，每当抽去一块隔板时，气体只作极微小的膨胀，因此可以为经过中气体始终处在一种无限接近平衡的状态中，即气体经历的是一种准静经过，这种经过能够在P-v图上用实线表示出来。工质及气缸、活塞组成的系
6、统经循环后，系统输出的功中能否要减去活塞排挤大气功才是有用功？答：不需要。由于活塞也包含在系统内，既然系统完成的是循环经过，从总的结果看来活塞并未改变其位置，实际上不存在排挤大气的作用。第2章热力学第一定律刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-11所示。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能怎样变化？若隔板上有一小孔，气体泄漏人B中，分析A、B两部分压力一样时A、B两部分气体的比热力学能怎样变化？答:定义容器内的气体为系统，这是一个控制质量。由于气体向真空作无阻自由膨胀，不对外界作功，经过功0=W；容器又是绝热的，经过的热量0=Q，因而，根据热力学第一定律W
7、UQ+?=，应有0=?U，即容器中气体的总热力学能不变，膨胀后当气体重新回复到热力学平衡状态时，其比热力学能亦与原来一样，没有变化；若为理想气体，则其温度不变。当隔板上有一小孔，气体从A泄漏人B中，若隔板为良好导热体，A、B两部分气体时刻应有一样的温度，当A、B两部分气体压力一样时，A、B两部分气体处于热力学平衡状态，情况像上述作自由膨胀时一样，两部分气体将有一样的比热力学能，按其容积比分配气体的总热力学能；若隔板为绝热体，则经过为A对B的充气经过，由于A部分气体需对进入B的那一部分气体作推进功，充气的结果其比热力学能将比原来减少，B部分气体的比热力学能则会比原来升高，最终两部分气体的压力会到
8、达平衡，但A部分气体的温度将比B部分的低见习题4-22。热力学第一定律的能量方程式能否可写成的形式，为什么？答：热力学第一定律的基本表达式是：经过热量=工质的热力学能变化+经过功第一个公式中的Pv并非经过功的正确表达，因而该式是不成立的；热量和功经过功都是经过的函数，并非状态的函数，对应于状态1和2并不存在什么q1、q2和w1、w2；对于经过1-2并不存在经过热量12qqq-=和经过功12www-=，因而第二个公式也是不成立的。.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：分别讨论上述两式的适用范围。答：第一个公式适用于不作宏观运动的一切系统的所有经过；第二个表达式中由于将经过功表达成?21dv
9、P，仅适用于简单可压缩物质的可逆经过。为什么推动功出如今开口系能量方程式中，而不出如今闭口系能量方程式中？答：反之，闭口系统由于不存在流体的宏观流动现象，不存在上游流体推挤下游流体的作用，也就没有系统与外间的推动功作用，所以在闭口系统的能量方程式中不会出现推动功项。.稳定流动能量方程式2-16能否可应用于活塞式压气机这种机械的稳定工况运行的能量分析？为什么？答：能够。就活塞式压气机这种机械的一个工作周期而言，其工作经过虽是不连续的，但就一段足够长的时间而言机器的每一工作周期所占的时间相对很短，机器是在不断地进气和排气，因而，对于这种机器的稳定工作情况，稳态稳流的能量方程是适用的。.开口系施行稳
10、定流动经过，能否同时知足下列三式：上述三式中W、Wt和Wi的互相关系是什么?答：是的，同时知足该三个公式。第一个公式中dU指的是流体流过系统时的热力学能变化，?W是流体流过系统的经过中对外所作的经过功；第二个公式中的?Wt指的是系统的技术功；第三个公式中的?Wi指的是流体流过系统时在系统内部对机器所作的内部功。对通常的热工装置讲来，所谓“内部功与机器轴功的区别在于前者不考虑机器的各种机械摩擦，当为可逆机器设备时，两者是相等的。从根本上讲来，技术功、内部功均来源于经过功。经过功是技术功与流动功推出功与推进功之差的总和；而内部功则是从技术功中扣除了流体流动动能和重力位能的增量之后所剩余的部分。第4
11、章理想气体的热力经过1.分析气体的热力经过要解决哪些问题？用什么方法解决？试以理想气体的定温经过为例讲明之。答：分析气体的热力经过要解决的问题是：揭示经过中气体的状态参数变化规律和能量转换的情况，进而找出影响这种转换的主要因素。分析气体热力经过的详细方法是：将气体视同理想气体；将详细经过视为可逆经过，并突出详细经过的主要特征，理想化为某种简单经过；利用热力学基本原理、状态方程、经过方程，以及热力学状态坐标图进行分析和表示。2.对于理想气体的任何一种经过,下列两组公式能否都适用：答：由于理想气体的热力学能和焓为温度的单值函数，只要温度变化一样，不管经历任何经过其热力学能和焓的变化都会一样，因而，
12、所给第一组公式对理想气体的任何经过都是适用的；但是第二组公式是分别由热力学第一定律的第一和第二表达式在可逆定容和定压条件下导出，因此仅分别适用于可逆的定容或定压经过。就该组中的两个公式的前一段而言适用于任何工质，但对两公式后一段所表达的关系而言则仅适用于理想气体。3.在定容经过和定压经过中，气体的热量可根据经过中气体的比热容乘以温差来计算。定温经过气体的温度不变，在定温膨胀经过中能否需对气体参加热量？假如参加的话应怎样计算？答：在气体定温膨胀经过中实际上是需要参加热量的。定温经过中气体的比热容应为无限大，应而不能以比热容和温度变化的乘积来求解，最基本的求解关系应是热力学第一定律的基本表达式：q
13、=u+w。4.经过热量q和经过功都是经过量，都和经过的途径有关。由定温经过热量公式1211lnvvvPq=，可见，只要状态参数P1、v1和v2确定了，q的数值也确定了，能否q与途径无关？答：否。所讲的定温经过热量计算公式利用理想气体状态方程、气体可逆经过的经过功vPwdd=，以及经过的定温条件获得，因而仅适用于理想气体的定温经过。式中的状态1和状态2，都是指定温途径上的状态，并非任意状态，这本身就确定无疑地讲明热量是经过量，而非与经过途径无关的状态量。5.在闭口热力系的定容经过中，外界对系统施以搅拌功w，问这时Q=mcvdT能否成立？答：不成立。可逆经过中不存在以非可逆功形式做功的时候才能够通
14、过上述热量计算公式计算热量。对工质施以搅拌功时是典型的不可逆经过。6.试讲明绝热经过的经过功w和技术功wt的计算式能否只限于理想气体？能否只限于可逆绝热经过？为什么？答：以上两式仅根据绝热条件即可由热力学第一定律的第一表达式wuq+?=及第二表达式twhq+?=导出，与何种工质无关，与经过能否可逆无关。7.试判定下列各种讲法能否正确：(1)定容经过即无膨胀(或压缩)功的经过；(2)绝热经过即定熵经过；(3)多变经过即任意经过。答：正确的；绝热经过指的是系统不与外界交换热量的经过。系统在经过中不与外界交换热量，这仅表明经过中系统与外界间无伴随热流的熵流存在，但若为不可逆经过，由于经过中存在熵产，
15、则系统经历该经过后会因有熵的产生而发生熵的额外增加，实际上只是可逆的绝热经过才是定熵经过，而不可逆的绝热经过则为熵增大的经过，故此讲法不正确；多边经过是指遵循方程Pvn=常数n为某一确定的实数的那一类热力经过，这种变化规律虽较具普遍性，但并不包括一切经过，因而讲多变经过即任意经过是不正确的。第5章热力学第二定律1.热力学第二定律能否表达为：“机械能能够全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能。这种讲法有什么不妥当？答：热力学第二定律的正确表述应是：热不可能全部变为功而不产生其它影响。所给讲法中略去了“其它影响的条件，因此是不妥当、不正确的。3.请给“不可逆经过一个恰当的定义。热力经过中有哪几种
16、不可逆因素？答：所谓不可逆经过是指那种系统完成逆向变化回复到原先状态后，与其发生过互相作用的外界不能逐一回复到原来状态，结果在外界遗留下了某种变化的经过。简单地讲，不可逆经过就是那种客观上会造成某种不可恢复的变化的经过。典型的不可逆因素有：机械摩擦、有限温差下的传热、电阻、自发的化学反响、扩散、混合、物质从一相溶入另一相的经过等。5.下述讲法能否有错误：循环净功Wnet愈大则循环热效率愈高；不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率；可逆循环的热效率都相等，12t1TT-=。答：讲法不对。循环热效率的基本定义为：1nettQW=，循环的热效率除与循环净功有关外，尚与循环吸热量Q1的大小有关；讲
17、法不对。根据卡诺定理，只是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间的条件下才能肯定不可逆循环的热效率一定小于可逆循环，离开了这一条件结论就不正确；讲法也不正确。根据卡诺定理也应当是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间的条件下才能肯定所有可逆循环的热效率都相等，12t1TT-=，而且与工质的性质与关，与循环的种类无关。假如式中的温度分别采用各自的放热平均温度和吸热平均温度则公式就是正确的，即12t1TT-=，不过这种情况下也不能讲是“所有可逆循环的热效率都相等，只能讲所有可逆循环的热效率表达方式一样。6.循环热效率公式121tqqq-=和121tTTT-=能否完全一样？各
18、适用于哪些场合？答：不完全一样。前者是循环热效率的普遍表达，适用于任何循环；后者是卡诺循环热效率的表达，仅适用于卡诺循环，或同样工作于温度为T1的高温热源和温度为T2的低温热源间的一切可逆循环。7.与大气温度一样的压缩空气能够膨胀作功，这一事实能否违背了热力学第二定律？答：不矛盾。压缩空气固然与大气有一样温度，但压力较高，与大气不处于互相平衡的状态，当压缩空气过渡到与大气相平衡时，经过中利用系统的作功能力能够作功，这种作功并非依靠冷却单一热源，而是依靠压缩空气的状态变化。况且，作功经过中压缩空气的状态并不依循环经过变化。8.下述讲法能否正确:.熵增大的经过必定为吸热经过：熵减小的经过必为放热经
19、过；定熵经过必为可逆绝热经过。答：讲法不对。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，不可逆绝热经过中工质并未从外界吸热，但由于存在熵产工质的熵也会因此增大；讲法是对的。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，其中熵产必定是正值，因此仅当系统放热，热熵流为负值时，系统的熵值才可能减小；这种讲法原则上是不对的。系统的熵变来源于熵产和热熵流两个部分，其中熵产必定是正值，对于不可逆的放热经过，其热熵流为负值，当热熵流在绝对数值上恰好与熵产一样时，经过将成为定熵的。因而：可逆的绝热经过为定熵经过，而定熵经过却不一定是绝热经过。9.下述讲法能否有错误：熵增大的经过必为不可逆经过；使系统熵增大的经过必为不可逆经过；不可逆经过的熵变?S无法计算；假如从同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，则