工程热力学思考题及答案

工程热力学思考题及答案第一章基本概念1.闭口系与外界无物质交换，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？答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。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，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？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的交换就是绝热系。3.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：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，这是它们的本质区别。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.假如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=pb+pe(ppb)，pv=pb−p(pbp)中，当地大气压是否必定是环境大气压？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.温度计测温的基本原理是什么？答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。6.经验温标的缺点是什么？为什么？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.促使系统状态变化的原因是什么？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。8.(1)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）是否做功？(2)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）是否做功？(3)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：（1）第一种情况不作功；（2）第二种情况作功；（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.经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态？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.系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化？若上述正向及逆向循环环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？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.工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？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。第二章热力学第一定律1.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。若将隔板抽去，分析容器中空气的热力学能如何变化？若隔板上有一小孔，气体泄漏入B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体的热力学能如何变化？答：将隔板抽去，根据热力学第一定律wuq其中0,0wq所以容器中空气的热力学能不变。若有一小孔，以B为热力系进行分析iffcvWmgzchmgzchdEQ112112222222只有流体的流入没有流出，0,0iWQ，忽略动能、势能111111mhUmhdUmhdECVB部分气体的热力学能增量为U，A部分气体的热力学能减少量为U2.热力学第一定律能量方程式是否可以写成下列两种形式：121212wwuuqq、q=Δu+pv的形式，为什么？答:热力学第一定律能量方程式不可以写成题中所述的形式。对于pvuq只有在特殊情况下，功w可以写成pv。热力学第一定律是一个针对任何情况的定律，不具有w=pv这样一个必需条件。对于公式121212wwuuqq，功和热量不是状态参数所以不能写成该式的形式。3.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：q=Δu+w21pdVuq分别讨论上述两式的适用范围.答：wuq适用于任何过程，任何工质21pdVuq可逆过程，任何工质4.为什么流动功出现在开口系能量方程式中，而不出现在闭口系能量方程式中？答：流动功是由流进（出）系统的工质传递而由工质后面的物质系统作出的。对于闭口系统，不存在工质的流进（出）所以不存在这样进行传递的功。5.稳定流动能量方程式是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：可以。稳定流动能量方程式可应用于任何稳定流动过程，对于连续工作的周期性动作的能量转换装置，只要在平均单位时间所作的轴功、吸热量以及工质的平均流量为常量，虽然它内部工质的状态及流动情况是变化的，但这种周期性的变化规律不随时间而变，所以仍然可以利用稳定流动能量方程式分析其能量转换关系。第三章热力学第二定律1．热力学第二定律能否表达为：“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能。”这种说法有什么不妥当?答：不能这样表述。表述不正确，对于可逆的定温过程，所吸收的热量可以全部转化为机械能，但是自身状态发生了变化。所以这种表述不正确。2．自发过程是不可逆过程，非自发过程必为可逆过程，这一说法是否正确？答：不正确。自发过程是不可逆过程是正确的。非自发过程却不一定为可逆过程。3．请给“不可逆过程”一个恰当的定义。热力过程中有哪几种不可逆因素？答：一切非准静态过程都是不可逆过程。不可逆因素有：摩擦、不等温传热和不等压做功。4．试证明热力学第二定律各种说法的等效性：若克劳修斯说法不成立，则开尔文说也不成立。答：热力学第二定律的两种说法反映的是同一客观规律——自然过程的方向性是一致的，只要一种表述可能，则另一种也可能。假设热量Q2能够从温度T2的低温热源自动传给温度为T1的高温热源。现有一循环热机在两热源间工作，并且它放给低温热源的热量恰好等于Q2。整个系统在完成一个循环时，所产生的唯一效果是热机从单一热源（T1）取得热量Q1-Q2，并全部转变为对外输出的功W。低温热源的自动传热Q2给高温热源，又从热机处接受Q2，故并未受任何影响。这就成了第二类永动机。违反了克劳修斯说法，必须违反了开尔文说法。反之，承认了开尔文说法，克劳修斯说法也就必然成立。5．（1）循环净功Wnet愈大则循环效率愈高；（×）（2）不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率；（×）（3）可逆循环的热效率都相等；（×）6．循环热效率公式121qqqt121TTTt是否完全相同？各适用于哪些场合？答：这两个公式不相同。121qqqt适用于任何工质，任何循环。121TTTt适用于任何工质，卡诺循环7．与大气温度相同的压缩空气可以膨胀做功，此事实是否违反了热力学第二定律？答：不违反热力学第二定律，对于理想气体的定温过程，从单一热源吸热并膨胀做功，工质的状态发生了变化，所以不违反热力学第二定律。8．下列说法是否正确：（1）熵增大的过程必定为吸热过程（×）；（2）熵减小的过程必为放热过程（×）；（3）定熵过程必为逆绝热过程（×）。9．下列说法是否有错误：（1）熵增大的过程必为不可逆过程（×）（2）使系统熵增大的过程必为不可逆过程（×）（3）熵产sg0的过程必为不可逆过程（√）（4）不可逆过程的熵变Δs无法计算（×）（5）如果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，则可逆不可逆SS，可逆不可逆,,ffSS，可逆不可逆,,ggSS是否正确？答：可逆不可逆SS、可逆不可逆,,ffSS、可逆不可逆,,ggSS（6）不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵，S2S1，不可逆绝热压缩的终态熵小于初态熵S2S1?答：不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵S2S1不可逆绝热压缩的终态熵也大于初态熵S2S1。（7）工质经过不可逆循环有0,0rTqds？答：工质经过不可逆循环有0,0rTqds10．从点a开始有两个可逆过程：定容过程a-b和定压过程a-c，b、c两点在同一条绝热线上，问qab和qac哪个大？并在T-s上表示过程a-b、a-c及qab、qac答：由图可知cabaqqbaq为1-a-b-2-1的面积；caq为1-a-c-2-1的面积11．某种理想气体由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程将气体压缩到相同的终压，在p-v图和T-s图上画出两过程，并在T-s图上画出两过程的技术功及不可逆过程的用损失。答：由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程到相同终压如图所示。21,1''212)()(,0pppttqTTcTTchhwqwhq所以绝热过程由图可知，可逆绝热压缩过程的技术功为面积1-2T-j-m-1，不可逆绝热压缩过程的技术功为面积1-2’T-f-m-1,不可逆过程的用损失为面积1-g-n-m-112．对于一个孤立系统，其内部若进行了可逆过程则孤立系统的总能不变，总熵不变总火用也不变？答：若系统内进行的是不可逆过程则系统的总能不变，总熵增加，总火用减小。第四章理想气体的性质1.怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算是如何决定是否可采用理想气体的一些公式？答：理想气体：分子为不占体积的弹性质点，除碰撞外分子间无作用力。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象，是一种实际并不存在的假想气体。判断所使用气体是否为理想气体（1）依据气体所处的状态（如：气体的密度是否足够小）估计作为理想气体处理时可能引起的误差；（2）应考虑计算所要求的精度。若为理想气体则可使用理想气体的公式。2.气体的摩尔体积是否因气体的种类而异？是否因所处状态不同而异？任何气体在任意状态下摩尔体积是否都是0.022414m3/mol?答：气体的摩尔体积在同温同压下的情况下不会因气体的种类而异；但因所处状态不同而变化。只有在标准状态下摩尔体积为0.022414m3/mol3.摩尔气体常数R值是否随气体的种类不同或状态不同而异？答：摩尔气体常数不因气体的种类及状态的不同而变化。4.如果某种工质的状态方程式为pv=RgT，那么这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？答：一种气体满足理想气体状态方程则为理想气体，那么其比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数。5.对于一种确定的理想气体，vpcc是否等于定值？vpcc是否为定值？在不同温度下vpcc、vpcc是否总是同一定值？答：对于确定的理想气体在同一温度下vpcc为定值，vpcc为定值。在不同温度下vpcc为定值，vpcc不是定值6.迈耶公式是否适用于理想气体混合物？是否适用于实际气体？答：迈耶公式的推导用到理想气体方程，因此适用于理想气体混合物不适合实际气体。7.试论证热力学能和焓是状态参数，理想气体热力学能和焓有何特点？答：在工程热力学里，在无化学反应及原子核反应的过程中，化学能、原子核能都不变化，可以不考虑，因此热力学能包括内动能和内位能。内动能由温度决定，内位能由v决定。这样热力学能由两个状态参数决定。所以热力学能是状态参数。由公式h=u+pv可以看到，焓也是由状态参数决定，所以也是状态参数。对于理想气体热力学能和焓只是温度的函数。8.气体有两个独立的参数，u(或h)可以表示为p和v的函数，即u=f(p,v)。但又曾得出结论，理想气体的热力学能、焓、熵只取决于温度，这两点是否矛盾？为什么？答：不矛盾。实际气体有两个独立的参数。理想气体忽略了分子间的作用力，所以只取决于温度。9.为什么工质的热力学能、焓、熵为零的基准可以任选？理想气体的热力学能或焓