工程热力学15章思考题解答汇总Word文档格式.docx
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6.经验温标的缺点是什么？
为什么？
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验温标。
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），因而任何一种经验温标都不能作为度量温度的标准。
这便是经验温标的根本缺点。
7.促使系统状态变化的原因是什么？
举例说明。
分两种不同情况：
⑴若系统原本不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势差的作用下，各个部分发生相互作用，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说来，由于水和铁块之间存在着温度差别，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：
铁块的温度逐渐降低，水的温度逐渐升高，最终系统从热不平衡的状
态过渡到一种新的热平衡状态;
生变。
（1）；
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;
（2），b情况下系统也与外界无力的作用，因此系统不对外界作功;
（3）a中所示的情况为气体向真空膨胀（自由膨胀）的过程，是典型的不可逆过程。
过程中气体不可能处于平衡状态，因此该过程不能在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
而可认为过程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
静过程，这种过程可以在P-V图上用实线表示出来。
\1/
刁匸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？
所谓过程不可逆，是指一并完成该过程的逆过程后，系统和它的外界不可能同
时恢复到他们的原来状态，并非简单地指系统不可能回复到原态。
同理，系统经历
正、逆过程后恢复到了原态也并不就意味着过程是可逆的；
过程是否可逆，还得看
与之发生过相互作用的所有外界是否也全都回复到了原来的状态，没有遗留下任何
变化。
原则上说来经历一个不可逆过程后系统是可能恢复到原来状态的，只是包括
系统和外界在内的整个系统则一定不能恢复原来状态。
洛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中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？
系统完成一个循环后接着又完成其逆向循环时，无论循环可逆与否，系统的状
态都不会有什么变化。
根据可逆的概念，当系统完成可逆过程（包括循环）后接着
又完成其逆向过程时，与之发生相互作用的外界也应一一回复到原来的状态，不遗
留下任何变化；
若循环中存在着不可逆因素，系统完成的是不可逆循环时，虽然系
统可以回复到原来的状态，但在外界一定会遗留下某种变化，使外界无法复原。
占.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？
不需要。
由于活塞也包含在系统内，既然系统完成的是循环过程，从总的结果
看来活塞并未改变其位置，实际上不存在排斥大气的作用。
第二章热力学第一定律
隔板1
CFTQrUr_lJ〉口.-11-l-1L
fT
自由膨胀
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，如图2--11所示。
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，气体泄漏人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？
⑴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，过程功W=0;
容器又是绝热
的，过程的热量Q=0因此，根据热力学第一定律
Q=AU+W
应有
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。
⑵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,
部分气体时刻应有相同的温度，当A、B两部分气体压力相同时，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，两部分气体将有相同的比热
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，则过程为A对B的
充气过程，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
体的压力会达到平衡，但A部分气体的温度将比B部分的低。
2.热力学第一定律的能量方程式是否可写成
q=3+Pv
q2—qi=（U2-ui）+（W2-wi）
的形式，为什么？
⑴热力学第一定律的基本表达式是：
过程热量=工质的热力学能变化+过程功。
第一个公式中的Pv并非过程功的正确表达，因此该式是不成立的；
⑵热量和功过程
功都是过程的函数，并非状态的函数，对应于状态1和2并不存在什么qi、q2和W1、
W2；
对于过程1-2并不存在过程热量q=q2-qi和过程功w=w2—wi,因此第二个公式
也是不成立的。
蛙6..热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式:
q=Au+w
2
q=釦+1Pdv
分别讨论上述两式的适用范围。
第一个公式为热力学第一定律的最普遍表达，原则上适用于不作宏观运动的一
切系统的所有过程；
第二个表达式中由于将过程功表达成[Pdv，这只是对简单可压
缩物质的可逆过程才正确，因此该公式仅适用于简单可压缩物质的可逆过程。
4.为什么推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?
当流体流动时，上游流体为了在下游占有一个位置，必须将相应的下游流体推
挤开去，当有流体流进或流出系统时，上、下游流体间的这种推挤关系，就会在系
统与外界之间形成一种特有的推动功（推进功或推出功）相互作用。
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共项。
5..稳定流动能量方程式（2-16）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？
可以。
就活塞式压气机这种机械的一个工作周期而言，其工作过程虽是不连续
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，因此，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。
號^6..开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式:
SQ=dU
SQ=dH
上述三式中W、Wt和Wi的相互关系是什么？
是的。
第一个公式中dU指的是流体流过系统时的热力学能变化，6W是流体流
过系统过程中的对外所作的过程功；
第二个公式中的6^指的是系统的技术功；
第三
个公式中的期指的是流体流过系统时在系统内部对机器所作的内部功。
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。
从根本上说来，技术功、内部功均来源于过程功。
过程功是技术功与流动
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的流动动
能和重力位能增量之后所剩余的部分。
图2-12.合流
拧＞7.几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-12所示。
工程
上几台压气机同时向主气道送气，以及混合式换热器等都有合流的问题。
通常合流过程都是绝热的。
取1-1、2-2和3-3截面之间的空间为
控制体积，列出能量方程式，并导出出口截面上焓值h3的计算式。
认为合流过程是绝热、设备不作功的稳态稳流过程，并
-dEn1m1-
Q三［（h+討+gz）叽「三［（h+尹2+gZ）叽+叽i
应有能量平衡
S（mh）out-2（mh）in=0
nm
■■■
+m2h^m3h3
m3
第三章理想气体的热力性质
1.怎样正确看待"
理想气体"
这个概念？
在进行实际计算时如何决定是否可采用理想气体的一些公式？
理想气体并非是实际存在的一种气体，它只是针对通常存在的多数气体热力性质的一种抽象产物，是实际气体压力趋于零，比容趋于无限大时的极限。
与通常的压力和温度比较而言，当实际气体的温度较高，压力较低时，而计算精度要求又不是太高时，可以采用理想气体的一些公式进行计算。
2.气体的摩尔体积Vm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?
3
22.4m/kmol。
同温同压下，任何1摩尔气体都具有相同的容积。
但是，若状态不同，气体的摩尔体积不同，只在标准状况下气体的摩尔体积才等于
3.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?
摩尔气体常数R值恒等于8.3143kJ/（kmolK）,•不因气体的种类不同或状态不同而异。
4.如果某种工质的状态方程式为Pv=RgT，那么这种工质比热容、热力学能、焓都仅仅是温度
的函数吗？
理想气体的状态方程式为Pv=RgT，服从这一方程的气体均属理想气体。
按照理想气体模型，其热力学能、焓都仅仅是温度的函数。
理想气体的比热容与过程的性质有关，也与温度有关，对于一定的过程而言，理想气体的比热容仅是温度的函
数。
5.对于一种确定的理想气体，（Cp_Cv）是否等于定值？
Cp/Cv是否为定值？
在不同温度下（Cp_Cv）、
Cp/Cv是否总是同一定值？
根据迈耶公式，Cp-Cv=Rg,对于一种确定的理想气体Rg是一常数，不因温度变化而改变。
比热容比Cp/Cv则不同，它与气体的种类有关，而且，对于一种确定的理想气体它还与气体的温度有关，随温升高而降低。
6.迈耶公式Cp-Cv=Rg是否适用于理想气体混合物？
是否适用于实际气体?
迈耶公式Cp-Cv=Rg也适用于理想气体混合物，这时式中的Cp、Cv应是混合气
体的比定压热容和比定容热容，对于质量比热容，应有Cp=BwiCp,i，Cv=ZWiCv,i;
Rg是混合气体的折算气体常数，Rg=BwiRg,io以上wi为混合气体的质量分数。
迈耶公式不适用于实际气体。
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?
所谓热力学能是指因物质内部分子作热运动的所具有的内动能，分子间存在相互作用力而相应具有的内位能、维持一定分子结构的化学能、原子核内部的原子能,以及电磁场作用下的电磁能等。
在无化学反应、原子核反应的情况下，物质的化学能和原子核能无变化，可不予考虑，物质的热力学能变化仅包含内动能和内位能的变化。
根据分子运动论和量子理论，普遍说来分子热运动所具有的内动能是温度的函
是物质的状态参数。
根据热力学第一定律，工质从状态1经某种热力过程变化到状态2时，有能量平衡关系
dQ=dU+dW
从另一方面说来，当工质经历热力循环时，应有循环的净热量等于循环的净功:
寸dQiJdW
寸（dQ-dW）=0
如此，对于如图所示的1a2c1和1b2c1两个热力循环，应有
[a2（dQ-dW）+2c1（dQ-dW）=0及
[b2（dQ-dW）+2ci（dQ-dW）=0
对比两式，可见
1a2（dQ-dW）=1b2（dQ-dW）
由热力学第一定律的表达式，根据式①及②有
勺dU=0
LdU二IdU
这表明函数dU的积分与路径无关，即dU是某个状态参数的全微分，可见热力学能
U为状态参数。
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Ufu（P,V）。
但又曾得出结论，理想气体的热力学能、焓只取决于温度，这两点是否矛盾？
不矛盾。
根据理想气体模型，理想气体的分子只有内动能，不存在内位能，其热力学能仅包含内动能，因此其热力学能u只是温度的函数。
焓参数h的定义为h=
可见理想气体的焓参数也仅为温度的
u+PV,由于理想气体遵循状态方程Pv=RgT,
是另一个状态参数的单值函数，这说明两者间具有一种特殊的同一关系，相互间不是独立的。
实际上气体的状态是不可能由这两者来共同确定的,要确定气体的状态必须给出两个独立参数，这是普遍的关系。
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
焓的参照状态通常选定哪个或哪些个状态参数值？
对理想气体的熵又如何？
由于热工计算中通常只是需要知道工质的热力学能、焓或熵的变化值,因此无需追究他们的绝对值,只要选定参照状态作为基准,为之确定相对值就可以了。
理想气体通常取热力学温度为零（0K），或摄氏温度为零时（0C）的状态作为基准状态,令此时的热力学能和焓参数为零以确定其它状态下的相对值。
理想气体的熵参数通常则取（0K,760mmHg）为参照状态，即令气体在标准状况下的熵参数相对值为零。
u、
10..气体热力性质表中的U、h及so的基准是什么状态?
这时的基准状态是热力学温度为零（0K）。
11.在图3-8所示T-S图上任意可逆过程1-2的热量如何表示？
理想气体
在1和2状态间的热力学能变化量、焓变化量如何表示？
若1-2经过的是不可逆过程又如何？
①对于可逆过程1-2，过程热量可用过程曲线与横轴s之间所夹的面积来表示;
②由于理想气体的热力学能是温度的单值函数，温度相同时其热力学能相同，附图一中点3与点2温度相同，因此其热力学能相同。
又因可逆定容过程的热量等于热力学能增量，因此图中所示定容线1-3下面带阴影线部分的面积代表理想气体过程12的热力学能变化。
作图方法：
过点1作定容过程线；
过点2作定温线与定容线交于点3。
定容过程13
点3与点2温度相同，因此其焓相同。
又因可逆定压过程的热量等于焓增
量，因此图中所示定压线1-3下面带阴影线部分的面积代表理想气体过程12的焓变化。
过点1作定压过程线；
过点2作定温线与定压线交于点3。
定压过程13的过程线与横轴s间所夹的面积即为过程12的焓变化。
④若1-2过程为不可逆过程，则其热量不能以过程曲线下面的面积来表示，原则上在
T-S图上表示不出来。
不过由于热力学能和焓为状态参数，1、2之间的热力学能和焓的变化量不应过程1-2的性质而改变，因此热力学能和焓的变化表示方法仍如前述。
12.理想气体熵变计算式（3-34a）、（3-35a）、（3-36a）、（3-37a）等是由可逆过程导出的，这些计算式是否可用于不可逆过程初、终态的嬗变计算？
熵是状态参数，只要初、终状态相同，不论经历何种过程工质的熵变应相同，因此以上4式对理想气体的任何过程都适用。
13.熵的数学定义式为ds=dq可L，比热容的定义式为C=色，故有ds=迹。
由此认为：
理
TdTT
想气体的比热容是温度的单值的函数，所以理想气体的熵也是温度的单值函数。
试问这一结论是
否正确？
若不正确，错在何处？
此结论不正确。
理想气体的比热容是与过程性质有关的一个物理量，对于不同性质的过程气体有不同的比热容，如定压比热容、定容比热容等，因此，正确地应该说一定的过程中理想气体的比热容是温度的单值的函数。
可见简单地根据比热容的定义推断出气体的比热容只是温度的单值函数，从而熵参数也只是温度的函数是不对的。
⑴
⑵
⑶
⑷
⑸
U试判断下列各说法是否正确：
气体吸热后熵一定增大；
气体吸热后温度一定升高；
气体吸热后热力学能一定升高;
气体膨胀时一定对外作功；
气体压缩时一定耗功。
⑴说法正确。
由系统（CM）的熵方程AS=Sf+Sg,根据熵产原理，过程的熵产
Sg永远为正值。
而系统吸热时其热熵流Sf亦为正值，故气体吸热后熵一定增大。
⑵说法不正确。
气体的热力学能仅为温度的函数，气体温度升高时其热力学能一定增大。
由热力学第一定律Q=AU+W，即AU=Q-W,AU值是正或负要由Q和W共同决定，系统吸热时Q虽为正值，但若系统对外界所的作功（正值）大于吸热量时，其热力学能的变化AU值将有可能成为负值，这时气体的温度将降低⑶说法不正确。
理由同⑵。
⑷说法不正确。
可逆过程中气体的过程功为？
W=PdV,式中气体的压力为正值，气体膨胀时dV亦为正值，故?
W一定等于正值一一气体对外作功。
但过程若不可逆,譬如气体向真空作自由膨胀时因无需克服外力，其过程功当为零。
⑸说法正确。
理由与⑷类同。
15.道尔顿分压定律和亚美格分体积定律是否适用于实际气体混合物?
不适用。
所说的两个定律都是根据理想气体状态方程导出的，应而不适用于实际气体混合物。
16.混合气体中如果已知两种组分A和B的摩尔分数XA>
XB，能否断定质量分数也是WA>
WB?
不能。
由于质量分数（份额）与摩尔分数的关系为
可见两种组分的质量成分之比除与摩尔成分有关外，还与它们的摩尔质量（或气体常数）的大小有关。
第四章理想气体热力过程分析
1.分析气体的热力过程要解决哪些问题？
用什么方法解决？
试以理想气体的定温过程为例说明
之。
分析气体的热力过程要解决的问题是：
揭示过程中气体的状态（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。
分析气体热力过程的具体方法是：
将气体视同理想气体；
将具体过程视为可逆过程，并突出具体过程的主要特征，理想化为某种简单过程；
利用热力学基本原理、状态方程、过程方程，以及热力学状态坐标图进行分析和表示。
对于理想气体的定温过程
2.对于理想气体的任何一种过程，下列两组公式是否都适用:
严=Cv（t2-ti）jq=Au=Cv（t2-ti）
冲=cp（t2-ti）iq=Ah=cp（t2-ti）
因为理想气体的热力学能和焓为温度的单值函数，只要温度变化相同，不论经历任何过程其热力学能和焓的变化都会相同，因此，所给第一组公式对理想气体的任何过程都是适用的；
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，因而仅分别适用于可逆的定容或定压过程。
就该
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