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工程热力学第四版沈维道 思考题 完整版

第1章 基本概念及定义

1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?

答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。

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”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。

⒊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：“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。

⒋倘使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？在绝对压力计算公式

中，当地大气压是否必定是环境大气压?

答：可能会的。因为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

P?Pb?Pe (P?Pb)； P?Pb?Pv (P?Pb)度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使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。准确地说，计算式中的Pb 应是“当地环境介质”的压力，而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。

⒌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“温度是相互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。 ⒍经验温标的缺点是什么?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。

⒎ 促使系统状态变化的原因是什么?举例说明。 答：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，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；

⑵ 若系统原处于平衡状态，则只有在外界的作用下（作功或传热）系统的状态才会发生变。

⒏ 图1-16a、b所示容器为刚性容器：⑴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)是否作功？

(a) (b) ⑵设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢

图1-16 思考题8附图 复平衡再抽去一块，问气体(系统)是否作功？

⑶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：⑴；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；

⑵ 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；

⑶ 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。

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：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。

⒑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？

答：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，虽然系统回复到原来状态，但在外界一定会遗留下某种永远无法复原的变化。

⒒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

1．热力学能就是热量吗？

答：不是。热力学能是工质的状态参数，是工质的性质，是工质内部储存能量，是与状态变化过程无关的物理量。热量是工质状态发生变化时通过系统边界传递的热能，其大小与变化过程有关，热量不是状态参数。

2．若在研究飞机发动机中工质的能量转换规律时把参考坐标建在飞机上，工质的总能中是否包括外部储存能？在以氢、氧为燃料的电池系统中系统的热力学能是否应包括氢和氧的化学能？

答：无论参考坐标建立在何处，工质的总能中始终包括外部储存能，只不过参考坐标建立合适，工质的宏观动能、宏观势能的值等于零，便于计算。

氢氧燃料电池中化学能变化是主要的能量变化，因而不可忽略。

3．能否由基本能量方程式得出功、热量和热力学能是相同性质的参数的结论？ q=?u＋w

不能。基本能量方程式仅仅说明且充分说明功、热量和热力学能都是能量，都是能量存在的一种形式，在能量的数量上它们是有等价关系的。而不涉及功、热量和热力学能的其他属性，也表明功、热量和热力学能的其他属性与能量本质无关。 4．一刚性容器，中间用绝热隔板分为两部分，A中存有高压空

隔板 气，B中保持真空，如图2-12所示。若将隔板抽去，分析容器

A B 中空气的热力学能将如何变化？若在隔板上有一小孔，气体泄漏

入B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体热力学能图2-12 自由膨胀 如何变化？

答：q=?u＋w ， q=0，?u为负值（u减少），转化为气体的动能，动能在B中经内部摩擦耗散为热能被气体重新吸收，热力学能增加，最终?u =0。

5． 热力学第一定律的能量方程式是否可写成下列形式？为什么？ q=?u+pv q2-q1=(u2-u1)+(w2-w1)

不可以。w不可能等于pv，w是过程量，pv则是状态参数。q和w都是过程量，所以不会有q2-q1和w2-w1。

6． 热力学第一定律解析式有时写成下列两者形式：

q=?u＋w q=?u＋?pdv

12分别讨论上述两式的适用范围。

前者适用于任意系统、任意工质和任意过程。 后者适用于任意系统、任意工质和可逆过程。

7．为什么推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程式中？

推动功的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。开口系工质流动，而闭口系工质不流动，所以推动功出现在开口系能量方程中，而不出现在闭口系能量方程式中。

我个人认为推动功应该定义为由于工质在一定状态下占有一定空间所具有的能量，它是工质本身所固有的性质，是一个状态参数。推动功既可以出现在开口系能量方程中，也可以出现在闭口系能量方程式中（需要把w拆开，w＝wt＋?(pv)）。——占位能

8．焓是工质流入（或流出）开口系时传递入（或传递出）系统的总能量，那么闭口系工质有没有焓值？

比较正规的答案是，作为工质的状态参数，闭口系工质也有焓值，但是由于工质不流动，所以其焓值没有什么意义。

焓=热力学能+占位能

9．气体流入真空容器，是否需要推动功？

推动功的定义为，工质在流动时，推动它下游工质时所作的功。下游无工质，故不需要推动功。利用开口系统的一般能量方程式推导的最终结果也是如此。

10．稳定流动能量方程式（2-21）是否可应用于像活塞式压气机这样的机械稳定工况运行的能量分析？为什么？

可以。热力系统的选取有很大的自由度。一般把活塞式压气机取为闭口系统，是考察其一个冲程内的热力变化过程。如果考虑一段时间内活塞式压气机的工作状况和能量转换情况，就需要把它当成稳定流动系统处理，包括进排气都认为是连续的。 11．为什么稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等都会改变，而整个系统的?UCV=0、?HCV=0、?SCV=0?

控制体的?UCV=0、?HCV=0、?SCV=0是指过程进行时间前后的变化值，稳定流动系统在不同时间内各点的状态参数都不发生变化，所以?UCV=0、?HCV=0、?SCV=0。稳定流动开口系内不同部分工质的比热力学能、比焓、比熵等的改变仅仅是依坐标的改变。 12．开口系实施稳定流动过程，是否同时满足下列三式：

m?Q=dU+?W ?Q=dH+?Wt ?Q=dH+dc2f+mgdz+?Wi

2上述三式中，W、Wt和Wi的相互关系是什么？

m答：都满足。 ?W=d(pV)+ ?Wt= d(pV)+dc2f+mgdz+?Wi

2m?Wt= dc2f+mgdz+?Wi

2

13. 几股流体汇合成一股流体称为合流，如图2-13所示。qm1 1 p1, T1 3 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 1 qm3 p3, T3 和3-3截面之间的空间为控制体积，列出能量方程式并导

2 3 出出口截面上焓值h3的计算式。

答：进入系统的能量–离开系统的能量=系统贮存能量的变 qm2 p2, T2 2 化

图2-13 合流 系统贮存能量的变化：不变。

??????进入系统的能量：qm1带入的和qm2带入的。没有热量输入。

qm1（h1+cf1/2+gz1）+ qm2（h2+cf2/2+gz2）

离开系统的能量：qm3带出的，没有机械能（轴功）输出。

22

qm3（h3+cf32/2+gz3）

如果合流前后流速变化不太大，且势能变化一般可以忽略，则能量方程为：

qm1?h1+qm2?h2=qm3?h3

出口截面上焓值h3的计算式

qm3 3 p3, T3 1 3 qm1 p1, T1 2 1 qm2 p2, T2 2 图2-14 分流 h3=（qm1?h1+qm2?h2）/ qm3

本题中，如果流体反向流动就是分流问题，分流与合流问题的能量方程式是一样的，一般习惯前后反过来写。

qm1?h1 =qm2?h2+qm3?h3

第三章气体和蒸汽的性质

1．怎样正确看待“理想气体”这个概念？在进行实际计算时如何决定是否可采用理想气体的一些公式？

第一个问题很含混，关于“理想气体”可以说很多。可以说理想气体的定义：理想气体，是一种假想的实际上不存在的气体，其分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子间无相互作用力。也可以说，理想气体是实际气体的压力趋近于零时极限状况。还可以讨论什么情况下，把气体按照理想气体处理，这已经是后一个问题了。后一个问题，当气体距离液态比较远时（此时分子间的距离相对于分子的大小非常大），气体的性质与理想气体相去不远，可以当作理想气体。理想气体是实际气体在低压高温时的抽象。 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？

气体的摩尔体积Vm不因气体的种类而异。所处状态发生变化，气体的摩尔体积也随之发生变化。任何气体在标准状态（p=101325Pa，T=273.15K）下摩尔体积是0.022414m3/mol。在其它状态下，摩尔体积将发生变化。

3．摩尔气体常数R值是否随气体的种类而不同或状态不同而异？

摩尔气体常数R是基本物理常数，它与气体的种类、状态等均无关。

4．如果某种工质的状态方程式为pv=RgT，这种工质的比热容、热力学能、焓都仅仅是温度的函数吗？

是的。

5．对于确定的一种理想气体，cp–cv是否等于定值？cp/cv是否为定值？cp–cv、cp/cv