1、2015 年工程熱力學簡答題第 1 章 基本概念 閉口系與外界無物質交換，系統內質量將保持恒定，那么，系統內質量保 持恒定的熱力系一定是閉口系統嗎 ?答：否。當一個控制質量的質量入流率與質量出流率相等時 (如穩態穩流系統) ， 系統內的質量將保持恒定不變。 有人認為， 開口系統中系統與外界有物質交換， 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。“絕熱系”指的是過程中與外界無熱量交換的系統。熱量是指過程中 系統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。一個系統能否絕熱與其邊界是否對物質流開放無 關

2、。 平衡狀態與穩定狀態有何區別和聯系，平衡狀態與均勻狀態有何區別和聯 系?答：“平衡狀態”與“穩定狀態”的概念均指系統的狀態不隨時間而變化，這是 它們的共同點；但平衡狀態要求的是在沒有外界作用下保持不變；而平衡狀態 則一般指在外界作用下保持不變，這是它們的區別所在。 倘使容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PPbPe(PPb)；PPbPv(PPb )中，當地大氣壓是否必定是環境大氣壓 ? 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境介質壓 力之差。環境介質壓力，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

3、、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。“當地大氣壓”并非就是環境大氣壓。 準確地說， 計算式中的 Pb 應是“當地環 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 “環境大氣壓力”。 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理之上。它利用了“溫度是 相互熱平衡的系統所具有的一種同一熱力性質” ，這一性質就是 “溫度”的概念。 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

4、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。 促使系統狀態變化的原因是什么 ?舉例說明。答：分兩種不同情況： 若系統原本不處于平衡狀態， 系統內各部分間存在著不平衡勢差， 則在不平 衡勢差的作用下，各個部分發生相互作用，系統的狀態將發生變化。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說來，由于水和鐵 塊之間存在著溫度差別，起初系統處于熱不平衡的狀態。這種情

5、況下，無需外 界給予系統任何作用，系統也會因鐵塊對水放出熱量而發生狀態變化：鐵塊的 溫度逐漸降低，水的溫度逐漸升高，最終系統從熱不平衡的狀態過渡到一種新 的熱平衡狀態； 若系統原處于平衡狀態， 則只有在外界的作用下 （作功或傳熱） 系統的狀態 才會發生變。(a) (b) 圖 1-16 思考題 8 附圖 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，一部分抽成真 空，中間是隔板。若突然抽去隔板， 氣體（系統） 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） 是否作功？上述兩種情況從初態變化到終態，其過程是否都可在

6、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）不對外 界作功； b 情況下系統也與外界無力的作用，因此系統不對外界作功； 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，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限接近平衡的狀態中， 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。 經歷一個不可逆過程后，系統能否恢復原來狀態？包括系統和外界的整個

7、系統能否恢復原來狀態？ 答：所謂過程不可逆，是指一并完成該過程的逆過程后，系統和它的外界不可 能同時恢復到他們的原來狀態，并非簡單地指系統不可能回復到原態。同理， 系統經歷正、逆過程后恢復到了原態也并不就意味著過程是可逆的；過程是否 可逆，還得看與之發生過相互作用的所有外界是否也全都回復到了原來的狀態， 沒有遺留下任何變化。原則上說來經歷一個不可逆過程后系統是可能恢復到原 來狀態的，只是包括系統和外界在內的整個系統則一定不能恢復原來狀態 系統經歷一可逆正向循環及其逆向可逆循環后，系統和外界有什么變化？ 若上述正向及逆向循環中有不可逆因素，則系統及外界有什么變化？ 答：系統完成一個循環后接著又完

8、成其逆向循環時，無論循環可逆與否，系統 的狀態都不會有什么變化。 根據可逆的概念， 當系統完成可逆過程 （包括循環） 后接著又完成其逆向過程時，與之發生相互作用的外界也應一一回復到原來的 狀態，不遺留下任何變化；若循環中存在著不可逆因素，系統完成的是不可逆 循環時，雖然系統回復到原來狀態，但在外界一定會遺留下某種永遠無法復原 的變化。（注意：系統完成任何一個循環后都恢復到原來的狀態，但并沒有完成其“逆 過程”，因此不存在其外界是否“也恢復到原來狀態”的問題。一般說來，系統 進行任何一種循環后都必然會在外界產生某種效應，如熱變功，制冷等，從而 使外界有了變化。） 工質及氣缸、活塞組成的系統經循環

9、后，系統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內，既然系統完成的是循環過程，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 熱力學第一定律隔板A自由膨脹0 ；容器又是 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。若將隔板抽去，分析容器中 空氣的熱力學能如何變化？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？答: 定義容器內的氣體為系統，這是一個控制質量。 由于氣體向真空作無阻自由膨脹，不對外界作功，過程功

10、WU W ，應有 U 0 ，絕熱的，過程的熱量 Q 0 ，因此，根據熱力學第一定律 Q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，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

11、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 ）。 熱力學第一定律的能量方程式是否可寫成q u Pvq2 q1 （u2 u1） （w2 w1） 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，并非狀態的函數，對應于狀態 1 和 2并不存在什么 q1、q2和 w1、w2；對于過程 1-2 并不存在過程熱量 q q2 q

12、1 和過 程功 w w2 w1 ，因此第二個公式也是不成立的 . 熱力學第一定律解析式有時寫成下列兩種形式：q u w2q u 1 Pdv分別討論上述兩式的適用范圍。 答：第一個公式為熱力學第一定律的最普遍表達，原則上適用于不作宏觀運動 的一切系統的所有過程；第二個表達式中由于將過程功表達成Pdv ，這只是1 對簡單可壓縮物質的可逆過程才正確，因此該公式僅適用于簡單可壓縮物質的 可逆過程。 . 為什么推動功出現在開口系能量方程式中， 而不出現在閉口系能量方程式 中？ 答：當流體流動時，上游流體為了在下游占有一個位置，必須將相應的下游流 體推擠開去，當有流體流進或流出系統時，上、下游流體間的這種

13、推擠關系， 就會在系統與外界之間形成一種特有的推動功（推進功或推出功）相互作用。 反之，閉口系統由于不存在流體的宏觀流動現象，不存在上游流體推擠下游流 體的作用，也就沒有系統與外間的推動功作用，所以在閉口系統的能量方程式 中不會出現推動功項。 . 穩定流動能量方程式 （ 2-16）是否可應用于活塞式壓氣機這種機械的穩定 工況運行的能量分析？為什么？ 答：可以。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，對于這種機器的穩定工作情況，穩態 穩流的能量方程是適用的。 . 開口

14、系實施穩定流動過程，是否同時滿足下列三式：Q dU W Q dH WtQ dH mdcf2 mgdz Wi2 f i上述三式中 W、Wt 和 Wi 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時的熱力學能變化， W是流體流過系 統的過程中對外所作的過程功； 第二個公式中的 Wt 指的是系統的技術功； 第三 個公式中的 Wi 指的是流體流過系統時在系統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”與機器軸功的區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

15、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。圖 2-12 合流由式 (2-28) 幾股流體匯合成一股流體稱為合流，如圖 2-12 所示。工程上幾臺壓氣機同時向主氣道送氣， 以及混合 式換熱器等都有合流的問題。通常合流過程都是絕熱 的。取 1-1 、2-2 和3-3 截面之間的空間為控制體積， 列出能量方程式，并導出出口截面上焓值 h3 的計算式。 答：認為合流過程是絕熱的穩態穩流過程， 系統不作軸 功，并忽略流體的宏觀動能和重力位能。對所定義的系統，m1 2(h c2 gz)m in,iWshaft,ii 12dEC

16、V n 1 2Q CV (h c2 gz)m out,i d i 1 2 應有能量平衡(mh)out(mh)in 0nmm1h1 m2h2 m3h3h3m3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（參數）變 化規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，理想化為某種簡單過程；利用熱力學基本 原理、狀態方程、過程方程，以及熱力學狀態坐標圖進行分析和

17、表示。對于理想氣體的定溫過程（從略）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：ucv (t2t1)qucv (t2t1)hcp (t2t1)qhcp(t2t1)答：因為理想氣體的熱力學能和焓為溫度的單值函數，只要溫度變化相同，不 論經歷任何過程其熱力學能和焓的變化都會相同，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

18、， 氣體的熱量可根據過程中氣體的比熱容乘以溫差 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 = 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 P1v1 ln v2 ，可見，只要狀態參數 P1、 v1和 v2確定了， q的數值也確定了， v1是否 q 與途徑無關？ 答：否。所說的定溫過程熱量計算公式利用理想氣

19、體狀態方程、氣體可逆過程 的過程功 dw Pdv ，以及過程的定溫條件獲得，因此僅適用于理想氣體的定溫 過程。式中的狀態 1 和狀態 2，都是指定溫路徑上的狀態，并非任意狀態，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量。5. 在閉口熱力系的定容過程中， 外界對系統施以攪拌功 w，問這時 Q = mcvdT 是否成立？答：不成立。只是在內部可逆的單純加熱過程中(即無不可逆模式功存在時) 才可以通過熱容與溫度變化的乘積來計算熱量，或者原則地講，只是在在可逆 過程中(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.

20、 試說明絕熱過程的過程功 w 和技術功 wt 的計算式w u1 u2； wt h1 h2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 u w 及 第二表達式 q h wt 導出，與何種工質無關，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）絕熱過程即定熵過程；（3）多變過程即任意過程。 答：膨脹功（壓縮功）都是容積（變化）功，定容過程是一種系統比體積不 變，對控制質量或說系統容積不變的過程，因此說定容過程即無膨脹 （或壓縮 ） 功的過程是正確的；絕熱過程指的是系

21、統不與外界交換熱量的過程。系統在過程中不與外界 交換熱量，這僅表明過程中系統與外界間無伴隨熱流的熵流存在，但若為不可 逆過程，由于過程中存在熵產，則系統經歷該過程后會因有熵的產生而發生熵 的額外增加，實際上只是可逆的絕熱過程才是定熵過程，而不可逆的絕熱過程 則為熵增大的過程，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，這種變化規律雖較具普遍性，但并不包括一切過程，因此說多變過程即 任意過程是不正確的。8. 參照圖 4-15 ，試證明： q1-2-3 q1-4-3 。 圖中 1-2 、4-3 為定容過程， 1-4、 2-3 為定壓過程。 答：由于

22、w1 2 3 w1 2 w2 3； w1 4 3 w1 4 w4 3其中 w1-2、w4-3 為定容過程功，等于零； w2-3、w1-4 為定壓過程 功，等于 P v 。由于P2 P1；v2 3v1 4故w1 2 3 w1 4 3（另一方面， P-v 圖上過程曲線與橫軸 v 之間所夾的面積代表過程功， 顯見 w1-2 = w4-3 = 0 ；w2-3 w4-3，即w1-2-3 w1-4-3 ）。根據熱力學第一定律：q u w 對熱力學狀態參數 u，應有u1 2 3 u1 4 3 u1 3可見q1 2 3 q1 4 39. 如圖 4-16 所示，今有兩個任意過程 a -b 及 a -c ，其 中

23、 b、c 在同一條絕熱線上。試問 uab與 uac 哪個大？若 b、 c 在同一條定溫線上，結果又如何？ 答：由于 b、c 在同一條絕熱線上，過程 b-c 為絕熱膨脹 過程，由熱力學第一定律，有wbc ubc ub uc 過程中系統對外作膨脹功， wbc 0，故有 ub uc 因此，應有uabuac若 b、 c 在同一條定溫線上，根據理想氣體的熱力性質，則有ubucuab uac10. 在 T-s 圖上如何表示絕熱過程的技術功 wt 和膨脹功 w？ 答：根據熱力學第一定律，絕熱過程的技術功 wt 和過程功 w分別應等于過程的 焓增量和熱力學能增量的負值，因此，在 T-s 圖上絕熱過程技術功 w

24、t 和膨脹功 w 的表示，實際上就是過程的焓增量和熱力學能增量的表示。具體方法為： （見 第 3 章思考題 11）11. 在 P-v 圖和 T-s 圖上如何判斷過程中 q、 w、 u、 h 的正負？ 答：當過程曲線分別指向絕熱線、定容線、定溫線的右側時q、w、u、 h值為正；反之為負。第 5 章 熱力學第二定律1. 熱力學第二定律能否表達為： “機械能可以全部變為熱能，而熱能不可能全 部變為機械能。”這種說法有什么不妥當？ 答：熱力學第二定律的正確表述應是： 熱不可能全部變為功而不產生其它影響。 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。2. 自發過程是不可逆過程，非自發過程

25、必為可逆過程，這一說法是否正確？ 答：此說法不正確。自發過程具有方向性，因而必定是不可逆的；非自發過程 是在一定補充條件下發生和進行的過程， 雖然從理論上說來也許可以做到可逆， 但事實上實際過程都不可逆，因為不可逆因素總是避免不了的。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完成逆向變化回復到原先狀態后，與其發生 過相互作用的外界不能一一回復到原來狀態，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：機械摩擦、有限溫差下的傳熱、電阻、自發的化學 反應、擴散、混合

26、、物質從一相溶入另一相的過程等。4. 試證明熱力學第二定律各種說法的等效性： 若克勞修斯說法不成立， 則開爾 文說法也不成立。證：熱力學第二定律的克勞修斯 表述是：熱不可能自發地、不付 代價地從高溫物體傳至低溫物 體。開爾文表述則為：不可能從 單一熱源取熱使之全部變為功而 不產生其它影響。按照開爾文說 法，遵循熱力學第二定律的熱力 發動機其原則性工作系統應有如 圖 4A 所示的情況。假設克勞修斯高溫熱源熱機W0Q2低溫熱源圖 4A 熱機循環圖 4B 不可能的熱機 循環說法可以違背，熱量 Q2 可以自發地不付代價地從地溫物體傳至高溫物體，則應 有如圖 4B所示的情況。在這種情況下， 對于所示的熱

27、機系統當熱機完成一個循 環時，實際上低溫熱源既不得到什么，也不失去什么，就如同不存在一樣，而 高溫熱源實際上只是放出了熱量 (Q1 Q2) ，同時，熱力發動機則將該熱量全部轉 變為功而不產生其它影響，即熱力學第二定律的開爾文說法不成立。5. 下述說法是否有錯誤： 循環凈功 Wnet 愈大則循環熱效率愈高； 不可逆循環的熱效率一定小于可逆循環的熱效率； 可逆循環的熱效率都相等， t 1 TT21答：說法不對。循環熱效率的基本定義為：WQn1et ，循環的熱效率除與循環凈功有關外，尚與循環吸熱量 Q1 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”

28、的條件下才能肯定不可逆循環的熱效率一定小于可逆循環， 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 和同樣溫度的低溫熱源間”的條件下才能肯定所有可逆循環的熱效率都相等，TT2 ，而且與工質的性質與關，與循環的種類無關。如果式中的溫度分別采用各自的放熱平均溫度和吸熱平均溫度則公式就是正確的， 即 t 1 2 ，不tT1過這種情況下也不能說是 “所有可逆循環的熱效率都相等” ，只能說所有可逆循 環的熱效率表達方式相同。6. 循環熱效率公式 t q1 q2 和 t T1 T2 是否完全相同？各適用于哪些場q1T1合？ 答：不完全相同。前者是循環熱效率的普遍表達，適用于任何循環；后者是卡 諾循環熱效率的表達，僅適用于卡諾循環，或同樣工作于溫度為 T1 的高溫熱源 和溫度為 T2 的低溫熱源間的一切可逆循環。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，當壓縮空氣過渡到與大氣相平衡時，過程中利用系統的作功能 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變化。 況且，作功過程中壓縮空氣的狀態并不依循環過程變化。8. 下述說法是否正確 :. 熵增大的過程