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1、第二章思考题绝热刚 性容器，中间用隔板分为两部分，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问： 空气的热力学能如何变化？ 空气是否作出了功？ 能否在坐标图上表示此过程？为什么？答：（1）空气向真空的绝热自由膨胀过程的热力学能不变。 （2）空气对外不做功。 （3）不能在坐标图上表示此过程，因为不是准静态过程。2. 下列说法是否正确？ 气体膨胀时一定对外作功。错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。 气体被压缩时一定消耗外功。对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。 气体膨胀时必须对其加热。 错，比如气体向真空中的绝热自由膨胀，不用对
2、其加热。 气体边膨胀边放热是可能的。对，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边膨胀边放热。 气体边被压缩边吸入热量是不可能的。错，比如多变过程，当n大于k时，可以实现边压缩边吸热。 对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。错，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，其温度反而降低。4. “任何没有体积变化的过程就一定不对外作功”的说法是否正确？答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张力功等等，如果只考虑体积功的话，那么没有体积变化的过程就一定不对外作功。图2-6 思考题4附图5. 试比较图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各量的大小： W12与W1a2；
3、(2) DU12 与 DU1a2； (3) Q12与Q1a2答：（1）W1a2大。(2)一样大。 （3）Q1a2大。6. 说明下列各式的应用条件： 闭口系的一切过程 闭口系统的准静态过程 开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零 开口系统的稳定定压流动过程，并且轴功为零；或者闭口系统的定压过程。7. 膨胀功、轴功、技术功、流动功之间有何区别与联系？流动功的大小与过程特性有无关系？答：膨胀功是系统由于体积变化对外所作的功；轴功是指工质流经热力设备（开口系统）时，热力设备与外界交换的机械功，由于这个机械功通常是通过转动的轴输入、输出，所以工程上习惯成为轴功；而技术功不仅包括轴功，还包括工质在流动过程中
4、机械能（宏观动能和势能）的变化；流动功又称为推进功，1kg工质的流动功等于其压力和比容的乘积，它是工质在流动中向前方传递的功，只有在工质的流动过程中才出现。对于有工质组成的简单可压缩系统，工质在稳定流动过程中所作的膨胀功包括三部分，一部分消耗于维持工质进出开口系统时的流动功的代数和，一部分用于增加工质的宏观动能和势能，最后一部分是作为热力设备的轴功。对于稳定流动，工质的技术功等于膨胀功与流动功差值的代数和。如果工质进、出热力设备的宏观动能和势能变化很小，可忽略不计，则技术功等于轴功。习 题2-1 解： ，所以是压缩过程2-2 解：2-3 解：24解：状态b和状态a之间的内能之差为：所以，a-d
5、-b过程中工质与外界交换的热量为：工质沿曲线从b返回初态a时，工质与外界交换的热量为：根据题中给定的a点内能值，可知b点的内能值为60kJ，所以有:由于d-b过程为定容过程，系统不对外作功，所以d-b过程与外界交换的热量为：所以a-d-b过程系统对外作的功也就是a-d过程系统对外作的功，故a-d过程系统与外界交换的热量为：25过程Q kJW kJDU kJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-552-5 解：由于汽化过程是定温、定压过程，系统焓的变化就等于系统从外界吸收的热量，即汽化潜热，所以有：内能的变化为：2-6 解：选取气缸中的空气作为研究的
6、热力学系统，系统的初压为：当去掉一部分负载，系统重新达到平衡状态时，其终压为：由于气体通过气缸壁可与外界充分换热，所以系统的初温和终温相等，都等于环境温度即：根据理想气体的状态方程可得到系统的终态体积，为：所以活塞上升的距离为：由于理想气体的内能是温度的函数，而系统初温和终温相同，故此过程中系统的内能变化为零，同时此过程可看作定压膨胀过程，所以气体与外界交换的热量为：2-8 解：压缩过程中每千克空气所作的压缩功为：忽略气体进出口宏观动能和势能的变化，则有轴功等于技术功，所以生产每kg压缩空气所需的轴功为：所以带动此压气机所需的功率至少为：2-9 解：是否要用外加取暖设备，要看室内热源产生的热量
7、是否大于通过墙壁和门窗传给外界的热量，室内热源每小时产生的热量为：小于通过墙壁和门窗传给外界的热量为3105 kJ，所以必须外加取暖设备，供热量为：2-10 解：取容器内的气体作为研究的热力学系统，根据系统的状态方程可得到系统终态体积为：过程中系统对外所作的功为：所以过程中系统和外界交换的热量为：为吸热。2-11 解：此过程为开口系统的稳定流动过程，忽略进出口工质的宏观动能和势能变化，则有：由稳定流动过程进出口工质的质量守恒可得到：所以整个系统的能量平衡式为：故发电机的功率为：2-12 解：由于过程是稳定流动过程，气体流过系统时重力位能的变化忽略不计，所以系统的能量平衡式为:其中，气体在进口处
8、的比焓为：气体在出口处的比焓为：气体流过系统时对外作的轴功为：所以气体流过系统时对外输出的功率为：第三章思考题1. 理想气体的和之差及和之比是否在任何温度下都等于一个常数？答：理想气体的和之差在任何温度下都等于一个常数，而和之比不是。2. 如果比热容是温度t的单调增函数，当时，平均比热容、中哪一个最大？哪一个最小？答：由、的定义可知，其中，其中，其中因为比热容是温度t的单调增函数，所以可知，又因为故可知最大，又因为：所以最小。3. 如果某种工质的状态方程式遵循，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅是温度的函数吗？答：不一定，比如理想气体遵循此方程，但是比热容不是常数，是温度的单值函
9、数。这种物质的比热容不一定仅是温度的函数。由比热容的定义，并考虑到工质的物态方程可得到：由此可以看出，如果工质的内能不仅仅是温度的函数时，则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。4. 在图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程、可逆定压加热过程、可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。答：图中曲线1为可逆定容加热过程；2为可逆定压加热过程；3为可逆定温加热过程；4为可逆绝热膨胀过程。因为可逆定容加热过程容积v不变，过程中系统内能增加，所以为曲线1，从下向上。可逆定压加热过程有：所以此过程为过原点的射线2，且向上。理想气体的可逆定温加热过程有： 所以为曲线3，从左到右。可逆绝热膨胀过程有：所以为
10、图中的双曲线4，且方向朝右（膨胀过程）。5. 将满足空气下列要求的多变过程表示在图图上 空气升压，升温，又放热； 空气膨胀，升温，又放热；(此过程不可能) 的膨胀过程，并判断、的正负； 的压缩过程，判断、的正负。答：（1）空气升温、升压、又放热有：此多变过程如图所示，在pv图上，此过程为沿着几条曲线的交点A向上，即沿压力和温度增加的方向；在T-s图上此过程为沿着几条曲线的交点A向上。（2）空气膨胀，升温，又放热有：此多变过程如图所示，然而要想是过程同时满足膨胀过程是不可能的。 （3）的膨胀过程，在pv图上，膨胀过程体积增大，过程从几条曲线的交点A向下；在Ts图上，过程从几条曲线的交点A向下。此
11、过程为放热，对外做功，内能减少。（4）的压缩过程，在pv图上，压缩过程体积减小，过程从几条曲线的交点A向上；在Ts图上，过程从几条曲线的交点A向上。此过程为放热，外界对空气做功，内能增加。6. 在图上，如何将理想气体任意两状态间的热力学能和焓的变化表示出来。答：理想气体的内能和焓都是温度的单值函数，因此在图上，定内能和定焓线为一条平行于T轴的直线，只要知道初态和终态的温度，分别在图上找到对应温度下的定内能和定焓直线，就可以确定内能和焓的变化值。7. 凡质量分数较大的组元气体，其摩尔分数是否也一定较大？试举例说明之。答：根据质量分数和摩尔分数的关系，有：从上式可以看出，对成分一定的混合气体，分母
12、为常数，因此摩尔分数取决于其质量分数和摩尔质量的比值，对于质量分数较大的组元，如果摩尔质量也很大，那么它的摩尔分数可能并不大。8. 理想混合气体的比热力学能是否是温度的单值函数？其是否仍遵循迈耶公式？答：不是。因为理想混合气体的比热力学能为：其中xi是摩尔组分，而ui是温度的单值函数，所以理想混合气体的比热力学能不仅是温度的函数，还是成分的函数，或者说对于成分固定的混合理想气体，其内能仅是温度的单值函数。其仍遵循迈耶公式，因为：9. 有人认为由理想气体组成的封闭系统吸热后，其温度必定增加，这是否完全正确？你认为哪一种状态参数必定增加？答：不正确，因为对于成分固定的混合理想气体，其内能是仅是温度
13、的单值函数，如果在过程中吸热的同时对外作正功，当作的正功大于吸热量，其内能必然减少，温度必然降低。只有熵值必定增加，因为根据克劳休斯不等式有:其中等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程，对于不可逆过程，T为热源的温度，由于温度T恒大于零，所以当过程为吸热过程（）时，系统的熵必然增加。10. 图317所示的管段，在什么情况下适合作喷管？在什么情况下适合作扩图3-17 思考题11附图压管？答：当时，要想使气流的速度增加，要求喷管的截面积沿气流方向逐渐减小，即渐缩喷管；而当时，要想使气流的速度增加，要求喷管的截面积沿气流方向逐渐增加，即渐扩喷；而对于先缩后扩的缩放喷管（也称拉戈尔喷管），在最小截
14、面处气流的流速恰好等于当地声速。所以对于亚声速气流，渐缩管适用于做喷管，渐扩管适用于做扩压管，缩放管适用于做喷管；对于超声速气流，渐缩管适用于做扩压管，渐扩管适用于做喷管。习 题3-1 解：设定熵压缩过程的终态参数为，而定温压缩过程的终态参数为,根据给定的条件可知：又因为两个终态的熵差为，固有：所以有：对于定熵压缩过程有：所以：3-2 解：设气体的初态参数为，阀门开启时气体的参数为，阀门重新关闭时气体的参数为，考虑到刚性容器有：，且。当阀门开启时，贮气筒内压力达到Pa，所以此时筒内温度和气体质量分别为：阀门重新关闭时，筒内气体压力降为 Pa，且筒内空气温度在排气过程中保持不变，所以此时筒内气体质量为：所以，因加热失掉的空气质量为：3-3 解：气体可以看作是理想气体，理想气体的内能是温度的单值函数，选取绝热气缸内的两部分气体共同作为热力学系统，在过程中，由于气缸绝热，系统和外界没有热量交换，同时气缸是刚性的，系统对外作功为零，故过程中系统的内能不变，而系统的初温为30，所以平衡时系统的温度仍为30。设气缸一侧气体的初始参数为，终态参数为，另一侧气体的初始参数为，终态参数为，重新平衡时整个系统的总体积不变，所以先要求出气缸的总体积。终态时，两侧的压力相同，即，对两
