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1、工程热力学课后思考题答案第四版 沈维道 童钧耕 主编 高等教育出版社30页思考题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？不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。（P10第一段，“区分闭口系和开口系的关键是有没有质量越过边界，并不是系统的质量是不是发生变化，如果输入系统的质量和输出该系统的质量相等，那么，虽然系统内的质量没有改变，但系统是开口系”）2有人认为开口系统内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？不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界进行传递（传热量），随物质进出的热能（准确地说是
2、热力学能）不在其中。（绝热系是从系统与外界的热交换角度考察系统，没有原句）3平衡状态与稳定状态有何区别和联系？平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。（P16最后一段，只要系统的参数不随时间改变，即认为系统处于稳定状态，无需考虑参数保持不变时如何实现的，平衡状态必须是没有外力作用下实现参数保持不变）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，这是他们的本质区别。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
3、系统处于平衡状态之必要条件4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？绝对压力计算公式p2=pg2+p1pbpg2pg1p1=pg1+pb4题图p=pb+pg (p pb), p= pb -pv (p pb)中，当地大气压是否必定是环境大气压？当地大气压pb改变，压力表读数就会改变。当地大气压pb不一定是环境大气压。（压力表的读数pb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。pb 应是“当地环境介质”的压力，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？热力学第零定律The zeroth law o
4、f thermodynamics enables us to measure temperature. In order to measure temperature of body A, we compare body C a thermometer with body A and temperature scales (温度的标尺，简称温标) separately. When they are in thermal equilibrium, they have the same temperature. Then we can know the temperature of body A
5、with temperature scale marked on thermometer.（P12，“一、温度”第一段，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？不同测温物质的测温结果有较大的误差，因为测温结果依赖于测温物质的性质。（P13，第二段，“由选定的任意一种测量物质。”）7促使系统状态变化的原因是什么？举例说明。有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。（P19最后一段，“由于实际过程都是在有限的温差和压差作用下进行的，因而都是不平衡过程”只有这一句）或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分别
6、以图1-20所示的参加公路自行车赛的运动员、运动手枪中的压缩空气、杯子里的热水和正在运行的电视机为研究对象，说明这些是什么系统。参加公路自行车赛的运动员是开口系统、运动手枪中的压缩空气是闭口绝热系统、杯子里的热水是开口系统（闭口系统忽略蒸发时）、正在运行的电视机是闭口系统。（参照P9，第二节：闭口系统，开口系统，绝热系统定义）9题图a b冷水冷水热水传热传热热水电流9家用电热水器是利用电加热水的家用设备，通常其表面散热可忽略。取正在使用的家用电热水器为控制体（但不包括电加热器），这是什么系统？把电加热器包括在研究对象内，这是什么系统？什么情况下能构成孤立系统？不包括电加热器为开口（不绝热）系统
7、（a图）。包括电加热器则为开口绝热系统（b图）。将能量传递和质量传递（冷水源、热水汇、热源、电源等）全部包括在内，构成孤立系统。或者说，孤立系统把所有发生相互作用的部分均包括在内。（P11，参考图1-6，闭口系和闭口绝热系）10分析汽车动力系统（图1-21）与外界的质能交换情况。吸入空气，排出烟气，输出动力（机械能）以克服阻力，发动机水箱还要大量散热。不考虑燃烧时，燃料燃烧是热源，燃气工质吸热；系统包括燃烧时，油料发生减少。11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？pv1 a b 2经历一个不可逆过程后，系统可以恢复原来状态，它将导致外界发生变化
8、。包括系统和外界的整个大系统不能恢复原来状态。（P20倒数第二段“当完成了一过程之后。则这一过程叫可逆过程，不满足上述条件的过程为不可逆过程 ”下一段是解释“不平衡过程与不可逆过程”）12图1-22中容器为刚性绝热容器，分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板，（1）突然抽去隔板，气体（系统）是否作功？（2）设真空部分装有许多隔板，逐个抽去隔板，每抽一块板让气体先恢复平衡在抽下一块，则又如何？（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？（1）第一种情况如图1-1（a）,受刚性容器的约束，气体与外界无任何力的作用，气体不对外界作功（2）第二种情况如图1-1（b
9、）系统也与外界无力作用，不作功（3）第一种情况气体想真空自由膨胀过程，是不可逆过程，过程中气体不可能处于平衡状态，不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程，若隔板数量足够多，每当抽取一块隔板时，气体只做极微小的膨胀，可认为过程中气体始终处于一种无限接近平衡的状态中，及准静态平衡过程，可以在p-v图上表示出来13过程1a2是可逆过程，过程1b2是不可逆过程。有人说过程1a2对外作功大于过程1b2，你是否同意他的说法？为什么？不同意。过程1a2的作功量是确定的，而过程1b2的作功量不确定，因而无法比较。（P23，功的数值不仅决定于功的初态和终态，而且还和过程的中间途径有关。功是过程量，可逆
10、过程不包含任何耗散效应）14系统经历一可逆正向循环和其逆向可逆循环后，系统和外界有什么变化？若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统及外界有什么变化？系统经历一可逆正向循环和其逆向可逆循环后，系统和外界没有变化。若上述正向循环及逆向循环中有不可逆因素，则系统恢复原来状态，外界则留下了变化（外界的熵增加）。15工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出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，从总的结果来看活塞未改变其位置，不存在排斥大气的作用56页思考题1热力学能就是热量吗？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
11、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？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=Duw不能。基本能量方程式仅仅说明且充分说明功、热量和
12、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。隔板 A B图2-12 自由膨胀4一刚性容器，中间用绝热隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图2-12所示。若将隔板抽去，分析容器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如何变化？q=Duwq=0，Du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Du =0。5 热力学第一定律的能量方程式是否
13、可写成下列形式？为什么？q=Du+pvq2-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=Duwq=Dupdv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
14、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，wwtD(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
15、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DUCV=0、DHCV=0、DSCV=0?控制体的DUCV=0、DHCV=0、DSCV=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DUCV=0、DHCV=0、DSCV=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：dQ=dU+dWdQ=dH+dWtdQ=dH+mgdz+dWi上述三式中，W、Wt和Wi的相互关系是什么？答：都满足。 dW=d(pV)+ dWt= d(pV)+mgdz+dWidWt= +mgdz+dWi
