【正文】 《工程熱力學(xué)》思考題第1章 基本概念，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量將保持恒定，那么，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)嗎?答：否。當(dāng)一個(gè)控制質(zhì)量的質(zhì)量入流率與質(zhì)量出流率相等時(shí)（如穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流系統(tǒng)），系統(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量將保持恒定不變。，開口系統(tǒng)中系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換，而物質(zhì)又與能量不可分割，所以開口系不可能是絕熱系。這種觀點(diǎn)對(duì)不對(duì)，為什么?答：不對(duì)?！敖^熱系”指的是過程中與外界無熱量交換的系統(tǒng)。熱量是指過程中系統(tǒng)與外界間以熱的方式交換的能量，是過程量，過程一旦結(jié)束就無所謂“熱量”。物質(zhì)并不“擁有”熱量。一個(gè)系統(tǒng)能否絕熱與其邊界是否對(duì)物質(zhì)流開放無關(guān)。⒊平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系，平衡狀態(tài)與均勻狀態(tài)有何區(qū)別和聯(lián)系?答：“平衡狀態(tài)”與“穩(wěn)定狀態(tài)”的概念均指系統(tǒng)的狀態(tài)不隨時(shí)間而變化，這是它們的共同點(diǎn)；但平衡狀態(tài)要求的是在沒有外界作用下保持不變；而平衡狀態(tài)則一般指在外界作用下保持不變，這是它們的區(qū)別所在。⒋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(shù)會(huì)改變嗎？在絕對(duì)壓力計(jì)算公式中，當(dāng)?shù)卮髿鈮菏欠癖囟ㄊ黔h(huán)境大氣壓?答：可能會(huì)的。因?yàn)閴毫Ρ砩系淖x數(shù)為表壓力，是工質(zhì)真實(shí)壓力與環(huán)境介質(zhì)壓力之差。環(huán)境介質(zhì)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、高度和氣候條件不同而有所變化，因此，即使工質(zhì)的絕對(duì)壓力不變，表壓力和真空度仍有可能變化?！爱?dāng)?shù)卮髿鈮骸辈⒎蔷褪黔h(huán)境大氣壓。準(zhǔn)確地說，計(jì)算式中的Pb 應(yīng)是“當(dāng)?shù)丨h(huán)境介質(zhì)”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(huán)境大氣壓力”。⒌溫度計(jì)測溫的基本原理是什么?答：溫度計(jì)對(duì)溫度的測量建立在熱力學(xué)第零定律原理之上。它利用了“溫度是相互熱平衡的系統(tǒng)所具有的一種同一熱力性質(zhì)”，這一性質(zhì)就是“溫度”的概念。⒍經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的缺點(diǎn)是什么?為什么?答：由選定的任意一種測溫物質(zhì)的某種物理性質(zhì)，采用任意一種溫度標(biāo)定規(guī)則所得到的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。由于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)依賴于測溫物質(zhì)的性質(zhì)，當(dāng)選用不同測溫物質(zhì)制作溫度計(jì)、采用不同的物理性質(zhì)作為溫度的標(biāo)志來測量溫度時(shí)，除選定的基準(zhǔn)點(diǎn)外，在其它溫度上，不同的溫度計(jì)對(duì)同一溫度可能會(huì)給出不同測定值（盡管差值可能是微小的），因而任何一種經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)都不能作為度量溫度的標(biāo)準(zhǔn)。這便是經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)的根本缺點(diǎn)。⒎　促使系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因是什么?舉例說明。答：分兩種不同情況：⑴ 若系統(tǒng)原本不處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)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(gè)部分發(fā)生相互作用，系統(tǒng)的狀態(tài)將發(fā)生變化。例，將一塊燒熱了的鐵扔進(jìn)一盆水中，對(duì)于水和該鐵塊構(gòu)成的系統(tǒng)說來，由于水和鐵塊之間存在著溫度差別，起初系統(tǒng)處于熱不平衡的狀態(tài)。這種情況下，無需外界給予系統(tǒng)任何作用，系統(tǒng)也會(huì)因鐵塊對(duì)水放出熱量而發(fā)生狀態(tài)變化：鐵塊的溫度逐漸降低，水的溫度逐漸升高，最終系統(tǒng)從熱不平衡的狀態(tài)過渡到一種新的熱平衡狀態(tài)；⑵ 若系統(tǒng)原處于平衡狀態(tài)，則只有在外界的作用下（作功或傳熱）系統(tǒng)的狀態(tài)才會(huì)發(fā)生變。(a)(b)圖116 思考題8附圖⒏　圖116a、b所示容器為剛性容器：⑴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(tǒng))是否作功？⑵設(shè)真空部分裝有許多隔板，每抽去一塊隔板讓氣體先恢復(fù)平衡再抽去一塊，問氣體(系統(tǒng))是否作功？⑶上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài)，其過程是否都可在Pv圖上表示？　答：⑴；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(tǒng)）不對(duì)外界作功；⑵ b情況下系統(tǒng)也與外界無力的作用，因此系統(tǒng)不對(duì)外界作功； ⑶ 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(tài)，因此該過程不能在Pv圖上示出；b中的情況與a有所不同，若隔板數(shù)量足夠多，每當(dāng)抽去一塊隔板時(shí)，氣體只作極微小的膨脹，因而可認(rèn)為過程中氣體始終處在一種無限接近平衡的狀態(tài)中，即氣體經(jīng)歷的是一種準(zhǔn)靜過程，這種過程可以在Pv圖上用實(shí)線表示出來。，系統(tǒng)能否恢復(fù)原來狀態(tài)？包括系統(tǒng)和外界的整個(gè)系統(tǒng)能否恢復(fù)原來狀態(tài)？答：所謂過程不可逆，是指一并完成該過程的逆過程后，系統(tǒng)和它的外界不可能同時(shí)恢復(fù)到他們的原來狀態(tài)，并非簡單地指系統(tǒng)不可能回復(fù)到原態(tài)。同理，系統(tǒng)經(jīng)歷正、逆過程后恢復(fù)到了原態(tài)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(fā)生過相互作用的所有外界是否也全都回復(fù)到了原來的狀態(tài)，沒有遺留下任何變化。原則上說來經(jīng)歷一個(gè)不可逆過程后系統(tǒng)是可能恢復(fù)到原來狀態(tài)的，只是包括系統(tǒng)和外界在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)則一定不能恢復(fù)原來狀態(tài)。⒑系統(tǒng)經(jīng)歷一可逆正向循環(huán)及其逆向可逆循環(huán)后，系統(tǒng)和外界有什么變化？若上述正向及逆向循環(huán)中有不可逆因素，則系統(tǒng)及外界有什么變化？答：系統(tǒng)完成一個(gè)循環(huán)后接著又完成其逆向循環(huán)時(shí)，無論循環(huán)可逆與否，系統(tǒng)的狀態(tài)都不會(huì)有什么變化。根據(jù)可逆的概念，當(dāng)系統(tǒng)完成可逆過程（包括循環(huán)）后接著又完成其逆向過程時(shí)，與之發(fā)生相互作用的外界也應(yīng)一一回復(fù)到原來的狀態(tài)，不遺留下任何變化；若循環(huán)中存在著不可逆因素，系統(tǒng)完成的是不可逆循環(huán)時(shí)，雖然系統(tǒng)回復(fù)到原來狀態(tài)，但在外界一定會(huì)遺留下某種永遠(yuǎn)無法復(fù)原的變化。⒒工質(zhì)及氣缸、活塞組成的系統(tǒng)經(jīng)循環(huán)后，系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)，既然系統(tǒng)完成的是循環(huán)過程，從總的結(jié)果看來活塞并未改變其位置，實(shí)際上不存在排斥大氣的作用。第2章 熱力學(xué)第一定律1．熱力學(xué)能就是熱量嗎？答：不是。熱力學(xué)能是工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，是工質(zhì)的性質(zhì)，是工質(zhì)內(nèi)部儲(chǔ)存能量，是與狀態(tài)變化過程無關(guān)的物理量。熱量是工質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通過系統(tǒng)邊界傳遞的熱能，其大小與變化過程有關(guān)，熱量不是狀態(tài)參數(shù)。2．若在研究飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中工質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律時(shí)把參考坐標(biāo)建在飛機(jī)上，工質(zhì)的總能中是否包括外部儲(chǔ)存能？在以氫、氧為燃料的電池系統(tǒng)中系統(tǒng)的熱力學(xué)能是否應(yīng)包括氫和氧的化學(xué)能？答：無論參考坐標(biāo)建立在何處，工質(zhì)的總能中始終包括外部儲(chǔ)存能，只不過參考坐標(biāo)建立合適，工質(zhì)的宏觀動(dòng)能、宏觀勢能的值等于零，便于計(jì)算。氫氧燃料電池中化學(xué)能變化是主要的能量變化，因而不可忽略。3．能否由基本能量方程式得出功、熱量和熱力學(xué)能是相同性質(zhì)的參數(shù)的結(jié)論？q=Du＋w不能。基本能量方程式僅僅說明且充分說明功、熱量和熱力學(xué)能都是能量，都是能量存在的一種形式，在能量的數(shù)量上它們是有等價(jià)關(guān)系的。而不涉及功、熱量和熱力學(xué)能的其他屬性，也表明功、熱量和熱力學(xué)能的其他屬性與能量本質(zhì)無關(guān)。隔板 A B圖212 自由膨脹4．一剛性容器，中間用絕熱隔板分為兩部分，A中存有高壓空氣，B中保持真空，如圖212所示。若將隔板抽去，分析容器中空氣的熱力學(xué)能將如何變化？若在隔板上有一小孔，氣體泄漏入B中，分析A、B兩部分壓力相同時(shí)A、B兩部分氣體熱力學(xué)能如何變化？答：q=Du＋w ， q=0，Du為負(fù)值（u減少），轉(zhuǎn)化為氣體的動(dòng)能，動(dòng)能在B中經(jīng)內(nèi)部摩擦耗散為熱能被氣體重新吸收，熱力學(xué)能增加，最終Du =0。5． 熱力學(xué)第一定律的能量方程式是否可寫成下列形式？為什么？q=Du+pvq2q1=(u2u1)+(w2w1)不可以。w不可能等于pv，w是過程量，pv則是狀態(tài)參數(shù)。q和w都是過程量，所以不會(huì)有q2q1和w2w1。6． 熱力學(xué)第一定律解析式有時(shí)寫成下列兩者形式：q=Du＋w q=Du＋pdv分別討論上述兩式的適用范圍。前者適用于任意系統(tǒng)、任意工質(zhì)和任意過程。后者適用于任意系統(tǒng)、任意工質(zhì)和可逆過程。7．為什么推動(dòng)功出現(xiàn)在開口系能量方程中，而不出現(xiàn)在閉口系能量方程式中？推動(dòng)功的定義為，工質(zhì)在流動(dòng)時(shí)，推動(dòng)它下游工質(zhì)時(shí)所作的功。開口系工質(zhì)流動(dòng)，而閉口系工質(zhì)不流動(dòng)，所以推動(dòng)功出現(xiàn)在開口系能量方程中，而不出現(xiàn)在閉口系能量方程式中。我個(gè)人認(rèn)為推動(dòng)功應(yīng)該定義為由于工質(zhì)在一定狀態(tài)下占有一定空間所具有的能量，它是工質(zhì)本身所固有的性質(zhì)，是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)。推動(dòng)功既可以出現(xiàn)在開口系能量方程中，也可以出現(xiàn)在閉口系能量方程式中（需要把w拆開，w＝wt＋D(pv)）?！嘉荒?．焓是工質(zhì)流入（或流出）開口系時(shí)傳遞入（或傳遞出）系統(tǒng)的總能量，那么閉口系工質(zhì)有沒有焓值？比較正規(guī)的答案是，作為工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)，閉口系工質(zhì)也有焓值，但是由于工質(zhì)不流動(dòng)，所以其焓值沒有什么意義。焓=熱力學(xué)能+占位能9．氣體流入真空容器，是否需要推動(dòng)功？推動(dòng)功的定義為，工質(zhì)在流動(dòng)時(shí)，推動(dòng)它下游工質(zhì)時(shí)所作的功。下游無工質(zhì)，故不需要推動(dòng)功。利用開口系統(tǒng)的一般能量方程式推導(dǎo)的最終結(jié)果也是如此。10．穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式（221）是否可應(yīng)用于像活塞式壓氣機(jī)這樣的機(jī)械穩(wěn)定工況運(yùn)行的能量分析？為什么？可以。熱力系統(tǒng)的選取有很大的自由度。一般把活塞式壓氣機(jī)取為閉口系統(tǒng)，是考察其一個(gè)沖程內(nèi)的熱力變化過程。如果考慮一段時(shí)間內(nèi)活塞式壓氣機(jī)的工作狀況和能量轉(zhuǎn)換情況，就需要把它當(dāng)成穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)處理，包括進(jìn)排氣都認(rèn)為是連續(xù)的。11．為什么穩(wěn)定流動(dòng)開口系內(nèi)不同部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能、比焓、比熵等都會(huì)改變，而整個(gè)系統(tǒng)的DUCV=0、DHCV=0、DSCV=0?控制體的DUCV=0、DHCV=0、DSCV=0是指過程進(jìn)行時(shí)間前后的變化值，穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)在不同時(shí)間內(nèi)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)都不發(fā)生變化，所以DUCV=0、DHCV=0、DSCV=0。穩(wěn)定流動(dòng)開口系內(nèi)不同部分工質(zhì)的比熱力學(xué)能、比焓、比熵等的改變僅僅是依坐標(biāo)的改變。12．開口系實(shí)施穩(wěn)定流動(dòng)過程，是否同時(shí)滿足下列三式：dQ=dU+dW dQ=dH+dWt dQ=dH++mgdz+dWi上述三式中，W、Wt和Wi的相互關(guān)系是什么？答：都滿足。 dW=d(pV)+ dWt= d(pV)++mgdz+dWidWt= +mgdz+dWiqm1 1 p1, T1 3 1 qm3 p3, T3 2 3 qm2 p2, T2 2圖213 合流13. 幾股流體匯合成一股流體稱為合流，如圖213所示。工程上幾臺(tái)壓氣機(jī)同時(shí)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122和33截面之間的空間為控制體積，列出能量方程式并導(dǎo)出出口截面上焓值h3的計(jì)算式。答：進(jìn)入系統(tǒng)的能量–離開系統(tǒng)的能量=系統(tǒng)貯存能量的變化系統(tǒng)貯存能量的變化：不變。進(jìn)入系統(tǒng)的能量：qm1帶入的和qm2帶入的。沒有熱量輸入。qm1（h1+cf12/2+gz1）+ qm2（h2+cf22/2+gz2）離開系統(tǒng)的能量：qm3帶出的，沒有機(jī)械能（軸功）輸出。qm3（h3+cf32/2+gz3）qm3 3 p3, T3 1 3 qm1 p1, T1 2 1 qm2 p2, T2 2圖214 分流如果合流前后流速變化不太大，且勢能變化一般可以忽略，則能量方程為：qm1h1+qm2h2=qm3h3出口截面上焓值h3的計(jì)算式h3=（qm1h1+qm2h2）/ qm3本題中，如果流體反向流動(dòng)就是分流問題，分流與合流問題的能量方程式是一樣的，一般習(xí)慣前后反過來寫。qm1h1 =qm2h2+qm3h3第3章 氣體和蒸汽的性質(zhì)1．怎樣正確看待“理想氣體”這個(gè)概念？在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)如何決定是否可采用理想氣體的一些公式？第一個(gè)問題很含混，關(guān)于“理想氣體”可以說很多?？梢哉f理想氣體的定義：理想氣體，是一種假想的實(shí)際上不存在的氣體，其分子是一些彈性的、不占體積的質(zhì)點(diǎn)，分子間無相互作用力。也可以說，理想氣體是實(shí)際氣體的壓力趨近于零時(shí)極限狀況。還可以討論什么情況下，把氣體按照理想氣體處理，這已經(jīng)是后一個(gè)問題了。后一個(gè)問題，當(dāng)氣體距離液態(tài)比較遠(yuǎn)時(shí)（此時(shí)分子間的距離相對(duì)于分子的大小非常大），氣體的性質(zhì)與理想氣體相去不遠(yuǎn)，可以當(dāng)作理想氣體。理想氣體是實(shí)際氣體在低壓高溫時(shí)的抽象。2．氣體的摩爾體積Vm是否因氣體的種類而異？是否因所處狀態(tài)不同而異？？氣體的摩爾體積Vm不因氣體的種類而異。所處狀態(tài)發(fā)生變化，氣體的摩爾體積也隨之發(fā)生變化。任何氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（p=101325Pa，T=）。在其它狀態(tài)下，摩爾體積將發(fā)生變化。3．摩爾氣體常數(shù)R值是否隨氣體的種類而不同或狀態(tài)不同而異？摩爾氣體常數(shù)R是基本物理常數(shù)，它與氣體的種類、狀態(tài)等均無關(guān)。4．如果某種工質(zhì)的狀態(tài)方程式為pv=RgT，這種工質(zhì)的比熱容、熱力學(xué)能、焓都僅僅是溫度的函數(shù)嗎？是的。5．對(duì)于確定的一種理想氣體，cp–cv是否等于定值？cp/cv是否為定值？cp–cv、cp/cv是否隨溫度變化？cp–cv=Rg，等于定值，不隨溫度變化。cp/cv不是定值，將隨溫度發(fā)生變化。6．邁耶公式cp–cv=Rg是否適用于動(dòng)力工程中應(yīng)用的高壓水蒸氣？是否適用于地球大氣中的水蒸氣？不適用于前者，一定條件下近似地適用于后者。7．氣體有兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，u（或h）可以表示為p和v的函數(shù)，即u=f(p, v)。但又曾得出結(jié)論，理想氣體的熱力學(xué)能（或焓）只取決于溫度，這兩點(diǎn)是否矛盾？為什么？不矛盾。pv=RgT。熱力學(xué)能（或焓）與溫度已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，他們都可以表示為獨(dú)立參數(shù)p和v的函數(shù)。8．為什么工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)可以任選，所有情況下工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)都可以任選？理想氣體的熱力學(xué)能或焓的參照狀態(tài)通常選定哪個(gè)或哪些個(gè)狀態(tài)參數(shù)值？對(duì)理想氣體的熵又如何？我們經(jīng)常關(guān)注的是工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵的變化量，熱力學(xué)能、焓和熵的絕對(duì)量對(duì)變化量沒有影響，所以可以任選工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)。所有情況下工質(zhì)的熱力學(xué)能、焓和熵為零的基準(zhǔn)都可以任選？不那么絕對(duì)，但是在工程熱力學(xué)