【正文】 . .. . ..第一章思考題1. 平衡狀態(tài)與穩(wěn)定狀態(tài)有何區(qū)別？熱力學(xué)中為什幺要引入平衡態(tài)的概念？答：平衡狀態(tài)是在不受外界影響的條件下，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。而穩(wěn)定狀態(tài)則是不論有無(wú)外界影響，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。可見平衡必穩(wěn)定，而穩(wěn)定未必平衡。熱力學(xué)中引入平衡態(tài)的概念，是為了能對(duì)系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)用狀態(tài)參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述。2. 表壓力或真空度能否作為狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行熱力計(jì)算？若工質(zhì)的壓力不變，問測(cè)量其壓力的壓力表或真空計(jì)的讀數(shù)是否可能變化？答：不能，因?yàn)楸韷毫蛘婵斩戎皇且粋€(gè)相對(duì)壓力。若工質(zhì)的壓力不變，測(cè)量其壓力的壓力表或真空計(jì)的讀數(shù)可能變化，因?yàn)闇y(cè)量所處的環(huán)境壓力可能發(fā)生變化。3． 當(dāng)真空表指示數(shù)值愈大時(shí)，表明被測(cè)對(duì)象的實(shí)際壓力愈大還是愈?。看穑赫婵毡碇甘緮?shù)值愈大時(shí)，表明被測(cè)對(duì)象的實(shí)際壓力愈小。4. 準(zhǔn)平衡過(guò)程與可逆過(guò)程有何區(qū)別？答：無(wú)耗散的準(zhǔn)平衡過(guò)程才是可逆過(guò)程，所以可逆過(guò)程一定是準(zhǔn)平衡過(guò)程，而準(zhǔn)平衡過(guò)程不一定是可逆過(guò)程。5. 不可逆過(guò)程是無(wú)法回復(fù)到初態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法是否正確？答：不正確。不可逆過(guò)程是指不論用任何曲折復(fù)雜的方法都不能在外界不遺留任何變化的情況下使系統(tǒng)回復(fù)到初態(tài)，并不是不能回復(fù)到初態(tài)。6. 沒有盛滿水的熱水瓶，其瓶塞有時(shí)被自動(dòng)頂開，有時(shí)被自動(dòng)吸緊，這是什幺原因？答：水溫較高時(shí)，水對(duì)熱水瓶中的空氣進(jìn)行加熱，空氣壓力升高，大于環(huán)境壓力，瓶塞被自動(dòng)頂開。而水溫較低時(shí)，熱水瓶中的空氣受冷，壓力降低，小于環(huán)境壓力，瓶塞被自動(dòng)吸緊。7. 用U形管壓力表測(cè)定工質(zhì)的壓力時(shí)，壓力表液柱直徑的大小對(duì)讀數(shù)有無(wú)影響？答：嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，是有影響的，因?yàn)閁型管越粗，就有越多的被測(cè)工質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型管中，這部分工質(zhì)越多，它對(duì)讀數(shù)的準(zhǔn)確性影響越大。習(xí) 題11 解：1. 2. 3. 4. 12 圖18表示常用的斜管式微壓計(jì)的工作原理。由于有引風(fēng)機(jī)的抽吸，鍋爐設(shè) 備的煙道中的壓力將略低于大氣壓力。如果微壓機(jī)的斜管傾斜角， 管內(nèi)水 解：根據(jù)微壓計(jì)原理，煙道中的壓力應(yīng)等于環(huán)境壓力和水柱壓力之差13 解：1－4 解：14 解：15 解：由于壓縮過(guò)程是定壓的，所以有16 解：改過(guò)程系統(tǒng)對(duì)外作的功為17 解：由于空氣壓力正比于氣球的直徑，所以可設(shè)，式中c為常數(shù)，D為氣球的直徑，由題中給定的初始條件，可以得到：該過(guò)程空氣對(duì)外所作的功為18 解：（1）氣體所作的功為：（2）摩擦力所消耗的功為：所以減去摩擦力消耗的功后活塞所作的功為：19 解：由于假設(shè)氣球的初始體積為零，則氣球在充氣過(guò)程中，內(nèi)外壓力始終保持相等，所以氣體對(duì)外所作的功為：111 解：確定為了將氣球充到2m3的體積，貯氣罐內(nèi)原有壓力至少應(yīng)為（此時(shí)貯氣罐的壓力等于氣球中的壓力，同時(shí)等于外界大氣壓）前兩種情況能使氣球充到2m3情況三:所以氣球只能被充到的大小，故氣體對(duì)外作的功為：第二章思考題絕熱剛性容器，中間用隔板分為兩部分，左邊盛有空氣，右邊為真空，抽掉隔板，空氣將充滿整個(gè)容器。問：⑴ 空氣的熱力學(xué)能如何變化？ ⑵ 空氣是否作出了功？ ⑶ 能否在坐標(biāo)圖上表示此過(guò)程？為什么？答：（1）空氣向真空的絕熱自由膨脹過(guò)程的熱力學(xué)能不變。 （2）空氣對(duì)外不做功。 （3）不能在坐標(biāo)圖上表示此過(guò)程，因?yàn)椴皇菧?zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。2. 下列說(shuō)法是否正確？ ⑴ 氣體膨脹時(shí)一定對(duì)外作功。錯(cuò)，比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹，對(duì)外不作功。 ⑵ 氣體被壓縮時(shí)一定消耗外功。對(duì)，因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)第二定律，氣體是不可能自壓縮的，要想壓縮體積，必須借助于外功。 ⑶ 氣體膨脹時(shí)必須對(duì)其加熱。 錯(cuò)，比如氣體向真空中的絕熱自由膨脹，不用對(duì)其加熱。 ⑷ 氣體邊膨脹邊放熱是可能的。對(duì)，比如多變過(guò)程，當(dāng)n大于k時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)邊膨脹邊放熱。 ⑸ 氣體邊被壓縮邊吸入熱量是不可能的。錯(cuò)，比如多變過(guò)程，當(dāng)n大于k時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)邊壓縮邊吸熱。 ⑹ 對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低，這種情況不可能。錯(cuò)，比如多變過(guò)程，當(dāng)n大于1，小于k時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)加熱，其溫度反而降低。4. “任何沒有體積變化的過(guò)程就一定不對(duì)外作功”的說(shuō)法是否正確？答：不正確，因?yàn)橥夤Φ暮x很廣，比如電磁功、表面張力功等等，如果只考慮體積功的話，那么沒有體積變化的過(guò)程就一定不對(duì)外作功。圖26 思考題4附圖5. 試比較圖26所示的過(guò)程12與過(guò)程1a2中下列各量的大?。孩?W12與W1a2； (2) DU12 與 DU1a2； (3) Q12與Q1a2答：（1）W1a2大。(2)一樣大。 （3）Q1a2大。6. 說(shuō)明下列各式的應(yīng)用條件： ⑴ 閉口系的一切過(guò)程 ⑵ 閉口系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程 ⑶ 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，并且軸功為零 ⑷ 開口系統(tǒng)的穩(wěn)定定壓流動(dòng)過(guò)程，并且軸功為零；或者閉口系統(tǒng)的定壓過(guò)程。7. 膨脹功、軸功、技術(shù)功、流動(dòng)功之間有何區(qū)別與聯(lián)系？流動(dòng)功的大小與過(guò)程特性有無(wú)關(guān)系？答：膨脹功是系統(tǒng)由于體積變化對(duì)外所作的功；軸功是指工質(zhì)流經(jīng)熱力設(shè)備（開口系統(tǒng)）時(shí)，熱力設(shè)備與外界交換的機(jī)械功，由于這個(gè)機(jī)械工通常是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸輸入、輸出，所以工程上習(xí)慣成為軸功；而技術(shù)功不僅包括軸功，還包括工質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能（宏觀動(dòng)能和勢(shì)能）的變化；流動(dòng)功又稱為推進(jìn)功，1kg工質(zhì)的流動(dòng)功等于其壓力和比容的乘積，它是工質(zhì)在流動(dòng)中向前方傳遞的功，只有在工質(zhì)的流動(dòng)過(guò)程中才出現(xiàn)。對(duì)于有工質(zhì)組成的簡(jiǎn)單可壓縮系統(tǒng)，工質(zhì)在穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中所作的膨脹功包括三部分，一部分消耗于維持工質(zhì)進(jìn)出開口系統(tǒng)時(shí)的流動(dòng)功的代數(shù)和，一部分用于增加工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和勢(shì)能，最后一部分是作為熱力設(shè)備的軸功。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)，工質(zhì)的技術(shù)功等于膨脹功與流動(dòng)功差值的代數(shù)和。如果工質(zhì)進(jìn)、出熱力設(shè)備的宏觀動(dòng)能和勢(shì)能變化很小，可忽略不計(jì)，則技術(shù)功等于軸功。習(xí) 題21 解： ，所以是壓縮過(guò)程22 解：23 解：2－4解：狀態(tài)b和狀態(tài)a之間的內(nèi)能之差為：所以，adb過(guò)程中工質(zhì)與外界交換的熱量為：工質(zhì)沿曲線從b返回初態(tài)a時(shí)，工質(zhì)與外界交換的熱量為：根據(jù)題中給定的a點(diǎn)內(nèi)能值，可知b點(diǎn)的內(nèi)能值為60kJ，所以有:由于db過(guò)程為定容過(guò)程，系統(tǒng)不對(duì)外作功，所以db過(guò)程與外界交換的熱量為：所以adb過(guò)程系統(tǒng)對(duì)外作的功也就是ad過(guò)程系統(tǒng)對(duì)外作的功，故ad過(guò)程系統(tǒng)與外界交換的熱量為：2－5過(guò)程Q kJW kJDU kJ12139001390230395395341000010004105525 解：由于汽化過(guò)程是定溫、定壓過(guò)程，系統(tǒng)焓的變化就等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量，即汽化潛熱，所以有：內(nèi)能的變化為：26 解：選取氣缸中的空氣作為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的初壓為：當(dāng)去掉一部分負(fù)載，系統(tǒng)重新達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，其終壓為：由于氣體通過(guò)氣缸壁可與外界充分換熱，所以系統(tǒng)的初溫和終溫相等，都等于環(huán)境溫度即：根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可得到系統(tǒng)的終態(tài)體積，為：所以活塞上升的距離為：由于理想氣體的內(nèi)能是溫度的函數(shù)，而系統(tǒng)初溫和終溫相同，故此過(guò)程中系統(tǒng)的內(nèi)能變化為零，同時(shí)此過(guò)程可看作定壓膨脹過(guò)程，所以氣體與外界交換的熱量為：28 解：壓縮過(guò)程中每千克空氣所作的壓縮功為：忽略氣體進(jìn)出口宏觀動(dòng)能和勢(shì)能的變化，則有軸功等于技術(shù)功，所以生產(chǎn)每kg壓縮空氣所需的軸功為：所以帶動(dòng)此壓氣機(jī)所需的功率至少為：29 解：是否要用外加取暖設(shè)備，要看室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量是否大于通過(guò)墻壁和門窗傳給外界的熱量，室內(nèi)熱源每小時(shí)產(chǎn)生的熱量為：小于通過(guò)墻壁和門窗傳給外界的熱量為3180。105 kJ，所以必須外加取暖設(shè)備，供熱量為：210 解：取容器內(nèi)的氣體作為研究的熱力學(xué)系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程可得到系統(tǒng)終態(tài)體積為：過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外所作的功為：所以過(guò)程中系統(tǒng)和外界交換的熱量為：為吸熱。211 解：此過(guò)程為開口系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，忽略進(jìn)出口工質(zhì)的宏觀動(dòng)能和勢(shì)能變化，則有：由穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程進(jìn)出口工質(zhì)的質(zhì)量守恒可得到：所以整個(gè)系統(tǒng)的能量平衡式為：故發(fā)電機(jī)的功率為：212 解：由于過(guò)程是穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程，氣體流過(guò)系統(tǒng)時(shí)重力位能的變化忽略不計(jì)，所以系統(tǒng)的能量平衡式為:其中，氣體在進(jìn)口處的比焓為：氣體在出口處的比焓為：氣體流過(guò)系統(tǒng)時(shí)對(duì)外作的軸功為：所以氣體流過(guò)系統(tǒng)時(shí)對(duì)外輸出的功率為：第三章思考題1. 理想氣體的和之差及和之比是否在任何溫度下都等于一個(gè)常數(shù)？答：理想氣體的和之差在任何溫度下都等于一個(gè)常數(shù)，而和之比不是。2. 如果比熱容是溫度t的單調(diào)增函數(shù)，當(dāng)時(shí)，平均比熱容、中哪一個(gè)最大？哪一個(gè)最??？答：由、的定義可知，其中，其中，其中因?yàn)楸葻崛菔菧囟萾的單調(diào)增函數(shù)，所以可知，又因?yàn)楣士芍畲?，又因?yàn)椋核宰钚　?. 如果某種工質(zhì)的狀態(tài)方程式遵循，這種物質(zhì)的比熱容一定是常數(shù)嗎？這種物質(zhì)的比熱容僅是溫度的函數(shù)嗎？答：不一定，比如理想氣體遵循此方程，但是比熱容不是常數(shù)，是溫度的單值函數(shù)。這種物質(zhì)的比熱容不一定僅是溫度的函數(shù)。由比熱容的定義，并考慮到工質(zhì)的物態(tài)方程可得到：由此可以看出，如果工質(zhì)的內(nèi)能不僅僅是溫度的函數(shù)時(shí)，則此工質(zhì)的比熱容也就不僅僅是溫度的函數(shù)了。4. 在圖上畫出定比熱容理想氣體的可逆定容加熱過(guò)程、可逆定壓加熱過(guò)程、可逆定溫加熱過(guò)程和可逆絕熱膨脹過(guò)程。答：圖中曲線1為可逆定容加熱過(guò)程；2為可逆定壓加熱過(guò)程；3為可逆定溫加熱過(guò)程；4為可逆絕熱膨脹過(guò)程。因?yàn)榭赡娑ㄈ菁訜徇^(guò)程容積v不變，過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)能增加，所以為曲線1，從下向上。可逆定壓加熱過(guò)程有：所以此過(guò)程為過(guò)原點(diǎn)的射線2，且向上。理想氣體的可逆定溫加熱過(guò)程有： 所以為曲線3，從左到右?？赡娼^熱膨脹過(guò)程有：所以為圖中的雙曲線4，且方向朝右（膨脹過(guò)程）。5. 將滿足空氣下列要求的多變過(guò)程表示在圖圖上 ⑴ 空氣升壓，升溫，又放熱； ⑵ 空氣膨脹，升溫，又放熱；( 此過(guò)程不可能) ⑶ 的膨脹過(guò)程，并判斷、的正負(fù)；⑷ 的壓縮過(guò)程，判斷、的正負(fù)。答：（1）空氣升溫、升壓、又放熱有：此多變過(guò)程如圖所示，在p－v圖上，此過(guò)程為沿著幾條曲線的交點(diǎn)A向上，即沿壓力和溫度增加的方向；在Ts圖上此過(guò)程為沿著幾條曲線的交點(diǎn)A向上。（2）空氣膨脹，升溫，又放熱有：此多變過(guò)程如圖所示，然而要想是過(guò)程同時(shí)滿足膨脹過(guò)程是不可能的。 （3）的膨脹過(guò)程，在p－v圖上，膨脹過(guò)程體積增大，過(guò)程從幾條曲線的交點(diǎn)A向下；在T－s圖上，過(guò)程從幾條曲線的交點(diǎn)A向下。此過(guò)程為放熱，對(duì)外做功，內(nèi)能減少。（4）的壓縮過(guò)程，在p－v圖上，壓縮過(guò)程體積減小，過(guò)程從幾條曲線的交點(diǎn)A向上；在T－s圖上，過(guò)程從幾條曲線的交點(diǎn)A向上。此過(guò)程為放熱，外界對(duì)空氣做功，內(nèi)能增加。6. 在圖上，如何將理想氣體任意兩狀態(tài)間的熱力學(xué)能和焓的變化表示出來(lái)。答：理想氣體的內(nèi)能和焓都是溫度的單值函數(shù)，因此在圖上，定內(nèi)能和定焓線為一條平行于T軸的直線，只要知道初態(tài)和終態(tài)的溫度，分別在圖上找到對(duì)應(yīng)溫度下的定內(nèi)能和定焓直線，就可以確定內(nèi)能和焓的變化值。7. 凡質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的組元?dú)怏w，其摩爾分?jǐn)?shù)是否也一定較大？試舉例說(shuō)明之。答：根據(jù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系，有：從上式可以看出，對(duì)成分一定的混合氣體，分母為常數(shù)，因此摩爾分?jǐn)?shù)取決于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和摩爾質(zhì)量的比值，對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的組元，如果摩爾質(zhì)量也很大，那么它的摩爾分?jǐn)?shù)可能并不大。8. 理想混合氣體的比熱力學(xué)能是否是溫度的單值函數(shù)？其是否仍遵循邁耶公式？答：不是。因?yàn)槔硐牖旌蠚怏w的比熱力學(xué)能為：其中xi是摩爾組分，而ui是溫度的單值函數(shù)，所以理想混合氣體的比熱力學(xué)能不僅是溫度的函數(shù)，還是成分的函數(shù)，或者說(shuō)對(duì)于成分固定的混合理想氣體，其內(nèi)能僅是溫度的單值函數(shù)。其仍遵循邁耶公式，因?yàn)椋?. 有人認(rèn)為由理想氣體組成的封閉系統(tǒng)吸熱后，其溫度必定增加，這是否完全正確？你認(rèn)為哪一種狀態(tài)參數(shù)必定增加？答：不正確，因?yàn)閷?duì)于成分固定的混合理想氣體，其內(nèi)能是僅是溫度的單值函數(shù)，如果在過(guò)程中吸熱的同時(shí)對(duì)外作正功，當(dāng)作的正功大于吸熱量，其內(nèi)能必然減少，溫度必然降低。只有熵值必定增加，因?yàn)楦鶕?jù)克勞休斯不等式有:其中等號(hào)適用于可逆過(guò)程，不等號(hào)適用于不可逆過(guò)程，對(duì)于不可逆過(guò)程，T為熱源的溫度，由于溫度T恒大于零，所以當(dāng)過(guò)程為吸熱過(guò)程（）時(shí)，系統(tǒng)的熵必然增加。10. 圖3－17所示的管段，在什么情況下適合作噴管？在什么情況下適合作擴(kuò)圖317 思考題11附圖壓管？答：當(dāng)時(shí)，要想使氣流的速度增加，要求噴管的