《工程热力学》课程教学资源（例题讲解）第1章 基本概念

工程热力学例题与习题第1章基本概念1.1本章基本要求深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特点。1.2本章难点1.热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以及它们之间的相互关系。2.引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条件。3.系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选取不当将不便于分析。选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相互作用以及系统本身能量的变化,否则很难获得正确的结论。4.稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态时状态参数虽然不随时间改变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。平衡必稳定，稳定未必平衡。5.注意状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。1.3例题例1：绝热刚性容器内的气体通过阀门向气缸充气。开始时气缸内没有气体如图11所示。气缸充气后气体推动气缸内的活塞向上移动如图1.2所示。设管道阀门以及气缸均可认为是绝热的。若分别选取开口系统与闭口系统试说明它们的边界应该如何划定?这些系统与外界交换的功量与热量又如何？解：（1)若以容器内原有的气体作为分析对象，属于闭口系统。容器放气前，边界如图1.1中的虚线所示。放气后边界如图1.2中的虚线所示。气-1-

工程热力学例题与习题 —1— 1 1．1 本章基本要求 深刻理解热力系统、外界、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、 热力循环的概念，掌握温度、压力、比容的物理意义，掌握状态参数的特 点。 1．2 本章难点 1．热力系统概念，它与环境的相互作用，三种分类方法及其特点，以 及它们之间的相互关系。 2．引入准静态过程和可逆过程的必要性，以及它们在实际应用时的条 件。 3．系统的选择取决于研究目的与任务，随边界而定，具有随意性。选 取不当将不便于分析。选定系统后需要精心确定系统与外界之间的各种相 互作用以及系统本身能量的变化,否则很难获得正确的结论。 4．稳定状态与平衡状态的区分：稳定状态时状态参数虽然不随时间改 变，但是靠外界影响来的。平衡状态是系统不受外界影响时，参数不随时 间变化的状态。二者既有所区别，又有联系。平衡必稳定,稳定未必平衡。 5．注意状态参数的特性及状态参数与过程参数的区别。 1．3 例题 例 1：绝热刚性容器内的气体通过阀门向气缸充气。开始时气缸内没 有气体,如图 1.1 所示。气缸充气后,气体推动气缸内的活塞向上移动,如图 1.2 所示。设管道阀门以及气缸均可认为是绝热的。若分别选取开口系统与 闭口系统,试说明它们的边界应该如何划定?这些系统与外界交换的功量与 热量又如何? 解：(1)若以容器内原有的气体作为分析对象，属于闭口系统。容器放 气前，边界如图 1.1 中的虚线所示。放气后边界如图 1.2 中的虚线所示。气

工程热力学例题与习题体对活塞作的功W是闭口系统与外界交换的功量。气体通过活塞与外界交换的热量Q是此闭口系统的传热量。图1.1图1.2图1.3图1.4（2）若以容器放气后残留在容器内的气体作为分析对象，同样也是闭口系统。这时放气前的边界如图1.3中的虚线所示。放气后的边界如图1.4的虚线表示。残留气体对离开容器的那部分放逸气体所作的功，是本闭口系统与外界交换的功，残留气体与放逸气体之间交换的热量是本系统的传热量。（3）类似地若以放逸气体为分析对象，同样也是闭口系统。其边界将如图1.3和图1.4中的点划线所示。此闭口系统与外界交换的功量除了与残留气体之间的功量（大小与第二种情况的相同，方向相反）外，还应包括对活塞所作的功。同样，除了与残留气体之间的传热量（大小与第二种情况

工程热力学例题与习题 —2— 体对活塞作的功 W 是闭口系统与外界交换的功量。气体通过活塞与外界交 换的热量 Q 是此闭口系统的传热量。 图1.1 图1.2 图1.3 图1.4 （2）若以容器放气后残留在容器内的气体作为分析对象，同样也是闭 口系统。这时放气前的边界如图 1.3 中的虚线所示。放气后的边界如图 1.4 的虚线表示。残留气体对离开容器的那部分放逸气体所作的功，是本闭口 系统与外界交换的功，残留气体与放逸气体之间交换的热量是本系统的传 热量。 （3） 类似地若以放逸气体为分析对象，同样也是闭口系统。其边界 将如图 1.3 和图 1.4 中的点划线所示。此闭口系统与外界交换的功量除了与 残留气体之间的功量(大小与第二种情况的相同，方向相反)外，还应包括 对活塞所作的功。同样，除了与残留气体之间的传热量(大小与第二种情况

工程热力学例题与习题的相同，方向相反）外，还应包括通过活塞与外界交换的热量。（4）若以容器或气缸为分析对象，则均属开口系统，容器的壁面或气缸与活塞的壁面为其边界。前者以对放逸气体作出的流动功与传热量为系统与外界交换的功量与热量，后者以对活塞及管道内气体的功量与热量头为系统与外界交换的功量与热量。例2：温度为100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的0℃的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热过程是否可逆？解：此热力过程为准静态过程，因为此热力过程的弛豫时间很短，热源非常缓慢地把热量加给冰水混合物，则冰水混合物重建热力平衡的时间远远小手传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏，所以可以近似地把此热力过程看作是准静态过程。分析此热力过程，取为系统的冰水混合物和作为外界的热源之间存在有温差，100℃的高质能通过传热过程转换为0℃的低质能，有能量的耗散，所以此热力过程不能被假设为可逆过程。例3：表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力：因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。例4：一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混合物，它们的温度与压力分别相等，不随时间变汽鞋化。试问汽水混合物是否已处于平衡态？汽水混合物的各种参数量是否到处均匀？解：如图1.5所示的刚性绝热容器内，水和水1水蒸气的压力相同，温度相等，均不随时间变化，T-3—图1.5

工程热力学例题与习题 —3— 图 1.5 的相同，方向相反)外，还应包括通过活塞与外界交换的热量。 （4）若以容器或气缸为分析对象，则均属开口系统，容器的壁面或气 缸与活塞的壁面为其边界。前者以对放逸气体作出的流动功与传热量为系 统与外界交换的功量与热量，后者以对活塞及管道内气体的功量与热量为 系统与外界交换的功量与热量。 例 2：温度为 100℃的热源，非常缓慢地把热量加给处于平衡状态下的 0℃的冰水混合物，试问：1、冰水混合物经历的是准静态过程吗？2、加热 过程是否可逆？ 解：此热力过程为准静态过程，因为此热力过程的弛豫时间很短，热 源非常缓慢地把热量加给冰水混合物，则冰水混合物重建热力平衡的时间 远远小于传热过程对冰水混合物平衡状态的破坏，所以可以近似地把此热 力过程看作是准静态过程。分析此热力过程，取为系统的冰水混合物和作 为外界的热源之间存在有温差，100℃的高质能通过传热过程转换为 0℃的 低质能，有能量的耗散，所以此热力过程不能被假设为可逆过程。 例 3:表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变 化，测量它的压力表或真空表的读数是否会变化？ 解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都 是工质的绝对压力与大气压力的相对值，因此不能作为工质的压力；因为 测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大 气压力改变时也会引起压力表或真空表读数的变化。 例 4：一刚性绝热容器内充有水和水蒸气混 合物，它们的温度与压力分别相等，不随时间变 化。试问汽水混合物是否已处于平衡态？汽水混 合物的各种参数量是否到处均匀？ 解：如图 1.5 所示的刚性绝热容器内，水和 水蒸气的压力相同，温度相等，均不随时间变化， 汽 水 p t Tp

工程热力学例题与习题而且不受外界的影响，因此该汽水混合物已处于平衡态。处于平衡态的汽水的混合物中，汽相与液相的密度显然不同。因此即使处于平衡态的系统内部，各种参数并不一定均匀。说明：系统内部各种参数均匀的必定平衡；反之平衡时未必各种参数都是均匀，即均匀必平衡，平衡未必均匀。1.4思考及练习题1.名词解释闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统、热力平衡状态、准静态过程、可逆过程、热力循环2．判断下列过程是否为可逆过程：1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。2)对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从50℃升温到100℃4）定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩5)100℃的蒸汽流与25℃的水流绝热混合。6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。7)高压气体突然膨胀至低压。8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。9气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。3.试判断下列叙述是否正确说明理由。1)平衡态是系统的热力状态参数不随时间变化的状态。2）不可递的热力过程是指工质递过程无法恢复到初始状态的过程。3)由于准静态过程都是微小偏离平衡态的过程，故从本质上说属于可逆过程。4)工质发生热量交换，状态参数中只有一个参数必然要发生变化，这个参数就是温度。5)任何可逆过程都是准静态过程。6)封闭系统是指系统内的工质不发生宏观位移的那些系统。-4-

工程热力学例题与习题 —4— 而且不受外界的影响，因此该汽水混合物已处于平衡态。 处于平衡态的汽水的混合物中，汽相与液相的密度显然不同。因此即 使处于平衡态的系统内部，各种参数并不一定均匀。 说明：系统内部各种参数均匀的必定平衡；反之平衡时未必各种参数 都是均匀，即均匀必平衡，平衡未必均匀。 1.4 思考及练习题 1．名词解释 闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统、热力平衡状态、准静态 过程、可逆过程、热力循环 2．判断下列过程是否为可逆过程： 1)对刚性容器内的水加热使其在恒温下蒸发。 2)对刚性容器内的水作功使其在恒温下蒸发。 3)对刚性容器中的空气缓慢加热使其从 50℃升温到 100℃ 4)定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩 5)100℃的蒸汽流与 25℃的水流绝热混合。 6)锅炉中的水蒸汽定压发生过程（温度、压力保持不变）。 7)高压气体突然膨胀至低压。 8)摩托车发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀。 9)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使之蒸发。 3．试判断下列叙述是否正确,说明理由。 1)平衡态是系统的热力状态参数不随时间变化的状态。 2)不可逆的热力过程是指工质逆过程无法恢复到初始状态的过程。 3)由于准静态过程都是微小偏离平衡态的过程，故从本质上说属于可 逆过程。 4)工质发生热量交换,状态参数中只有一个参数必然要发生变化,这个 参数就是温度。 5)任何可逆过程都是准静态过程。 6)封闭系统是指系统内的工质不发生宏观位移的那些系统

工程热力学例题与习题4：有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程。这种说法对吗？5.铁棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，经过一段时间，铁棒各点温度保持恒定，试问，铁棒是否处于平衡状态？6.知道两个参数就可以确定气体的状态，从而可决定其它参数，例如，已知压力和比容就可确定内能和烩，但理想气体的内能和烩只决定于温度，与压力、比容无关，前后是否矛盾，如何理解？7.表述状态参数的特性。8.某容器中气体压力估计在3MPa左右，现只有两只最大刻度为2MPa的压力表。试问，能否用来测定容器中气体的压力？9.容器自压缩空气总管充气（如图1.6），若要分析充气前后容器中气体状态的变化情况，首先要选取系统。（a）按开口系统考虑如何选取系统？（b）按闭口系统考虑如何选取系统？（c）什么情况下可抽象为绝热充气过程？（d）能否抽象为抓立系统？容器10.平衡状态有什么特征？平衡状态是否是均匀状态？图1.611.平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？12外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统是否一定处于平衡态？-5-

工程热力学例题与习题 —5— 容 器 图 1.6 4．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程。这种说法对吗？ 5．铁棒一端浸入冰水混合物中，另一端浸入沸水中，经过一段时间，铁棒 各点温度保持恒定，试问，铁棒是否处于平衡状态？ 6．知道两个参数就可以确定气体的状态，从而可决定其它参数，例如，已 知压力和比容就可确定内能和焓，但理想气体的内能和焓只决定于温度， 与压力、比容无关，前后是否矛盾，如何理解？ 7．表述状态参数的特性。 8．某容器中气体压力估计在 3MPa 左右，现只有两只最大刻度为 2MPa 的 压力表。试问，能否用来测定容器中气体的压力？ 9．容器自压缩空气总管充气（如图 1.6），若要分析充气前后容器中气体 状态的变化情况，首先要选取系统。 （a）按开口系统考虑如何选取系统？ （b）按闭口系统考虑如何选取系统？ （c）什么情况下可抽象为绝热充气过程？ （d）能否抽象为孤立系统？ 10．平衡状态有什么特征？平衡状态是否是均匀状态？ 11．平衡态与稳态（稳态即系统内各点的状态参数均不 随时间而变）有何异同？热力学中讨论平衡态有什么意义？ 12．外界条件变化时系统有无达到平衡的可能？在外界条件不变时，系统 是否一定处于平衡态？