2020年工程热力学考点归纳与典型题(含考研真题)详解
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1.2 典型题(含考研真题)详解

一、选择题

1.准静态过程是(  )。[南京航空航天大学2008研]

A.平衡过程    

B.可逆过程 

C.不可逆过程 

D.无限接近平衡的过程

【答案】D

2.若已知工质的表压力,环境压力。则工质的绝对压力为(  )[宁波大学2008研]

A.0.03Mpa  

B.0.17Mpa  

C.0.07MPa 

D.0.1MPa

【答案】B

【解析】工质的绝对压力=环境压力+表压力,故答案选择0.17MPa。

3.下列系统中与外界不发生能量交换的系统是(   )。[南京航空航天大学2008研]

A.绝热系统

B.孤立系统

C.闭口系统 

D.A+B

【答案】B

【解析】绝热系可以发生质量交换,闭口系可以发生热量交换,而孤立系与外界既不发生质量交换,也不发生能量交换。

4.开口系统的质量是(  )。[南京航空航天大学2008研]

A.不变的 

B.变化的 

C.B或A

D.在理想过程中是不变的

【答案】C

【解析】开口系是指与外界有物质交换的系统,但是系统内的质量可以变化,也可以不变,如稳定流动开口系。

5.(   )过程是可逆过程。

A.可以从终态回复到初态的

B.没有摩擦的

C.没有摩擦的准静态过程 

D.没有温差的

【答案】C

6.系统在可逆过程中与外界传递的热量,其数值大小取决于(  )。

A.系统的初、终态  

B.系统所经历的过程

C.A和B

D.系统的熵变

【答案】A

7.可逆过程与准静态过程的主要区别是(   )。

A.可逆过程比准静态过程进行得陕得多

B.准静态过程是进行得无限慢的过程

C.可逆过程不但是内部平衡,而且与外界平衡

D.可逆过程中工质可以恢复为初态

【答案】C

8.(多选)在所列的压力中哪个不是状态参数(   )。

A.绝对压力 

B.分压力 

C.表压力

【答案】B、C

9.(多选)不可逆损失来源于(   )。

A.运动摩擦 

B.不等温传热 

C.任何耗散效应

【答案】A、B、C

10.(多选)下面属于不可逆过程的有(   )。

A.温差传热  

B.混合 

C.节流  

D.绝热膨胀

【答案】A、B、C

11.(多选)下面属于假想的理想化概念有(   )。

A.平衡状态  

B.理想气体 

C.可逆过程 

D.准静态过程 

E.稳定状态

【答案】B、C、D

二、填空题

1.状态参数中的直接测量量有______,不可测量量有______,与热力学第二定律有关的一个状态参数是______。[天津大学2005研]

【答案】p、T、V;V、H、S;熵

2.当大气环境的压力为0.1013MPa时,测得一容器内气体的表压力读数为0.3012MPa,则容器内气体的绝对压力为______MPa;若此时测得另一容器内气体的真空度读数为0.031MPa,那么该容器内气体的真实压力为______MPa。[北京理工大学2006研]

【答案】0.4025;0.0703

【解析】表压力=绝对压力-环境压力,真空度=环境压力-绝对压力。

3.孤立系统是指______;简单热力系统是指______。[北京理工大学2004研]

【答案】系统与外界之间没有任何联系(没有能量、质量交换);系统与外界只交换体积功(膨胀功,容积功)。

三、判断题

1.经不可逆循环后,系统与外界均无法完全恢复原态。(   )[南京航空航天大学2008研]

【答案】

【解析】经不可逆循环后,系统与外界无法同时完全恢复原态,而不引起其他变化,但是不可逆循环系统或者外界可以单独回到原态,同时引起其他变化。

2.准静态过程就是可逆过程。(   )[天津大学2004研]

【答案】

【解析】可逆过程包含准静态过程和无耗散过程两个条件。

3.不可逆过程可以在p-V图、T-S图上表示出来。(  )[同济大学2005研]

【答案】

【解析】准静态过程才可以在p-V图、T-S图上表示出来,但是不可逆过程不一定是准静态过程。

4.状态方程是状态参数之间的关系式。(   )[东南大学2002研]

【答案】

【解析】状态方程是平衡状态下,状态参数之间的关系式。

5.不可逆过程必然导致熵增加。(   )[南京航空航天大学2006研]

【答案】

【解析】不可逆过程中熵也可能减小。

6.描述理想气体受压的状态参数仅仅是气体的绝对压力。(  )[湖南大学2007研]

【答案】

7.设一系统的任意状态参数为x,则对任意的可逆或不可逆循环均满足。(  )[湖南大学2007研]

【答案】

【解析】经过一个循环后,状态参数都会恢复到初始值,也即满足

8.系统的平衡状态是指系统在无外界影响的条件下,不考虑外力场作用,宏观热力性质不随时间而变化的状态。(  )

【答案】

9.在研究热力系统能量平衡时,存在下列关系式:=恒量,△Ssys+△Ssur=恒量。(  )

【答案】

10.容器中气体的压力不变,则压力表的读数也绝对不会改变。(  )

【答案】

11.对所研究的各种热力现象都可以按闭口系统、开口系统或孤立系统进行分析,其结果与所取系统的形式无关。(  )

【答案】

12.稳定状态不一定是均匀状态。(   )

【答案】

13.可逆过程一定是准静态过程。(   )

【答案】

【解析】因为一个可逆过程,首先应该是准平衡过程。

四、名词解释题

1.闭口系统与开口系统。[中科院-中科大2007研]

答:物质不能透过边界,即与外界与质量交换只能有能量交换的热力系统,称为闭口系统。物质可以透过外界,即与外界既可有质量交换又可有能量交换的热力系统,称为开口系统。闭口系统控制质量,开口系统控制空间范围。

2.热能(热力学能或内能)与热量。[天津大学2005研]

答:(1)热能是系统的一种储存能,它的大小取决于物质的种类以及其温度和物质的数量,通常热能就是内能。

(2)热量是系统与外界之间,穿越边界而传递的一种能量形式。热量传递的动力是二者的温度差。

3.可逆过程与不可逆过程。

答:可逆过程是指热力学系统在状态变化时经历的一种理想过程。热力学系统由某一状态出发,经过某一过程到达另一状态后,如果存在另一过程,它能使系统和外界完全复原,既使系统回到原来状态,同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响,则原来的过程称为可逆过程。反之,如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原,则原来的过程称为不可逆过程。可逆过程沿原路反向进行使系统恢复到原状态之后,给系统和外界均没有留下任何影响;不可逆过程沿原路反向进行使系统恢复到原状态之后将给外界留下某种不可消除的影响。

五、问答题

1.给出“热”和“功”的定义,并分析其异同。[北京航空航天大学2005、2006研]

答:(1)热量是热力系和外界之间仅由于温度不同而通过边界传递的能量。

(2)功是热力系流通过边界而传递的能量,而全部效果可表现为举起重物。

(3)相同点:二者均为过程量,都通过边界传递。

(4)不同点:功是有规则的宏观运动能量的传递,在作功过程中往往伴随着能量形式的转化;热则是大量的微观粒子杂乱热运动的能量传递,传热过程中不出现能量形式变化,功转变成热是无条件的,而热转变成功是有条件的。

2.有一类热力学系统被称作控制质量,也称作封闭系统(或闭口系统)。试给出这种热力学系统的具体定义,并解释两种不同称呼的一致性。[华中科技大学2004研]

答:(1)控制质量(也即封闭系统、闭口系统)指的是特定的某一部分物质。

(2)封闭系统(或闭口系统)指的是系统的边界不对物质流开放,即在分析的过程中,没有物质流穿越系统的边界。

(3)控制质量的特点是在整个研究分析过程中,系统始终由同一部分物质构成,不作更替。所以两种名称的实质是一样的。

3.试述可逆过程的特征及实现可逆过程的条件。[西安交通大学2004研]

答:(1)可逆过程的特征是使得系统与外界同时复原为初始状态。

(2)实现可逆过程的充要条件包括:

过程进行中,系统内部以及系统与外界之间不存在不平衡势差,或过程应为准静态;过程中不存在耗散效应。

4.试述下列各项中两个概念之间的区别:

(1)闭口系统和孤立系统。

(2)绝热过程和定熵过程。

(3)可逆循环和逆向循环。[哈尔滨工业大学2000研]

答:(1)闭口系是指系统与外界没有物质交换;而孤立系统是指系统与外界之间既无物质交换也无能量交换的系统。

(2)绝热过程指过程中,系统与外届没有热量交换;而定熵过程是指过程中系统的熵不变。可逆的绝热过程一定是定熵过程,但不可逆的绝热过程不是定熵过程。

(3)可逆过程是指系统经过一个过程后,可以使得系统和外界同时恢复到初始状态,而不引起变化的过程,而逆向过程是指过程的方向在p-V图或T-s图上是逆时针。

5.什么是准静态过程?什么是可逆过程?他们之间有什么关系?[大连理工大学2003研]

答:(1)若过程进行相对缓慢,一切不平衡势差无限小,使得系统在任一时刻无限接近于平衡态,这时工质被破坏所需的时间远大于恢复平衡所需要的时间,工质有足够的时间来恢复平衡,随时都不致显著偏离平衡的状态即为准静态过程。

(2)可逆过程是指当完成某过程后,如果有可能使工质沿相同的路径逆行回复到原来状态并使相互作用中所涉及到的外界回复到原来的状态而不引起其他变化。

(3)准平衡过程着眼于工质内部的平衡,有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系,可能有耗散效应;可逆过程主要分析工质与外界的作用所产生的总效果,不仅要求工质内部是平衡的,而且需求工质与外界可以无条件地逆复,不存在任何能量的耗散。

6.什么是可逆过程?经历一个不可逆过程后,系统是否还能恢复原来的状态?为什么?[华中科技大学2005研]

答:(1)若系统在完成某一过程后,能够沿着该路径逆行而使系统及外界都回复到原来的状态,没有其他任何变化,则称此过程为可逆过程,否则则为不可逆过程。

(2)经历一个不可逆过程后,系统是能够恢复到原来的状态的。

(3)所谓不可逆过程,是指完成一个过程后,系统和外界不可能同时恢复到原来的状态,所以只有系统本身恢复到原来的状态是可能的,只是包括系统和外界在内的整个系统则一定不能恢复到原来的状态。

7.对于简单可压缩系,系统只与外界交换哪一种形式的功?可逆时这种功如何计算?[西安交通大学2004研]

答:(1)在简单可压缩系统中,系统只与外界交换膨胀功或压缩功。

(2)可逆时,这种功的计算式为

8.状态量(参数)与过程量有什么不同?常用的状态参数哪些是可以直接测定的?哪些又是不可直接测定的?[西安交通大学2003研]

答:(1)状态参数是单值地取决于状态的,过程中状态参数的变化只取决于初、终状态,与过程经过的路径无关。相反的,过程量是指过程中表现出来的量,过程量的变化不仅取决于初、终状态,还与过程经过的路径有关。

(2)在常用的状态参数中,有温度T、压力p和比体积v是可以直接测定的。

(3)热力学能u、焓值h和熵值s是不可直接测定的。

9.简要描述热力学平衡状态与稳定状态的区别。[北京航空航天大学2004研]

答:当一个系统具备了热、利和化学平衡时,该系统就处于热力平衡状态。平衡状态是指系统内任一物理参量既不随时间变化,又不随空间变化,而稳定状态则是指系统内任一物理参量不随时间变化,但在空间上可能是变化的。因此处于平衡状态的系统一定处于稳定状态,反之则不然。

10.试述准静态过程与可逆过程的区别。[同济大学2007研]

答:(1)定义不同。准静态过程是一系列平衡态所组成的过程;可逆过程是如果系统完成某一热力过程后,再沿原路径逆向进行时,能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化的过程。

(2)要求条件不同。可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡,且不存在任何耗散损失,在过程中没有任何能量的不可逆损失;准静态过程的条件仅限于系统内部的力平衡和热平衡,在进行中系统与外界可以有不平衡势差,也可能有耗散现象发生,只要系统内部能及时恢复平衡,其状态变化还是准静态的。

(3)可逆过程是针对过程中所引起的外部效果而言的,准静态过程是针对系统内部状态变化而言的。

(4)可逆过程一定是准静态过程,准静态过程不一定是可逆过程。

(5)实际过程总是在温差、压差作用下变化的,实际过程是偏离可逆过程的准静态。

相同点:对于热力系统而言,两个过程都是由一系列平衡态所组成的,在p-V图上都能用连续曲线表示,都可用确定的状态参数变化描述过程。

11.什么是热力系统?热力系统可分为几类?[大连理工大学2004研]

答:(1)通常根据研究问题的需要,人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学研究对象,这种空间内的物质的总和称为热力学系统,简称系统或体系。

(2)可分为闭口系统和开口系统;简单系统、绝热系统和孤立系统;均匀系统和非均匀系统;单元系统和多元系统等。

12.在导体中通有限大小电流的过程是可逆的吗?为什么?[中科院-中科大2006研]

答:不可逆,因为有导体电阻引起的耗散效应存在,其必然会带来熵产,因而是不可逆过程。

13.若工质经历一可逆过程和一不可逆过程,若其初态、终态相同,问两过程中工质与外界交换的热量是否相同?说明原由。[南京航空航天大学2008研]

答:若工质经历一可逆过程和一不可逆过程,若其初态、终态相同,两过程中工质与外界交换的热量不一定相同。

因为,根据热力学第一定律,由于内能是状态量,相同初态、终态意味着相同,即不同过程的是相同的,但不同过程的Q和W是可以不同的。

六、综合分析题

1.某容器被一个刚性壁分为两个部分,在容器的不同部位安装有压力表,如图1-4所示,压力表B上的读数为75kPa,压力表C上的计数为0.11MPa。如果大气压力为97kPa,试确定压力表A上的读数以及容器两部分内气体的绝对压力。[南京航空航天大学2006研]

图1-4

解:由题意可知压力表中显示的是表压,同时由于大气压力为9kPa,因此容器内1部分的绝对压力为

压力表B中读数为75kPa,因此可以得到容器内2部分的绝对压力为

因此由2部分的绝对压力和外界大气压力可以得到压力表A中的读数为

2.试分析下列各热力过程是否为可逆过程,如不可逆,请说明理由,若不一定可逆,说明在什么条件下可逆。

(1)将热量从温度为100℃的热源缓慢传递给处于平衡状态的0℃的冰水混合物。

(2)通过搅拌器作功使水保持等温的汽化过程。

(3)在一绝热的气缸内进行无内、外摩擦的膨胀或压缩过程。

(4)30℃的水蒸气缓慢流入一绝热容器与30℃的液态水相混合。

(5)在一定容积的容器中,将定量工质从20℃缓慢加热到120℃。[南京航空航天大学2007研]

解:

(1)不可逆。属有限温差下的传热过程,所以不可逆。

(2)不可逆。属功转热过程。

(3)不一定可逆。若过程为准静过程则可逆,否则不可逆。

(4)可逆。

(5)不一定可逆。若热源温度随时保持与工质相同,则可逆。

3.两个质量和比热(cm)相同,温度分别为TA和TB的固体进行热交换,请推导说明达到热平衡的过程是一个不可逆过程。

解:该热交换过程如图1-6所示

图1-6

如果此系统熵增大于零,则过程不可逆。直接传热,则平衡温度

所以过程不可逆。

4.某容器被一刚性壁分成两部分,在容器的不同部位安装有压力表,如图1-6所示。压力表B上的读数为75kPa,压力表C上的读数为0.11MPa。如果大气压力为97kPa,试确定压力表A上的读数及容器两部分内空气的绝对压力。

图1-6

解:p1=pc+pb=0.11+0.097=0.207MPa。因为p1=pB+p2,所以

p2=p1-pB=0.207-0.075=0.132MPa

又p2=pA+pb,则

pA=p2-pb=0.132-0.097=0.035MPa