工程熱力學(xué)思考題答案?一、思考題11.什么是準(zhǔn)靜態(tài)過程？它在熱力學(xué)分析中有什么重要性？準(zhǔn)靜態(tài)過程是指過程進(jìn)行得非常緩慢，以至于系統(tǒng)在每一瞬間都無限接近平衡狀態(tài)的過程。

重要性在于：準(zhǔn)靜態(tài)過程是一種理想化的過程模型，在熱力學(xué)分析中具有重要意義。它使得我們可以利用平衡態(tài)的性質(zhì)來研究過程，簡(jiǎn)化了分析過程。例如，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)過程，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)（如壓力、溫度、體積等）可以被精確確定，便于應(yīng)用熱力學(xué)定律進(jìn)行計(jì)算和分析。在推導(dǎo)許多熱力學(xué)公式和定理時(shí)，都假設(shè)過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，這使得理論分析更加嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確。通過研究準(zhǔn)靜態(tài)過程，我們能夠深入理解熱功轉(zhuǎn)換、能量傳遞等熱力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，為實(shí)際工程中的熱工設(shè)備設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2.實(shí)際過程能否嚴(yán)格地按準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行？為什么？實(shí)際過程不能嚴(yán)格地按準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行。

原因如下：準(zhǔn)靜態(tài)過程要求過程進(jìn)行得極其緩慢，使得系統(tǒng)在每一瞬間都能達(dá)到平衡狀態(tài)。然而，在實(shí)際中，很難滿足這樣的條件。例如，在熱力設(shè)備中，工質(zhì)的狀態(tài)變化往往是在有限的時(shí)間內(nèi)完成的，速度相對(duì)較快，系統(tǒng)來不及在每一瞬間都達(dá)到平衡。實(shí)際過程中存在各種不可逆因素，如摩擦、散熱、節(jié)流等，這些因素會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)，從而無法嚴(yán)格按照準(zhǔn)靜態(tài)過程進(jìn)行。雖然實(shí)際過程不能嚴(yán)格為準(zhǔn)靜態(tài)過程，但在許多情況下，可以將實(shí)際過程近似看作準(zhǔn)靜態(tài)過程來進(jìn)行分析，以便簡(jiǎn)化問題并獲得足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.若系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)可逆過程和一個(gè)不可逆過程，且它們的初態(tài)和終態(tài)相同，則兩過程中外界的熵變是否相同？為什么？兩過程中外界的熵變不同。

對(duì)于可逆過程，根據(jù)熵的定義，系統(tǒng)與外界之間的熱交換滿足可逆過程的熱溫比關(guān)系，即$dS=\frac{\deltaQ_{rev}}{T}$。在可逆過程中，系統(tǒng)對(duì)外界的影響可以通過一系列平衡態(tài)的變化來描述，整個(gè)過程中系統(tǒng)和外界的總熵變等于零。

而對(duì)于不可逆過程，存在熵產(chǎn)，即系統(tǒng)和外界的總熵變大于零。由于初態(tài)和終態(tài)相同，系統(tǒng)的熵變是固定的。根據(jù)熵變的計(jì)算公式$\DeltaS_{sys}=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}+S_{gen}$（其中$S_{gen}$為熵產(chǎn)），在不可逆過程中，由于有熵產(chǎn)存在，相同初終態(tài)下從外界吸收或放出的熱量與可逆過程不同，所以外界的熵變也不同。具體來說，不可逆過程中外界的熵變會(huì)比可逆過程的熵變大，以滿足系統(tǒng)和外界總熵變大于零的條件。

二、思考題21.什么是可逆過程？可逆過程有哪些特點(diǎn)？可逆過程是指系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，如果能使系統(tǒng)和外界同時(shí)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而不留下任何痕跡，則此過程稱為可逆過程。

可逆過程具有以下特點(diǎn)：過程進(jìn)行得無限緩慢，系統(tǒng)在每一瞬間都無限接近平衡狀態(tài)，為準(zhǔn)靜態(tài)過程。不存在任何不可逆因素，如沒有摩擦、散熱、節(jié)流等。當(dāng)系統(tǒng)沿原路徑逆向進(jìn)行時(shí)，系統(tǒng)和外界的狀態(tài)都能一一恢復(fù)到原來的狀態(tài)，且不引起其他變化。

可逆過程是一種理想化的過程，但在熱力學(xué)理論研究和某些實(shí)際問題的分析中具有重要意義。通過研究可逆過程，可以建立起一些基本的熱力學(xué)關(guān)系和理論模型，為解決實(shí)際問題提供參考和對(duì)比。

2.不可逆過程中產(chǎn)生的熵變是否可以計(jì)算？如何計(jì)算？不可逆過程中產(chǎn)生的熵變可以計(jì)算。

計(jì)算方法如下：首先明確不可逆過程的初態(tài)和終態(tài)，計(jì)算出系統(tǒng)從初態(tài)到終態(tài)的熵變$\DeltaS_{sys}$。對(duì)于不可逆過程，由于存在熵產(chǎn)$S_{gen}$，根據(jù)熵變的計(jì)算公式$\DeltaS_{sys}=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}+S_{gen}$。我們可以通過計(jì)算系統(tǒng)與外界交換的熱量$\deltaQ$以及相應(yīng)的溫度$T$，來求出$\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}$這一項(xiàng)。然后，根據(jù)已知條件或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)確定熵產(chǎn)$S_{gen}$的值（有些情況下可以通過測(cè)量或分析不可逆因素來估算熵產(chǎn)）。最后，將各項(xiàng)相加即可得到不可逆過程中系統(tǒng)的熵變。例如，對(duì)于一個(gè)存在摩擦的不可逆?zhèn)鳠徇^程，我們可以根據(jù)傳熱公式計(jì)算出熱量交換，再結(jié)合溫度變化計(jì)算出$\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}$，通過分析摩擦等不可逆因素確定熵產(chǎn)，進(jìn)而得到整個(gè)不可逆過程的熵變。

3.試說明不可逆過程中熵增加的原因。不可逆過程中熵增加的原因主要是存在熵產(chǎn)。

在不可逆過程中，由于存在各種不可逆因素，如摩擦、散熱、節(jié)流等。這些不可逆因素導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的無序程度增加。例如，摩擦?xí)箼C(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使得系統(tǒng)內(nèi)部分子的熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈和混亂；散熱會(huì)導(dǎo)致熱量從高溫物體自發(fā)地傳遞到低溫物體，使得能量分布更加均勻和無序。這些過程使得系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)增加，根據(jù)熵的統(tǒng)計(jì)意義，熵是系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的函數(shù)，微觀狀態(tài)數(shù)增加則熵增加。所以，不可逆過程中熵產(chǎn)的存在使得系統(tǒng)和外界的總熵變大于零，即熵增加。

三、思考題31.什么是熵？它的物理意義是什么？熵是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，是描述系統(tǒng)無序程度的物理量。

從微觀角度來看，熵與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多，熵越大，系統(tǒng)越無序。例如，對(duì)于理想氣體，氣體分子的分布越均勻、運(yùn)動(dòng)越混亂，微觀狀態(tài)數(shù)就越多，熵也就越大。

從宏觀角度來說，熵的變化可以反映系統(tǒng)與外界之間熱量傳遞和熱功轉(zhuǎn)換的情況。在可逆過程中，系統(tǒng)的熵變等于系統(tǒng)與外界交換的熱量與溫度的比值的積分，即$\DeltaS=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ_{rev}}{T}$。這表明熵的變化與熱量傳遞的方向和程度有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)從外界吸收熱量時(shí)，熵增加；當(dāng)系統(tǒng)向外界放出熱量時(shí)，熵減少。同時(shí)，熵的概念在熱力學(xué)第二定律的表達(dá)中起著重要作用，它是判斷過程方向性的重要依據(jù)。

2.熵的變化與熱量傳遞有什么關(guān)系？熵的變化與熱量傳遞密切相關(guān)。

對(duì)于可逆過程，系統(tǒng)的熵變等于系統(tǒng)與外界交換的熱量與溫度的比值的積分，即$\DeltaS=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ_{rev}}{T}$。這表明在可逆過程中，熱量傳遞會(huì)導(dǎo)致熵的變化。當(dāng)系統(tǒng)從外界吸收熱量時(shí)，熱量$Q$為正值，此時(shí)熵變$\DeltaS$也為正值，即熵增加；當(dāng)系統(tǒng)向外界放出熱量時(shí)，熱量$Q$為負(fù)值，熵變$\DeltaS$也為負(fù)值，即熵減少。

對(duì)于不可逆過程，熵變的計(jì)算公式為$\DeltaS_{sys}=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}+S_{gen}$，其中$S_{gen}$為熵產(chǎn)。同樣，熱量傳遞會(huì)影響熵變，但由于存在不可逆因素，使得實(shí)際的熵變不僅與熱量傳遞有關(guān)，還與熵產(chǎn)有關(guān)。不可逆過程中熱量傳遞導(dǎo)致的熵變?nèi)匀挥?\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}$這一項(xiàng)決定，但由于熵產(chǎn)的存在，系統(tǒng)的總熵變會(huì)比可逆過程中單純由熱量傳遞引起的熵變大。

3.能否說系統(tǒng)的熵增大，其熱力學(xué)能一定增加？為什么？不能說系統(tǒng)的熵增大，其熱力學(xué)能一定增加。

熵是描述系統(tǒng)無序程度的狀態(tài)函數(shù)，熱力學(xué)能是系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子的動(dòng)能、勢(shì)能等能量的總和。熵增大可能有多種原因，比如系統(tǒng)吸收熱量導(dǎo)致熵增加，但吸收的熱量不一定全部用于增加熱力學(xué)能，可能一部分熱量用于對(duì)外做功等其他形式的能量轉(zhuǎn)換。例如，理想氣體等溫膨脹過程，氣體吸收熱量，熵增加，但由于溫度不變，熱力學(xué)能不變。又如，不可逆絕熱壓縮過程，系統(tǒng)熵增加，同時(shí)外界對(duì)系統(tǒng)做功，系統(tǒng)熱力學(xué)能增加。所以，熵增大時(shí)，熱力學(xué)能的變化情況取決于系統(tǒng)與外界的能量交換和轉(zhuǎn)換方式，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為熵增大熱力學(xué)能就一定增加。

四、思考題41.什么是熱力學(xué)第二定律？它有哪些表述方式？熱力學(xué)第二定律是描述自然過程方向性的基本定律。

它有多種表述方式，常見的有：克勞修斯表述：熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體而不引起其他變化。開爾文表述：不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。

這兩種表述是等價(jià)的，它們從不同角度闡述了自然過程的不可逆性?？藙谛匏贡硎鰪?qiáng)調(diào)了熱傳遞的方向性，即熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體；開爾文表述則突出了熱功轉(zhuǎn)換的方向性，指出不可能實(shí)現(xiàn)單一熱源的熱完全轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他后果。

2.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是什么？熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是揭示了自然過程的方向性和不可逆性。

自然界中的許多過程都具有方向性，例如熱量傳遞總是從高溫物體向低溫物體進(jìn)行，而不會(huì)自發(fā)地反向傳遞；功可以自發(fā)地完全轉(zhuǎn)化為熱，但熱卻不能完全自發(fā)地轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響。熱力學(xué)第二定律指出了這些不可逆過程的存在，并表明在孤立系統(tǒng)中，熵總是朝著增加的方向變化，直到達(dá)到最大值，此時(shí)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)。這意味著自然過程總是朝著無序程度增加的方向發(fā)展，而不會(huì)自發(fā)地向有序程度增加的方向進(jìn)行。它限制了一些能量轉(zhuǎn)換和過程的可能性，為熱力學(xué)理論和實(shí)際工程中的熱工設(shè)備設(shè)計(jì)、能量利用等方面提供了重要的理論依據(jù)。

3.從熱力學(xué)第二定律的角度解釋為什么第二類永動(dòng)機(jī)不可能制成？第二類永動(dòng)機(jī)是指從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響的機(jī)器。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。這是因?yàn)樵跓峁D(zhuǎn)換過程中，必然會(huì)存在一些不可逆因素，如摩擦、散熱等，這些因素會(huì)導(dǎo)致一部分熱量不能完全轉(zhuǎn)化為功，而是以其他形式耗散掉。例如，在熱機(jī)工作過程中，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諢崃浚徊糠钟糜趯?duì)外做功，另一部分熱量會(huì)散發(fā)到低溫?zé)嵩?。即使采用理想的工質(zhì)和設(shè)備，也無法避免熱傳遞等不可逆因素的存在，所以不可能實(shí)現(xiàn)從單一熱源吸收的熱量完全轉(zhuǎn)化為有用功而不產(chǎn)生其他影響。因此，第二類永動(dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律，是不可能制成的。

五、思考題51.什么是熵增原理？它在工程中有哪些應(yīng)用？熵增原理是指孤立系統(tǒng)的熵永不減少。即對(duì)于孤立系統(tǒng)，$\DeltaS_{iso}\geq0$，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，熵達(dá)到最大值，$\DeltaS_{iso}=0$。

在工程中的應(yīng)用有很多：在熱工設(shè)備設(shè)計(jì)方面，熵增原理可以幫助評(píng)估設(shè)備的性能和效率。例如，對(duì)于熱力循環(huán)系統(tǒng)，通過分析各個(gè)環(huán)節(jié)的熵變，可以了解系統(tǒng)中不可逆因素對(duì)能量轉(zhuǎn)換和利用的影響，從而采取措施減少熵產(chǎn)，提高循環(huán)效率。如優(yōu)化熱力設(shè)備的結(jié)構(gòu)，減少摩擦、散熱等不可逆因素，降低系統(tǒng)的熵增，提高能源利用率。在能源系統(tǒng)規(guī)劃中，熵增原理可以用于分析能源的轉(zhuǎn)換和利用過程。通過計(jì)算不同能源系統(tǒng)的熵變，比較不同方案的優(yōu)劣，選擇熵增較小的能源利用方式，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和合理配置。在環(huán)境工程中，熵增原理可用于分析污染物的擴(kuò)散和環(huán)境系統(tǒng)的變化。污染物的排放會(huì)導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)的無序程度增加，即熵增加。通過研究環(huán)境系統(tǒng)的熵變，可以更好地理解污染物的擴(kuò)散規(guī)律和環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)，為環(huán)境保護(hù)和污染控制提供理論指導(dǎo)。

2.如何利用熵增原理來判斷過程的方向性？利用熵增原理判斷過程方向性的方法如下：

首先確定所研究的系統(tǒng)是否為孤立系統(tǒng)。如果是孤立系統(tǒng)，則根據(jù)熵增原理，若$\DeltaS_{iso}>0$，則該過程是不可逆過程，且過程會(huì)自發(fā)地朝著熵增加的方向進(jìn)行；若$\DeltaS_{iso}=0$，則該過程是可逆過程，系統(tǒng)處于平衡態(tài)或進(jìn)行著可逆變化。

對(duì)于非孤立系統(tǒng)，需要將系統(tǒng)與外界視為一個(gè)更大的孤立系統(tǒng)來分析。計(jì)算這個(gè)孤立系統(tǒng)的熵變$\DeltaS_{iso}=\DeltaS_{sys}+\DeltaS_{sur}$，其中$\DeltaS_{sys}$是系統(tǒng)的熵變，$\DeltaS_{sur}$是外界的熵變。若$\DeltaS_{iso}>0$，則整個(gè)過程是不可逆的，朝著熵增加的方向進(jìn)行；若$\DeltaS_{iso}=0$，則過程可逆。通過這種方式，可以根據(jù)熵增原理判斷過程的方向性，確定過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行以及進(jìn)行的方向。

3.在實(shí)際工程中，如何采取措施減少熵產(chǎn)？在實(shí)際工程中，可以采取以下措施減少熵產(chǎn)：優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)合理的熱力設(shè)備結(jié)構(gòu)，減少流體流動(dòng)過程中的阻力，降低摩擦損失。例如，采用光滑的管道、高效的閥門等，使工質(zhì)在設(shè)備中流動(dòng)更加順暢，減少因摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能損耗，從而降低熵產(chǎn)。提高設(shè)備保溫性能：加強(qiáng)熱力設(shè)備的保溫措施，減少熱量散失到周圍環(huán)境中。這樣可以降低系統(tǒng)與外界的溫差，減少不可逆的熱傳遞過程，進(jìn)而減少熵產(chǎn)。例如，對(duì)高溫設(shè)備進(jìn)行良好的保溫包裹，減少散熱導(dǎo)致的熵增。合理組織過程：優(yōu)化工藝流程，使能量轉(zhuǎn)換和物