《 热学》各章思考题+参考解答.pdf

热学思考题和参考解答第一章热学基础知识和温度1．1若热力学系统处于非平衡态，温度概念能否适用？【答】对于处于非平衡态的系统，只要局域平衡条件能满足，则对于处于局域平衡的每个子系统来说，温度概念仍能适用。1．2系统A和B原来各自处在平衡态，现使它们互相接触，试问在下列情况下，两系统pA接触部分是绝热的还是透热的，或两者都可能?(1)当V保持不变，增大时，V和pABBpApA都不发生变化；(2)当V保持不变，增大时，p不变而V增大；(3)当V减少，ABBA增大时，V和p均不变．BBpA【答】设容器都是密闭的．(1)是绝热的．因为V增大，所以A的温度增加．但ApA它并不使B状态发生变化，说明既没有热量传递也没有做功．(2)是透热的．因为VA增大，所以A的温度增加．从B来说，V增加了，说明B膨胀对外做了功，其能量只能来BpA源于从A吸热．(3)因为V和p均不变，说明B的温度不变．但是V减少，同时增BBA大，这两者的乘积可变可不变，所以A的温度也可变可不变．若A的温度改变则是绝热的；若A的温度不变，则A，B相互接触的部分仍然绝热，因为B的状态始终不变．1．3在建立温标时是否必须规定热的物体具有较高的温度，冷的物体具有较低的温度?是否可作相反的规定?在建立温标时，是否须规定测温属性一定随温度作线性变化?【答】在建立温标时必须规定热的物体具有较高的温度，冷的物体具有较低的温度，因为热量是从高温物体传递到低温物体的．很有意思的是，对于处于负温度的子系则是例外．因为负温度比正温度还要高，热量是从负温度物体流向正温度物体的．建立温标时并不一定规定测温属性随温度作线性变化，这完全由分度公式来规定．1．4冰的正常溶点是多少？纯水的三相点温度是多少？【答】冰的正常溶点是273.15K,纯水的三相点温度是273.16K。虽然其温度仅仅相差0．01K，但是这两个状态却相差甚远．因为物质的状态不仅决定于温度，还要决定于压强．冰的正常溶点是指冰在0.101MP，而纯水的三相点时的压强却只有609Pa．a1．5太阳中心温度为107K，太阳表面温度6000K，太阳内部不断发生热核反应，所产生热量以恒定不变的热产生率从太阳表面向周围散发．试问太阳是否处于平衡态?【答】太阳处于非平衡态，这是因为太阳内部温度不均匀，不满足热学平衡条件．另外，若从是否存在“流”来判别是平衡态还是非平衡态，则太阳中不断有热流及光子流从内部传向外层，并从外层流向太空，所以它也处于非平衡态．1·6做匀加速直线运动的车厢中放一相对于车厢静止的匣子，匣子中的气体是否处于平衡态?从地面上看，匣子内气体不是形成粒子流了吗?匣子内气体的密度是否处处相等?【答】虽然从地面上看，运动匣子内气体分子形成了粒子流，但是应该注意到，热学与热学的主要区别在于:热学一般不考虑把系统作为一个整体的宏观机械运,若系统在作整体运动,则坐标应该取在运动的系统上．以匣子为参考系，匣子内气体不存在粒子流，所以匣子中气体处于平衡态．但是，匣子内气体的密度并不处处相等．这是因为匣子在做匀加速直线运动，它是一个非惯性系，因而匣子中处处存在惯性力．我们也可以说匣子中存在一个惯性力场，它与重力场是完全类似的．我们知道，在重力场中气体的密度随高度有一个分布，同样，做匀加速直线运动的匣子内的气体的密度沿运动方向也有一个分布．但是这种密度的不均匀并不影晌平衡态的建立，也就是说系统仍然可以处于平衡态．1.7气体在平衡态时有何特征?气体的平衡态与力学中的平衡态有何不同?【答】气体在平衡态时，系统与外界在宏观上无能量和物质的交换；系统的宏观性质不随时间变化。力学平衡态与热力学平衡态不同。当系统处于热平衡态时，组成系统的大量粒子仍在不停地、无规则地运动着，大量粒子运动的平均效果不变，这是一种动态平衡。而个别粒子所受合外力可以不为零。而力学平衡态时，物体保持静止或匀速直线运动，所受合外力为零。1．8人坐在橡皮艇里，艇浸入水中一定深度．到夜晚温度降低了，但大气压强不变，问艇浸入水中深度将怎样变化．【答】由于橡皮的弹性使艇的线度可变，从而维持橡皮艇内气体的压强始终和大气压强相等．由pVRT知，在p不变时V与T成正比，故夜晚时由于温度降低而v减小．艇水平截面积缩小，而浮力不变，故吃水深度增加．1．9氢气球可因球外压强变化而使球的体积作相应改变．随着气球不断升高，大气压强不断减少，氢气不断膨胀．如果忽略大气温度及空气平均分子质量随高度的变化，试问气球在上升过程中所受浮力是否变化?说明理由．【答】由于不管氢气球处于什么高度，球内氢气的压强恒等于球外空气压强，氢气球体积恒等于排开空气体积，而气球上升过程中球内外温度始终相同并且不随高度而变化，所以气球所排开空气的状态参量和氢气的状态参量完全相同．考虑到理想气体物态方程和气体种类无关，所以排开空气的物质的量恒等于氢