工程热力学知识考点与练习题解析

工程热力学知识考点与练习题解析姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、单选题1.下列哪个热力学系统在能量传递过程中没有做功？

A.封闭系统

B.开放系统

C.简闭系统

D.混合系统

2.在热力学中，熵表示系统：

A.稳定性的度量

B.能量的度量

C.热量传递的度量

D.不可逆过程的度量

3.理想气体状态方程为：

A.PV=RT

B.PV=nRT

C.PV=nRT/T

D.PV=RT/n

4.热机效率最高的循环是：

A.卡诺循环

B.瑞利循环

C.奥托循环

D.气轮循环

5.摩擦功在热力学过程中的角色是：

A.增加系统的内能

B.减少系统的内能

C.增加系统的熵

D.减少系统的熵

6.下列哪个参数表示热机的做功能力：

A.压力

B.温度

C.体积

D.压缩比

7.热力学第二定律的表述是：

A.能量守恒定律

B.热量不能自发地从低温物体传到高温物体

C.系统的内能总是增加的

D.热量可以从高温物体传到低温物体

8.下列哪个参数与热机的功率相关：

A.压力

B.温度

C.体积

D.比热容

答案及解题思路

1.答案：D

解题思路：在混合系统中，系统的部分部分可以与外界交换物质，但整体上不对外做功。封闭系统不与外界交换物质和能量，开放系统则可以与外界交换物质和能量。

2.答案：D

解题思路：熵是表示系统无序度的物理量，反映了系统进行不可逆过程的能力，即不可逆过程的度量。

3.答案：A

解题思路：理想气体状态方程PV=RT描述了在标准状况下，理想气体的压力、体积和温度之间的关系。

4.答案：A

解题思路：卡诺循环是一种理想热机循环，效率达到热力学第二定律所规定的极限，因此在所有循环中效率最高。

5.答案：A

解题思路：摩擦功是机械能转化为热能的过程，增加系统的内能。

6.答案：B

解题思路：热机的做功能力取决于温度差，即热源与冷源之间的温差，温度越高，做功能力越强。

7.答案：B

解题思路：热力学第二定律表明，热量不能自发地从低温物体传到高温物体，即自然的热传递过程是不可逆的。

8.答案：B

解题思路：热机的功率与热机输出的热量和做功时间有关，温度直接影响热机的热效率，因此与功率相关。二、多选题1.下列哪些属于热力学第一定律的内容：

A.能量守恒

B.热量传递

C.系统的内能

D.不可逆过程

2.下列哪些是热力学系统类型：

A.封闭系统

B.开放系统

C.简闭系统

D.混合系统

3.热力学第二定律的应用包括：

A.卡诺定理

B.汽车效率

C.热泵

D.热风炉

4.热力学中，下列哪些是状态量：

A.压力

B.温度

C.体积

D.能量

5.下列哪些参数对理想气体状态方程有影响：

A.压力

B.温度

C.体积

D.质量

答案及解题思路：

1.答案：A,C

解题思路：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的应用。它表明在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。因此，选项A（能量守恒）和C（系统的内能）属于热力学第一定律的内容。选项B（热量传递）和D（不可逆过程）虽然与热力学有关，但不是第一定律的直接内容。

2.答案：A,B,C

解题思路：热力学系统根据与外界交换物质和能量的方式分为封闭系统、开放系统和简闭系统。封闭系统不与外界交换物质，但可以交换能量；开放系统既交换物质又交换能量；简闭系统不交换物质，但可以交换能量。混合系统通常是指上述系统类型的组合。因此，选项A（封闭系统）、B（开放系统）和C（简闭系统）都是热力学系统类型。

3.答案：A,B,C

解题思路：热力学第二定律阐述了热力学过程中能量的转换和传递的不可逆性。卡诺定理描述了热机的最高效率，汽车效率与热力学第二定律有关，因为汽车引擎的热效率受到第二定律的限制。热泵利用热力学第二定律实现从低温热源到高温热源的能量的转移，而热风炉则与热力学第二定律的应用无直接关系。因此，选项A（卡诺定理）、B（汽车效率）和C（热泵）是热力学第二定律的应用。

4.答案：A,B,C,D

解题思路：状态量是指只取决于系统状态的物理量，不依赖于系统变化的过程。压力、温度、体积和能量都是状态量，因为它们只与系统的当前状态有关，而不依赖于系统达到该状态的过程。

5.答案：A,B,C

解题思路：理想气体状态方程PV=nRT描述了理想气体的压力、体积、温度和物质的量之间的关系。因此，这些参数（压力、温度、体积）都会对理想气体状态方程产生影响。质量虽然与气体的状态有关，但不是理想气体状态方程的独立变量。三、判断题1.热力学第一定律表明能量守恒。

解答：

答案：正确。

解题思路：热力学第一定律，又称为能量守恒定律，表明在一个孤立系统中，能量不能被创造或消失，只能从一种形式转换为另一种形式。因此，系统的总能量保持不变。

2.熵是一个状态量，表示系统的混乱程度。

解答：

答案：正确。

解题思路：熵是一个热力学状态量，它衡量了系统的无序程度或随机性。熵的增加意味着系统从有序向无序的转换，因此熵可以被视为系统混乱程度的度量。

3.所有热机都遵循热力学第二定律。

解答：

答案：正确。

解题思路：热力学第二定律指出，在一个封闭系统中，总熵不会减少，即系统的熵只能增加或保持不变。这一原则适用于所有热机的工作过程。

4.卡诺循环是一个可逆循环，可以达到最高的热机效率。

解答：

答案：正确。

解题思路：卡诺循环是一个理想化的可逆热机循环，其效率是所有可能循环中最高。根据热力学第二定律，卡诺循环的效率只取决于热源和冷源的温度，理论上可以达到最高热机效率。

5.摩擦功会减少系统的内能。

解答：

答案：错误。

解题思路：摩擦功实际上会增加系统的内能。在摩擦过程中，机械能转化为热能，使得系统的内能增加。因此，摩擦功不会减少系统的内能，而是增加了系统的内能。四、填空题1.热力学第一定律的数学表达式是\(\DeltaU=QW\)。

2.热力学第二定律的克劳修斯表述是“不可能把热从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”。

3.理想气体状态方程为\(PV=nRT\)。

4.卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成。

5.热机效率可以用\(\eta=1\frac{Q_c}{Q_h}\)来表示。

答案及解题思路：

1.答案：\(\DeltaU=QW\)

解题思路：热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出在一个封闭系统中，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。数学表达式为系统内能的变化等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。

2.答案：“不可能把热从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化”

解题思路：克劳修斯表述是热力学第二定律的一种形式，强调热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，除非有外界做功。

3.答案：\(PV=nRT\)

解题思路：理想气体状态方程是描述理想气体状态之间关系的方程，其中\(P\)是压强，\(V\)是体积，\(n\)是物质的量，\(R\)是理想气体常数，\(T\)是绝对温度。

4.答案：两个等温过程和两个绝热过程

解题思路：卡诺循环是一种理想化的热机循环，它由两个等温过程和两个绝热过程组成。等温过程在热源和冷源之间进行，绝热过程则在热机内部进行。

5.答案：\(\eta=1\frac{Q_c}{Q_h}\)

解题思路：热机效率是热机将吸收的热量转化为做功的能力的度量。卡诺效率是理想热机的效率，其表达式为\(\eta=1\frac{Q_c}{Q_h}\)，其中\(Q_c\)是冷源吸收的热量，\(Q_h\)是热源提供的热量。五、计算题1.计算一个封闭系统的内能变化，已知系统吸收了200J的热量，对外做了100J的功。

2.一个理想气体从初态（P1=1atm，V1=1L）等温膨胀到终态（P2=0.5atm），求终态的体积。

3.计算一个理想气体在等压过程中，从温度T1=300K变化到温度T2=500K时的内能变化。

4.一个热机的卡诺效率为50%，高温热源的温度为800K，求低温热源的温度。

5.计算一个热机在理想情况下，从高温热源吸收2000J的热量，对外做了1000J的功。

答案及解题思路：

1.解答：

内能变化ΔU=QW

ΔU=200J100J=100J

解题思路：根据热力学第一定律，内能的变化等于系统吸收的热量减去对外做的功。

2.解答：

根据波义耳马略特定律（P1V1=P2V2）

V2=P1V1/P2

V2=(1atm1L)/0.5atm=2L

解题思路：等温过程中，压强和体积成反比。

3.解答：

对于理想气体，等压过程中的内能变化ΔU=nCpΔT

ΔU=nCp(T2T1)

ΔU=nCp(500K300K)

ΔU=nCp200K

解题思路：理想气体的内能变化与温度变化成正比。

4.解答：

卡诺效率η=1Tc/Th

0.5=1Tc/800K

Tc=800K400K=400K

解题思路：卡诺效率公式用于计算热机的最大效率。

5.解答：

根据热力学第一定律，热机的效率η=W/Q

0.5=1000J/2000J

解题思路：热机的效率等于对外做的功与吸收的热量之比。六、论述题1.简述热力学第一定律与能量守恒定律的关系。

解题内容：

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的具体体现。它表明，在一个孤立的热力学系统中，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。具体来说，系统内能的增加等于系统所吸收的热量与外界对系统所做的功的总和。公式表示为：ΔU=QW，其中ΔU是系统内能的变化，Q是系统吸收的热量，W是外界对系统所做的功。这与能量守恒定律的基本原理一致，即在一个封闭系统中，能量的总量保持不变。

2.阐述热力学第二定律对热机效率的影响。

解题内容：

热力学第二定律指出，在一个热力学过程中，不可能将热量完全转化为功，总是有一部分热量被转化为不可用能量，如散失到环境中。这直接影响热机的效率。热机的效率由其工作物质的工作温度和冷源温度决定，其公式为：η=1(Tc/Th)，其中η是热机效率，Tc是冷源温度，Th是工作温度。由于热力学第二定律的限制，冷源温度Tc不能为零，导致热机效率无法达到100%。热机运行过程中，部分热量会因不可逆过程而散失，进一步降低效率。

3.解释为什么卡诺循环是最理想的热机循环。

解题内容：

卡诺循环是一种理想化的热机循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成。它是基于热力学第二定律推导出的，被认为是理论上效率最高的热机循环。原因

（1）卡诺循环的效率只取决于高温热源和低温热源的温度，而与工作物质的性质无关。

（2）在等温过程中，系统与热源进行充分的热交换，使热量转化为最大限度的功。

（3）在绝热过程中，系统与外界无热量交换，减少能量损失，提高效率。

（4）卡诺循环是可逆的，即在任意时刻，系统的状态都可以恢复到初始状态，从而实现热机的最高效率。

答案及解题思路：

1.答案：热力学第一定律与能量守恒定律的关系是：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的具体体现。解题思路：阐述能量守恒定律在热力学系统中的应用，通过公式ΔU=QW说明系统内能的变化与热量、功的关系。

2.答案：热力学第二定律对热机效率的影响：热力学第二定律指出，不可能将热量完全转化为功，导致热机效率受到限制。解题思路：根据热力学第二定律，分析热机效率受高温热源和低温热源温度的影响，解释卡诺循环效率的限制。

3.答案：卡诺循环是最理想的热机循环的原因：卡诺循环是基于热力学第二定律推导出的，具有可逆性、高温热源和低温热源温度独立于工作物质、等温过程最大化热量转化为功等优势。解题思路：分析卡诺循环的特点，结合热力学第二定律，解释其作为理想热机循环的原因。七、案例分析题1.分析一个热泵系统的工作原理，并计算其制冷量。

（1）热泵系统工作原理分析

热泵系统是一种利用制冷剂在蒸发器、冷凝器、膨胀阀和压缩机之间循环流动，实现从低温热源吸收热量并转移到高温热源的热力设备。其工作原理基于制冷剂的相变过程，具体流程

制冷剂在蒸发器中从低温热源吸收热量，蒸发成气体；

气体进入压缩机，被压缩成高温高压气体；

高温高压气体进入冷凝器，将热量传递给高温热源，制冷剂冷凝成液体；

液体通过膨胀阀节流，压力降低，再次进入蒸发器循环。

（2）制冷量计算

假设热泵系统的制冷剂为R134a，制冷剂在蒸发器中的温度为T1（15℃），冷凝器中的温度为T2（35℃），制冷剂流量为m（0.1kg/s）。根据R134a的热物性数据，计算制冷量Q。

制冷量Q的计算公式为：

\[Q=m\times(h_2h_1)\]

其中，h1为制冷剂在蒸发器出口的焓值，h2为制冷剂在冷凝器出口的焓值。

根据R134a的热物性表，得到：

\[h_1=h_fx\timesh_g\]

\[h_2=h_f(1x)\timesh_g\]

其中，h_f为制冷剂在蒸发器出口和冷凝器出口的饱和液体焓值，h_g为制冷剂在蒸发器出口和冷凝器出口的饱和气体焓值，x为制冷剂在蒸发器出口和冷凝器出口的干度。

假设制冷剂在蒸发器出口的干度为0.7，冷凝器出口的干度为0.5，根据R134a的热物性表，计算得到：

\[h_1=251.20.7\times185.4=322.7\,\text{kJ/kg}\]

\[h_2=251.20.5\times185.4=297.2\,\text{kJ/kg}\]

因此，制冷量Q为：

\[Q=0.1\times(297.2322.7)=2.55\,\text{kJ/s}\]

由于制冷量为负值，表示系统在制冷过程中吸收的热量大于放出的热量，因此制冷量为2.55kW。

2.分析一个燃气轮机系统的工作过程，并计算其热效率。

（1）燃气轮机系统工作过程分析

燃气轮机系统是一种利用燃料在燃烧室内燃烧产生的高温高压气体推动涡轮做功，将热能转化为机械能的装置。其工作过程主要包括以下几个阶段：

燃料在燃烧室内燃烧，产生高温高压气体；

高温高压气体推动涡轮，驱动发电机发电；

废气排出，余热被回收利用。

（2）热效率计算

假设燃气轮机系统燃料为天然气，燃烧温度为T3（1200℃），排气温度为T4（500℃），涡轮入口温度为T5（T3T6），其中T6为废气回收利用后的温度。计算燃气轮机系统的热效率。

热效率η的计算公式为：

\[\eta=\frac{W}{Q_{in}}\]

其中，W为涡轮输出的功，Qin为燃料完全燃烧放出的热量。

根据燃气轮机的工作过程，计算涡轮输出的功W：

\[W=h_5h_4\]

其中，h5为涡轮入口气体的焓值，h4为涡轮出口气体的焓值。

根据理想气体状态方程和比热容，计算得到：

\[h_5=c_p\times(T_5T_4)\]

\[h_4=c_p\times(T_4T_6)\]

其中，c_p为气体定压比热容。

假设天然气的定压比热容为1.08kJ/(kg·K)，根据理想气体状态方程和燃料的燃烧热，计算得到：

\[h_5=1.08\times(1200500)=624\,\text{kJ/