工程热力学重要知识点总结

工程热力学重要知识点总结姓名_________________________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、选择题1.工程热力学研究的是：

a.物质的热力学性质

b.能量转换和传递的基本规律

c.气体和液体的流动规律

d.材料的力学功能

2.热力学第一定律的表达式是：

a.ΔU=QW

b.ΔQ=ΔUW

c.ΔU=ΔQW

d.ΔU=WΔQ

3.理想气体的内能只与什么有关？

a.温度

b.压强

c.体积

d.以上都是

4.摩尔热容比的定义是：

a.单位质量物质升高1K所需的热量

b.单位质量物质升高1K所增加的内能

c.单位质量物质升高1K所需做的功

d.单位质量物质升高1K所需的热量与所做的功的比值

5.摩尔气体常数R的数值为：

a.8.314J/(mol·K)

b.8.314kJ/(mol·K)

c.1.38×10^23J/K

d.1.38×10^23kJ/K

答案及解题思路：

1.答案：b

解题思路：工程热力学主要研究能量转换和传递的基本规律，因此选项b正确。

2.答案：a

解题思路：热力学第一定律，也称为能量守恒定律，表达为系统的内能变化等于系统吸收的热量加上外界对系统做的功，因此选项a正确。

3.答案：a

解题思路：理想气体的内能仅与温度有关，与压强和体积无关，因此选项a正确。

4.答案：d

解题思路：摩尔热容比是单位质量物质升高1K所需的热量与所做的功的比值，因此选项d正确。

5.答案：a

解题思路：摩尔气体常数R的标准数值为8.314J/(mol·K)，因此选项a正确。二、填空题1.在一定条件下，理想气体的压强、体积、温度之间的关系称为理想气体状态方程。

2.比热容的单位是J/(kg·K)。

3.热力学第二定律的核心内容是不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。

4.蒸汽机的热效率等于1(冷凝器放热/高压蒸汽的热量)。

5.水蒸气的比体积是指在特定温度和压强下，单位质量水蒸气所占的体积。

答案及解题思路：

答案：

1.理想气体状态方程

2.J/(kg·K)

3.不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化

4.1(冷凝器放热/高压蒸汽的热量)

5.在特定温度和压强下，单位质量水蒸气所占的体积

解题思路：

1.理想气体状态方程描述了理想气体在特定条件下压强、体积和温度之间的关系，通常表示为PV=nRT。

2.比热容是物质吸收或放出单位质量的热量所引起的温度变化，单位是焦耳每千克开尔文。

3.热力学第二定律指出，热量不会自发地从低温物体传递到高温物体，除非有外部工作。

4.蒸汽机的热效率可以通过比较实际做功与吸收的热量来计算，即效率=实际做功/吸收的热量。

5.比体积是指单位质量物质所占的体积，对于水蒸气来说，它表示在特定温度和压强下，单位质量水蒸气所占的体积。三、判断题1.理想气体的内能只与温度有关。（√）

解题思路：根据理想气体的性质，理想气体的内能完全取决于其分子的平均动能，而平均动能只与温度有关。因此，理想气体的内能只与温度有关。

2.比热容与物质的种类无关。（×）

解题思路：比热容是物质的一种特性，不同物质的比热容是不同的。它取决于物质的分子结构和分子间的作用力，因此比热容与物质的种类是有关系的。

3.热力学第一定律揭示了能量守恒定律。（√）

解题思路：热力学第一定律表述为：在一个孤立系统中，能量不能被创造或销毁，只能从一种形式转化为另一种形式。这直接揭示了能量守恒定律。

4.摩尔热容比小于1的物质为单原子分子气体。（×）

解题思路：摩尔热容比（也称为比热容比）是指气体的定压摩尔热容与定容摩尔热容的比值。对于单原子分子气体，摩尔热容比等于5/3（因为其定容摩尔热容为3R/2，定压摩尔热容为5R/2）。但是摩尔热容比小于1的物质不一定是单原子分子气体，它可能涉及复杂的多原子分子。

5.热机效率越高，能量损失越少。（√）

解题思路：热机效率定义为热机输出的有用功与其吸收的热量之比。效率越高，表示热机将吸收的热量转化为功的比例越大，因此能量损失越少。四、计算题1.一定量的理想气体，其初态为P1=101.325kPa，V1=0.5m³，温度T1=27℃；末态为P2=1.0MPa，V2=0.2m³，求温度T2。

2.一台热机吸收热量Q1=3000kJ，对外做功W=1000kJ，求热机效率。

3.1mol的水蒸气从300℃、1.0MPa的状态膨胀到500℃、0.5MPa的状态，求该过程中水蒸气的内能变化ΔU。

4.理想气体的压强、体积、温度之间的关系式为PV/T=常数，求证该关系式。

5.热机循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，求循环效率与绝热指数的关系。

答案及解题思路：

1.解答：

使用理想气体状态方程\(P_1V_1/T_1=P_2V_2/T_2\)。

转换温度为开尔文：\(T_1=27℃273.15=300.15K\)。

\(T_2=\frac{P_2V_2T_1}{P_1V_1}=\frac{1.0\times10^6\times0.2\times300.15}{101.325\times0.5}\approx603.03K\)。

解题思路：通过理想气体状态方程计算末态温度，注意单位转换。

2.解答：

热机效率\(\eta=\frac{W}{Q_1}\times100\%\)。

\(\eta=\frac{1000}{3000}\times100\%=33.33\%\)。

解题思路：根据热机效率公式计算效率，将做功与吸收的热量进行比较。

3.解答：

使用焓变化公式\(\DeltaU=H_2H_1\)。

查找或计算在给定状态下的焓值\(H_1\)和\(H_2\)。

\(\DeltaU=3547.7kJ/mol2800.3kJ/mol=747.4kJ/mol\)。

解题思路：通过查找或计算水蒸气在两个状态下的焓值，计算内能变化。

4.解答：

使用理想气体状态方程\(PV=nRT\)。

\(T=\frac{PV}{nR}\)。

在两个不同状态下，由于\(n\)和\(R\)是常数，\(PV/T\)也是常数。

解题思路：通过理想气体状态方程推导关系式，证明\(PV/T\)为常数。

5.解答：

热机循环效率\(\eta=1\frac{T_2}{T_1}\)。

对于绝热过程，\(T_2=T_1\cdot(\frac{P_1}{P_2})^{\gamma}\)，其中\(\gamma\)是绝热指数。

将\(T_2\)代入循环效率公式，得到\(\eta=1(\frac{P_1}{P_2})^{\gamma1}\)。

解题思路：通过热机循环效率和绝热过程的关系，推导循环效率与绝热指数的关系。五、简答题1.简述热力学第一定律的数学表达式及其含义。

答案：

热力学第一定律的数学表达式为：ΔU=QW，其中ΔU表示系统内能的变化，Q表示系统吸收的热量，W表示系统对外做的功。

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。在这个表达式中，ΔU代表系统能量的变化，Q代表系统与外界之间热量交换的大小，W代表系统对外做功的大小。这个定律揭示了能量在热力学过程中的转化和守恒关系。

2.简述热力学第二定律的表述。

答案：

热力学第二定律有几种不同的表述，其中之一是：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功而不引起其他变化。

解题思路：

热力学第二定律揭示了热力学过程的方向性和不可逆性。该定律的表述表明，在实际的热力学过程中，不可能仅通过热量的传递来完成功的转换，而没有其他形式的变化或影响，这反映了自然界中的熵增原理。

3.简述理想气体的内能、焓、熵的定义及其关系。

答案：

理想气体的内能U仅与温度有关，定义为气体分子无规则运动的动能总和。

焓H定义为系统的内能U加上系统体积V与外界压力P的乘积，即H=UPV。

熵S定义为系统微观状态数的对数，它是衡量系统无序程度的一个物理量。

关系：在等压过程中，焓的变化等于系统吸收的热量；在等温过程中，内能的变化等于系统对外做的功。

解题思路：

理想气体的内能、焓和熵是热力学中的基本概念。内能是气体分子动能的体现，焓是内能和体积功的加和，熵是系统无序度的度量。它们之间的关系反映了热力学过程中能量和熵的变化。

4.简述热机循环的四个过程及其特点。

答案：

热机循环通常包括四个过程：吸气过程、压缩过程、做功过程和排气过程。

吸气过程：高温高压气体被吸入气缸，准备做功。

压缩过程：活塞向上移动，压缩气体，提高气体温度和压力。

做功过程：高温高压气体膨胀，推动活塞做功，内能转化为机械能。

排气过程：废气被排出气缸，准备下一个循环。

解题思路：

热机循环是热机工作过程中的重复过程，它将热能转化为机械能。每个过程都有其特定的特点和功能，共同保证了热机的连续工作。

5.简述蒸汽机的热效率计算公式及其含义。

答案：

蒸汽机的热效率计算公式为：η=1(Qc/Qh)，其中η表示热效率，Qc表示冷凝热，Qh表示加热热。

解题思路：

蒸汽机的热效率是指蒸汽机将吸收的热量转化为有用功的比例。冷凝热Qc是蒸汽在冷凝器中释放的热量，加热热Qh是蒸汽在锅炉中吸收的热量。热效率的公式表明，蒸汽机的效率与冷凝热和加热热之间的比值有关，反映了蒸汽机能量转换的效率。六、论述题1.论述热力学第一定律和第二定律的相互关系。

a.热力学第一定律的内容与意义

热力学第一定律的内容

热力学第一定律在能量守恒中的作用

b.热力学第二定律的内容与意义

热力学第二定律的内容

热力学第二定律对熵增原理的解释

c.两定律的相互关系

第一定律与第二定律在能量转化与守恒中的作用

两定律在工程实际中的应用与联系

2.论述热力学参数在工程中的应用。

a.温度参数

温度参数在热交换工程中的应用

温度参数在制冷与空调系统中的应用

b.压力参数

压力参数在压力容器设计中的应用

压力参数在流体力学中的影响

c.熵参数

熵参数在热力学循环效率分析中的应用

熵参数在热力学系统优化设计中的应用

3.论述提高热机效率的方法。

a.热机效率的基本原理

卡诺循环与热机效率

实际热机的效率问题

b.提高热机效率的方法

改善燃烧效率

优化热交换过程

减少不可逆损失

答案及解题思路：

1.论述热力学第一定律和第二定律的相互关系。

答案：

热力学第一定律（能量守恒定律）指出，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。这是热力学所有过程的基石。

热力学第二定律指出，孤立系统的熵不会自发减少，这表明自然过程具有方向性，即自发过程总是向熵增的方向进行。

两定律的相互关系体现在：第一定律保证了能量的转换和守恒，而第二定律则定义了能量转换的方向和效率的上限。

解题思路：

首先阐述第一定律的基本内容和意义，然后介绍第二定律的内容和熵增原理。

结合两定律的基本概念，分析它们在能量转换过程中的相互作用和联系。

通过实际工程案例，说明如何在设计和操作中考虑这两定律。

2.论述热力学参数在工程中的应用。

答案：

温度参数在热交换工程中用于确定传热效率和介质的热力学状态。

压力参数在压力容器设计中用于保证容器的结构安全和流体流动的稳定性。

熵参数在热力学循环效率分析中用于评估系统的热力学功能和不可逆损失。

解题思路：

分别讨论每个参数在不同工程领域的应用，提供具体案例和实际应用实例。

分析参数选择和优化的依据，以及如何通过调整参数来改善系统功能。

3.论述提高热机效率的方法。

答案：

改善燃烧效率可以通过优化燃烧室设计、采用预混燃烧或改善燃料质量来实现。

优化热交换过程可以通过提高传热效率、减少热量损失和改进冷却系统设计来达到。

减少不可逆损失可以通过改进热机设计、采用先进的循环系统和技术来降低。

解题思路：

分析热机效率的基本原理，特别是卡诺循环的概念。

提出具体的提高效率的方法，并说明这些方法如何通过改善热机设计和操作来提高效率。

结合工程实践，讨论实施这些方法可能遇到的挑战和解决方案。七、应用题1.某热机的热效率为30%，已知热机吸收的热量为Q1=1000kJ，求热机对外做功W。

2.某理想气体在等压过程中，压强P=100kPa，初始体积V1=0.2m³，温度T1=300K，求末态体积V2和温度T2。

3.某热机工作在两个等温过程和两个绝热过程之间，已知热机吸收的热量为Q1=1000kJ，对外做功W=600kJ，求热机的效率。

4.某理想气体从初态P1=100kPa、V1=0.5m³、T1=300K变化到末态P2=200kPa、V2=0.2m³、T2=600K，求该过