2025年度工程热力学试题附答案

2025年度工程热力学试题附答案一、选择题1.下列关于热力学系统的说法，正确的是()A.孤立系统与外界既无能量交换，也无物质交换B.闭口系统一定是绝热系统C.开口系统只能与外界交换物质，不能交换能量D.绝热系统一定是孤立系统答案：A解析：孤立系统的定义就是与外界既无能量交换，也无物质交换，A选项正确。闭口系统是与外界无物质交换，但可以有能量交换，不一定是绝热系统，B选项错误。开口系统既可以与外界交换物质，也能交换能量，C选项错误。绝热系统只是与外界无热量交换，但可能有物质交换或其他形式的能量交换，不一定是孤立系统，D选项错误。2.理想气体的内能和焓是()的单值函数。A.温度B.压力C.比容D.熵答案：A解析：根据理想气体的性质，理想气体的内能和焓只是温度的单值函数，与压力和比容等其他参数无关，A选项正确。3.卡诺循环由两个()过程和两个()过程组成。A.等温，等压B.等温，等容C.等温，绝热D.等压，绝热答案：C解析：卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的，C选项正确。4.熵增原理表明，在绝热过程中，系统的熵()。A.只能增大B.只能减小C.可以不变D.可以增大或不变答案：D解析：熵增原理指出，在绝热过程中，系统的熵可以增大（不可逆绝热过程）或不变（可逆绝热过程），D选项正确。5.水蒸气的定压发生过程经历了()个阶段。A.1B.2C.3D.4答案：C解析：水蒸气的定压发生过程经历了未饱和水的预热阶段、饱和水的汽化阶段和干饱和蒸汽的过热阶段，共3个阶段，C选项正确。6.工质经过一个不可逆循环后，其熵的变化()。A.大于零B.小于零C.等于零D.无法确定答案：C解析：熵是状态参数，工质经过一个循环后回到初始状态，状态参数恢复原值，所以熵的变化等于零，与循环是否可逆无关，C选项正确。7.下列哪种气体可近似看作理想气体()。A.水蒸气B.空气C.制冷剂蒸汽D.石油气答案：B解析：在通常的温度和压力下，空气的分子间距离较大，分子间作用力和分子本身的体积可以忽略不计，可近似看作理想气体。水蒸气、制冷剂蒸汽和石油气在很多工程实际情况下，不能简单地看作理想气体，B选项正确。8.多变过程中，当多变指数(n=1)时，该过程为()过程。A.等压B.等容C.等温D.绝热答案：C解析：多变过程方程为(pV^n=C)（(C)为常数），当(n=1)时，(pV=C)，而理想气体状态方程(pV=mRT)，在质量(m)和气体常数(R)不变的情况下，(pV=C)意味着温度(T)不变，即为等温过程，C选项正确。9.某热机在高温热源(T_1=600K)和低温热源(T_2=300K)之间工作，其热效率为(40%)，则该热机()。A.是可逆热机B.是不可逆热机C.是不可能热机D.无法判断答案：B解析：卡诺热机的效率为(η{carnot}=1-T2T1=1-300600=50%)。实际热机效率(η=40%)，因为(0<10.对于定容过程，工质吸收的热量等于()的增加。A.内能B.焓C.熵D.压力答案：A解析：根据热力学第一定律(δq=du+δw)，对于定容过程(δw=0)，则(δq=du)，即工质吸收的热量等于内能的增加，A选项正确。二、填空题1.热力学第______定律是能量转换与守恒定律在热现象中的应用。答案：一2.理想气体的状态方程为______。答案：(pV=mRT)（(p)为压力，(V)为体积，(m)为质量，(R)为气体常数，(T)为温度）3.卡诺循环的热效率只与______和______有关。答案：高温热源温度；低温热源温度4.熵是衡量系统______程度的状态参数。答案：无序5.水蒸气的临界状态是指______和______相等的状态。答案：饱和液体；干饱和蒸汽的比容6.多变过程的过程方程为______。答案：(pV^n=C)（(p)为压力，(V)为比容，(n)为多变指数，(C)为常数）7.绝热过程中，理想气体的状态参数满足______关系。答案：(pV^{γ}=C)（(γ)为绝热指数，(C)为常数）8.热机的热效率是指热机对外做的______与从高温热源吸收的______之比。答案：功；热量9.定压过程中，工质吸收的热量等于______的增加。答案：焓10.对于理想气体，比定压热容(c_p)和比定容热容(c_v)之间的关系为______。答案：(c_p-c_v=R)（(R)为气体常数）三、判断题1.孤立系统的熵永远不会减少。()答案：√解析：根据熵增原理，孤立系统与外界没有物质和能量交换，其内部发生的过程总是朝着熵增大的方向进行，当达到平衡状态时，熵达到最大值，所以孤立系统的熵永远不会减少。2.理想气体的比热是常数，不随温度变化。()答案：×解析：理想气体的比热与温度有关，一般情况下，理想气体的比热是温度的函数，只有在一定的温度范围内，为了简化计算，才可以将比热看作常数。3.可逆过程一定是准静态过程。()答案：√解析：可逆过程要求过程进行中没有任何不可逆因素，而准静态过程是指过程进行得非常缓慢，系统在过程中始终无限接近于平衡状态，可逆过程必然是准静态过程，因为只有准静态过程才有可能消除过程中的不可逆因素。4.绝热过程一定是等熵过程。()答案：×解析：只有可逆的绝热过程才是等熵过程。对于不可逆绝热过程，由于存在摩擦等不可逆因素，会产生熵产，系统的熵会增加，所以绝热过程不一定是等熵过程。5.水蒸气的干度(x)表示湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数。()答案：√解析：干度(x)的定义就是湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量与湿蒸汽总质量之比，即表示湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数。6.热机的热效率不可能达到(100%)。()答案：√解析：根据热力学第二定律，热机在工作过程中，不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为有用功，必然有一部分热量要排放到低温热源，所以热机的热效率不可能达到(100%)。7.多变过程包含了所有的热力过程。()答案：√解析：多变过程方程(pV^n=C)，当多变指数(n)取不同的值时，可以表示等压（(n=0)）、等容（(n→∞)）、等温（(n=1)）、绝热（(n=γ)）等各种典型的热力过程，所以可以说多变过程包含了所有的热力过程。8.工质在绝热膨胀过程中，温度一定降低。()答案：√解析：对于绝热过程，(δq=0)，根据热力学第一定律(δq=du+δw)，则(δw=-du)。在绝热膨胀过程中，工质对外做功(δw>0)，所以(du<0)，而理想气体的内能是温度的单值函数，内能减小意味着温度降低。对于实际气体，在绝热膨胀过程中，温度也通常是降低的。9.定容过程中，工质的压力与温度成正比。()答案：√解析：对于理想气体，定容过程中(V=C)（常数），根据理想气体状态方程(pV=mRT)，可得(p=mR10.卡诺循环是实际热机中效率最高的循环。()答案：×解析：卡诺循环是在相同的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆循环中效率最高的循环，但在实际热机中，由于存在各种不可逆因素，无法实现卡诺循环，而且实际热机的工作条件和卡诺循环的理想条件有很大差异，所以不能说卡诺循环是实际热机中效率最高的循环。四、简答题1.简述热力学第一定律和第二定律的实质。(1).热力学第一定律的实质是能量转换与守恒定律在热现象中的应用。它指出在热现象中，能量可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总量保持不变。例如，热可以转化为功，功也可以转化为热，并且热和功之间存在一定的当量关系。(2).热力学第二定律的实质是指出了热过程进行的方向性和限度。它表明热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体；任何热机都不可能将从高温热源吸收的热量全部转化为有用功，必然有一部分热量要排放到低温热源。热力学第二定律揭示了自然界中一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的。2.什么是理想气体？理想气体的假设条件有哪些？(1).理想气体是一种理想化的气体模型，在这种模型中，气体分子之间的距离足够大，分子间的相互作用力可以忽略不计，分子本身的体积也可以忽略不计。(2).理想气体的假设条件主要有两个：一是分子之间没有相互作用力，即分子之间的引力和斥力都为零；二是分子本身不占有体积，分子可以看作是没有大小的质点。在实际工程中，当气体的压力不太高、温度不太低时，许多气体可以近似看作理想气体，这样可以简化对气体热力性质的分析和计算。3.说明卡诺循环的构成和意义。(1).卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。具体来说，工质首先从高温热源可逆等温吸热，然后进行可逆绝热膨胀，接着向低温热源可逆等温放热，最后进行可逆绝热压缩回到初始状态。(2).卡诺循环的意义主要体现在以下几个方面：一是它为热机的效率提供了一个理论上的极限值，即卡诺热机的效率只与高温热源和低温热源的温度有关，与工质的性质和具体的循环过程无关。这为提高热机效率指明了方向，即要提高热机效率，就需要提高高温热源的温度，降低低温热源的温度。二是卡诺循环是一种理想的可逆循环，它为分析和评价实际热机的性能提供了一个理想的参照标准，通过与卡诺循环的比较，可以评估实际热机的不可逆损失程度。4.简述熵增原理及其应用。(1).熵增原理是指在绝热系统中，系统的熵只能增大或不变，即(ΔS_{绝热}≥0(2).熵增原理的应用非常广泛。在热工分析中，可以用熵增原理来判断热力过程进行的方向性和限度，例如判断一个热过程是否能够自发进行。在能量利用方面，熵增原理可以用来分析能量在转换和传递过程中的损失情况，指导人们合理地利用能源，提高能源的利用效率。在工程实际中，还可以通过熵增原理来评估热力设备和系统的性能，找出不可逆损失较大的环节，从而采取相应的措施进行改进。5.分析水蒸气定压发生过程的特点。(1).水蒸气的定压发生过程经历了三个阶段：未饱和水的预热阶段、饱和水的汽化阶段和干饱和蒸汽的过热阶段。(2).在未饱和水的预热阶段，工质是未饱和水，随着加热，水的温度逐渐升高，比容也略有增加，但增加幅度较小，压力保持不变。(3).在饱和水的汽化阶段，工质是饱和水和干饱和蒸汽的混合物（湿蒸汽），继续加热，水不断汽化，干度逐渐增大，但温度和压力保持不变，比容则显著增大。此阶段吸收的热量称为汽化潜热，用于使水从液态转变为气态。(4).在干饱和蒸汽的过热阶段，工质是干饱和蒸汽，继续加热，蒸汽的温度升高，比容进一步增大，压力仍然保持不变。此时蒸汽的温度高于同压力下的饱和温度，成为过热蒸汽。整个定压发生过程中，压力始终保持不变，这是该过程的一个重要特点。五、计算题1.某理想气体在等压过程中，从外界吸收热量(Q=500kJ)，已知该气体的比定压热容(c_p=1.0kJ/(kg⋅K))，质量(m=2kg)，求气体温度的升高值(ΔT)。(1).根据等压过程中热量的计算公式(Q=mc_pΔT)。(2).已知(Q=500kJ)，(m=2kg)，(c_p=1.0kJ/(kg⋅K))，将其代入公式可得：(ΔT=Qm(3).计算(ΔT=50022.一台卡诺热机工作在高温热源(T_1=800K)和低温热源(T_2=300K)之间，若热机从高温热源吸收热量(Q_1=2000kJ)，求：(1)热机的热效率(η_{carnot})。根据卡诺热机热效率公式(η_{carnot}=1-T2已知(T_1=800K)，(T_2=300K)，则(η_{carnot}=1-300800(2)热机对外做的功(W)。根据热机热效率的定义(η_{carnot}=WQ已知(η{carnot}=0.625)，(Q_1=2000kJ)，则(W=η{carnot}Q_1=0.625×2000(3)热机向低温热源放出的热量(Q_2)。根据能量守恒定律(Q_1=W+Q_2)。已知(Q_1=2000kJ)，(W=1250kJ)，则(Q_2=Q_1-W=2000-1250=750kJ)。3.某理想气体经历一个多变过程，初始状态(p_1=1MPa)，(V_1=0.1m^3)，终态(p_2=0.2MPa)，(V_2=0.5m^3)，求多变指数(n)。(1).根据多变过程方程(p_1V_1^n=p_2V_2^n)。(2).对等式两边取对数可得：(lnp_1+nlnV_1=lnp_2+nlnV_2)。(3).移项可得：(n(lnV_2-lnV_1)=lnp_1-lnp_2)。(4).根据对数运算法则(lna-lnb=lnab)，则(n=ln(5).已知(p_1=1MPa)，(p_2=0.2MPa)，(V_1=0.1m^3)，(V_2=0.5m^3)，代入可得：(n=ln10.2ln4.水蒸气在定压过程中从(t_1=20^{∘}C)加热到(t_2=300^{∘}C)，压力(p=1MPa)，求(1kg)水蒸气吸收的热量(q)。(1).首先，查水蒸气热力性质表，得到(p=1MPa)时，(t_1=20^{∘}C)的未饱和水的焓(h_1)，以及(t_2=300^{∘}C)的过热蒸汽的焓(h_2)。(2).对于定压过程，工质吸收的热量(q=h_2-h_1)。(3).查水蒸