《工程热力学》 教学大纲、测试题

《工程热力学》教学大纲课程名称：工程热力学学分：2或3学时：32或48课程教材：李永，宋健.工程热力学[M].北京：机械工业出版社，2017专业年级：工科类相关专业本科生一、目的与任务工程热力学基本定律反映了自然界的客观规律，以这些定律为基础进行演绎、逻辑推理而得到的工程热力学方法、关系与结论,具有高度的普遍性、可行性、可靠性与实用性，可以应用于力学、宇航工程、机械与车辆工程等各个领域。工程热力学目的是研究和讲授热力学系统、热能动力装置中工作介质的基本热力学性质、热力学定律、热力学各种装置的工作过程以及提高能量转化效率的途径等，使学生熟练掌握解决工程热力学问题的基本方法，培养学生灵活应用热力学定律合理分析热力学系统的基本能力。工程热力学任务是研究和传授热力系统能量、能量转换以及与能量转换有关的物性间相互关系和基本研究方法，培养学生对热力学的基本概念、基本理论的熟练掌握，分析求解热力学基本问题的能力。工程热力学起源于对热机和工质等的研究，热力学定律条理清楚，推理严格。工程热力学的内容多、概念多、公式多与方法多，工程热力学广泛联系热力工程和能源工程等领域。二、主要教学内容与学时分配绪论（2学时）第一节热力学的发展意义第二节热力学的历史沿革第三节热力学的基本定律《工程热力学》练习题参考答案第一单元一、判断正误并说明理由：1.给理想气体加热，其热力学能总是增加的。错。理想气体的热力学能是温度的单值函数，如果理想气体是定温吸热，那么其热力学能不变。.测量容器中气体压力的压力表读数发生变化一定是气体热力状态发生了变化。错。压力表读数等于容器中气体的压力加上大气压力。所以压力表读数发生变化可以是气体的发生了变化，也可以是大气压力发生了变化。.在开口系统中，当进、出口截面状态参数不变时，而单位时间流入与流出的质量相等，单位时间交换的热量与功量不变，则该系统处在平衡状o错。系统处在稳定状态，而平衡状态要求在没有外界影响的前提下，系统在长时间不发生任何变化O.热力系统经过任意可逆过程后，终态B的比容为vB大于初态A的比容vA,外界一定获得了技术功。错。外界获得的技术功可以是正，、零或负。.在朗肯循环基础上实行再热，可以提高循环热效率。错。在郎肯循环基础上实行再热的主要好处是可以提高乏汽的干度，如果中间压力选的过低，会使热效率降低。.水蒸汽的定温过程中，加入的热量等于膨胀功。错。因为水蒸汽的热力学能不是温度的单值函数，所以水蒸汽的定温过程中，加入的热量并不是全部用与膨胀做功，还使水蒸汽的热力学能增加。.余隙容积是必需的但又是有害的，设计压气机的时候应尽可能降低余隙比。对。余隙容积的存在降低了容积效率，避免了活塞和气门缸头的碰撞，保证了设备正常运转，设计压气机的时候应尽可能降低余容比。.燃机定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高。错。在循环增压比相同吸热量相同的情况下，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高；但是在循环最高压力和最高温度相同时，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率低。.不可逆过程工质的牖总是增加的，而可逆过程工质的端总是不变的。错。燧是状态参数，工质燧的变化量仅与初始和终了状态相关，而与过程可逆不可逆无关。.已知湿空气的压力和温度，就可以确定其状态。错。湿空气是干空气与水蒸汽的混合物，据状态公理，确定湿空气的状态需要三个状态参数。二、简答题：.热力学第二定律可否表示为：机械能能完全转换为热能，而热能不能全部转换为机械能。不可以。机械能可以无条件地转化为热能，热能在一定条件下也可能全部转化为机械能。.试画出蒸汽压缩制冷简单循环的T-s图，并指出各热力过程以及与过程相对应的设备名称。蒸汽压缩制冷简单循环的T-s图.1-2为定烯压缩过程，在压缩机中进行；2-3为定压冷凝过程，在冷凝器中进行；3-4是节流降压过程，在节流阀中进行；4-1为定压蒸发过程，在蒸发器中进行。.用蒸汽作循环工质，其放热过程为定温过程，而我们又常说定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低?考察蒸汽动力循环和柴油机循环的热效率时，根据热效率的定义知道，热效率的大小与平均吸热温度和平均放热温度有关。平均吸热温度越高，热效率越高。蒸汽动力循环由于受到工质和材料的限制，其平均吸热温度是600℃左右；而柴油机循环的平均吸热温度是1300℃左右，所以蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低。.压气机按定温压缩时气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？压气机定温压缩与绝热压缩时所需要外界提供的功不一样，而需要外界提供的功等于压缩过程的技术功，定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小,济。如p-v图所示的压缩过程，可以看出定温压缩的技术功是P1・1・2T-p2-p1的面积，绝热压缩的技术功是P1-1-2s-p2-p1的面积。显然定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小。一、判断正误并说明理由：1、稳定流动热力系必为平衡热力系；错。稳定状态的系统部虽有确定的状态参数，但其是靠外界的影响来维持的。2、技术功是流体的宏观动能，宏观位能及所作出的轴功三者之和定义的；对。技术功包括宏观动能，宏观位能及所作出的轴功。3、物质经历一个定温变化过程以后，其热力学能变化位零；错。对任意一非理想气体来说，其热力学能都是内未能位能与动能之和，而温度仅是动能的表征。4、使系统端增加的过程一定是不可逆过程；错。过程的端变包括嫡产和燧流两部分，过程可逆与否主要看燧产是大于还是等于零。如果某一过程的嫡增加，该过程可以是在燃产等于等于零的情况下，燧流大于零。因此这句话不正确。5、在初压不变时，背压愈低，气体通过拉阀尔喷管出口截面上流速和流量都愈大；错。对缩放喷管来说，当背压降到临界压力时，气体流速达到音速。若背压继续降低，气体流量保持不变。6、1kg空气可以由p1=0.1MPa,t1=25℃被绝热压缩到p2=0.5MPa,t2=250℃;对。由0103.01,05.0ln287.025*********ln004.1InIn1212>=-++=-=?ppRTTcsp7>在增压比相同的情况下,有余隙与无余隙的压气机在压缩1kg气体时耗功必相同；对。在增压比相同的情况下，有余隙与无余隙的压气机在压缩1kg气体时所耗循环净功相等。8、物质的气化潜热随着饱和温度的提高而增大；错。物质的气化潜热随着饱和温度的提高而减小。9、逆卡诺循环的冷、热温差越大，则该循环的制冷系数越高；错。因为温差加大耗功也随之增大，所以说制冷系数不一定提高。10、当把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终态时，则可逆定温压缩过程最为省功.对。从p-v图术功的大小可以看出。第三单元一、判断正误并说明理由：.稳定流动能量方程不能用于有摩擦的情况。错。用于稳定流动的任何工质、任意过程.在增压比相同的情况下，有余隙与无余隙的压气机在压缩1kg气体时耗功必相同。对。.迈耶公式适用于一切理想气体。对。.在相同的温度和压力下，实际气体的比体积必小于按理想气体计算的比体积，即ZV1。错，Z可以大于、小于、等于1。.物质经历一个定温变化过程以后，其热力学能变化位零。错。对任意一非理想气体来说，其热力学能都是内位能与动能之和，而温度仅是动能的表征.系统的平衡状态是指系统在无外界影响的条件下，宏观热力性质不随时间而变化的状态。对。.当压力升高，饱和温度也升高了，故饱和蒸汽的比体积将增大。错，饱和蒸气的比体积减小。.工质流体在开口绝热系统中作不可逆稳定流动，则系统端变大于零。错，稳定流动，系统的嫡不变。.采用再热和抽气回热和方式，可以提高朗肯循环的热效率。错，再热循环不一定能提高热效率。.任何不可逆过程工质的焙总是增加的，而任何可逆过程工质的焙总是不变的。错，上述论点是针对孤立系统而言的，并非任意的系统。二、简答题：1.试在T-s图上表示简单蒸汽动力循环（朗肯循环），说明组成循环的热力过程并指出在何种设备中进行。1-2是定燧膨胀一汽轮机，2-3是定压放热一冷凝器，3-4是定蜡压缩-水泵，4-1是定压吸热一锅炉。2、向充满湿空气的刚性容器加入等温的干空气，问：水蒸气的分压力、相对湿度、含湿量以及湿空气比焰和比体积如何变化?水蒸气的分压力不变；相对湿度不变；含湿量减小；湿空气比焰减小；比体积减小。3、有人提出一个循环1-2-3-1：其中1-2是可逆定温吸热过程、2-3是可逆绝热过程、3-1是不可逆绝热过程，如图所示，1、2、3分别为平衡状态，试问循环能否实现，为什么？不能实现，整个循环只有一个换热过程，将热全部变为功，违反热力学第二定律。或：用克劳修斯积分不等式来判断。第四单元一、判断正误并说明理由：.闭口热力系统即为定容系统；错误。闭口系统山于与外界没有物质交换，系统包含的物质质量为一不变的常量，所以闭口系统又可称为控制质量系统。.工质流体在开口绝热系统中作不可逆稳定流动，则系统病变大于零;错。稳定流动系统，系统嫡变为零。.物质经历一个定温变化过程以后，其热力学能变化为零；错。对任意一非理想气体来说，其热力学能都是内未能位能与动能之和，而温度仅是动能的表征。.使系统端增加的过程一定是不可逆过程;错。过程的燧变包括燃产和燃流两部分，过程可逆与否主要看端产是大于还是等于零。如果某一过程的嫡增加，该过程可以是在增产等于等于零的情况下，爆流大于零。因此这句话不正确。.绝热节流是等焰过程；错。是焰不变的过程，但在节流阀附近，焙值不是确定的值。.在相同热源和在相同冷源之间的一切热机，无论采用什么工质，他们的热效率均相等；错。应该是一切可逆热机。7•绝热自由膨胀过程中，工质若为理想气体，则过程燧增大，但气体若是遵循德瓦尔斯方程，则过程焙变为零；错误。因为燧是状态参数与过程无关。8.理想气体的任何绝热过程都可用常数来描述其过程；错误。该式适用于可逆绝热过程。9.方程仅适用于可逆过程；错误。该方程适用于任何过程。10.如果饱和液体经历一可逆绝热膨胀过程至一较低的压力，部分液体将蒸发。正确。当压力p降低，对应的饱和温度也降低。二、简答题：1、解释一下为什么深秋的早晨会结露？由于深秋的早晨温度比较低，于是该温度对应的水蒸汽的饱和压力降低，而空气中水蒸汽的分压力不变，这样就导致空气的相对湿度增加，当第四节牖与能源第一章基本概念（2学时）第一节热能、热力系统、状态及状态参数第二节热力过程、功量及热量第三节热力循环第二章热力学第一定律及其应用（2学时）第一节热力学第一定律及其表达第二节热力学能和总储存能第三节热力学第一定律的实质（2学时）第四节能量方程式第五节稳定流动系统的能量方程（2学时）第六节能量方程的应用第七节循环过程第三章理想气体的性质（2学时）理想气体及其状态方程理想气体的比热容、比热力学能、比焙及比婚理想气体的混合物第四章理想气体的热力过程（2学时）第一节热力过程的方法概述热力过程的基本分析方法第二节理想气体的基本热力过程（2学时）第三节理想气体的多变过程（2学时）第四节压气机的理论压缩功（2学时）第五章热力学第二定律（2学时）第一节热力过程的方向性其超过100%时，就会有液体的水出现。此时空气的温度低于水蒸汽的分压力对应的饱和温度，即露点温度，所以出现露水。热力学第二定律的表述第二节卡诺热机（2学时）卡诺循环和卡诺定理状态参数熠第三节燧增原理（2学时）克劳修斯不等式和不可逆过程的爆变燧的物理意义第四节如参数和热量烟（2学时）烟参数、能量的品质与能量贬值原理热量爆、热量有效能及有效能损失第六章水蒸气的热力性质和热力过程（2学时）定压下水蒸气的发生过程蒸气热力性质图表蒸气的热力过程第七章实际空气的性质和过程（2学时）实际空气的状态参数及焰湿图实际空气的基本热力过程及工程应用三、考核与成绩评定考核：采用统一命题，闭卷考试。成绩评定：以百分制评定总评成绩。总评成绩包括期末考试成绩和平时成绩，其中期末考试成绩占70%,平时成绩占30%。四、说明.根据普通高等教育工科类本科工程热力学课程教学基本要求，考虑工程热力学专业特色与教学改革要求，同时反映热力学领域的新进展，进行补充、修改而制定的。.在保证基本教学要求的前提下，教师可根据实际情况，对内容进行适当的调整与删节。.适合力学、宇航、机械、能源、机电、车辆、交通及运载等专业的工程热力学课程。五、教材与参考书选用教材：李永，宋健.工程热力学[M].北京：机械工业出版社，2017选用参考书：李永，宋健.电动车辆能量转换与回收技术，第二版[M].北京：机械工业出版社，2021六、课程学时的主要内容分布、讲授课件与板书等进度表周次时数教学教案形式授课章节和教学内容课堂互动与练习作业122课堂讲授课件，板书绪论第一节热力学的发展意义，第二节热力学的历史沿革第三节热力学的基本定律，第四节篇与能源.工程热力学研究对象是什么？.试述热力学节能重要意义。122课堂讲授课件，板书推导，讨论第一章基本概念第一节热能、热力系统、状态及状态参数第二节热力过程、功量及热量，第三节热力循环.什么是可逆过程？.功和热量如何定义？3试述热力循环的基本过程。132课堂讲授课件，板书推导，讨第二章热力学第一定律及其应用第一节热力学第一定律及其表达第二节热力学能和总储存能.热力学解题方法有哪些?.热力学第一定律分析思路是什么？

论132课堂讲授课件，板书推导，讨论第三节热力学第一定律的实质第四节能量方程式1.分析热力学第一定律实质。2如何用能量方程式表示热力学第一定律？142课堂讲授课件，板书推导，讨论第五节稳定流动系统的能量方程第六节能量方程的应用第七节循环过程.稳流过程如何分析？.能量方程热力学意义是什么？热力学循环过程与那些？142课堂讲授课件，板书推导，讨论第三章理想气体的性质理想气体及其状态方程理想气体的比热容、比热力学能、比焰及比焙理想气体的混合物.理想气体的性质有哪些？.理想气体的比热力学能与比焰的区别与联系152课堂讲授课件，板书推导，讨论第四章理想气体的热力过程第一节热力过程的基本概念热力过程的基本分析方法1.试述理想气体的热力过程的基本概念和基本分析方法。152课堂讲授推导，讨第二节理想气体的基本热力过程理想气体的基本热力过程的热力学方程和分析方法1.试分析理想气体的基本热力过程的热力学方程。论162课堂讲授课件，板书第三节理想气体的多变过程理想气体的多变过程的热力学方程和分析方法1.试述理想气体多变过程的基本分析方法。162课件，板书课堂讨论第四节压气机的理论压缩功1.试述压气机的理论压缩功的计算方法。172课堂讲授课件，板书推导，讨论第五章热力学第二定律第一节热力过程的方向性热力学第二定律的表述.热力学第二定律表述是什么？.什么是热力过程的方向性？172课堂讲授课件，板书第二节卡诺热机卡诺循环和卡诺定理，状态参数与燃变.卡诺定理热力学意义是什么？.证明卡诺定理。182课堂讲授课件，板书第三节牖增原理克劳修斯不等式和不可逆过程的爆变，端的物理意义.端增原理的本质是什么？.试述克劳修斯不等式。182课件，板书，课堂讨论第四节烟参数和热量加斓参数、能量的品质与能量贬值原理热量施、热量有效能及有效能损失.试述烟参数、热量烧及能量品质的热力学意义。.能量贬值原理是什么？

192课件，板书，课堂讨论第六章水蒸气的热力性质和热力过程定压下水蒸气发生过程，蒸气热力图表，蒸气热力过程1.试分析定压下水蒸气热力学过程的计算方法。课堂讲第七章实际空气的性质和过程1.试述实际空气的基192授课实际空气的状态参数及熔湿图本热力过件，板书实际空气的基本热力过程及工程应用程的分析方法。七、课程教学目标实现与效果评价表

课程教学目标（给出知识能力素养各方面的的具体教学结果）主要教学效果评价与分析不及格及格与中良优掌握热力过程中物质没有掌握热力基本掌握热力较好掌握热力能够掌握热力性质改变与功、热等能过程中物质性过程中物质性过程中物质性过程中物质性量、热力学基本概念和质改变与功、质改变与功、热质改变与功、热质改变与功、热原理分析解决热力学热等能量、热等能量、热力学等能量、热力学等能量、热力学问题的能力。具备热力力学基本概念基本概念和原基本概念和原基本概念和原学的基本原理解释热和原理分析解理分析解决热理分析解决热理分析解决热力学定义、术语和概决热力学问题力学问题的能力学问题的能力学问题的能念，能量传递过程，热的能力。不具力。基本具备热力。较好具备热力。具备热力学力学第一和第二定律，备热力学的基力学的基本原力学的基本原的基本原理解能够用热力学描述方本原理解释热理解释热力学理解释热力学释热力学定义、式来表达这些问题。力学定义、术定义、术语和概定义、术语和概术语和概念，能语和概念，能念，能量传递过念，能量传递过量传递过程，热量传递过程，程，热力学第一程，热力学第一力学第一和第热力学第一和和第二定律。但和第二定律。但二定律。知识学第二定律，不是知识掌握和是知识掌握和握和能力形成能够用热力学描述方式来表达这些问题。或者仅有碎片化的理解。能力形成不全面。能力形成稍有欠缺。俱佳。没有掌握热力基本掌握热力较好掌握热力能够掌握热力学第一和第二学第一和第二学第一和第二学第一和第二2.掌握热力学第定律来解释物定律来解释物定律来解释物定律来解释物一和第二定律来解释质性质改变与质