工程热力学知识重点与试题集

工程热力学知识重点与试题集姓名_________________________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.热力学第一定律的数学表达式为：

A.ΔU=QW

B.ΔU=QW

C.ΔU=QWW

D.ΔU=QWW

2.热力学第二定律的克劳修斯表述为：

A.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体

B.热量不能自发地从高温物体传递到低温物体

C.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，也不能自发地从高温物体传递到低温物体

D.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，但可以自发地从高温物体传递到低温物体

3.理想气体状态方程为：

A.PV=nRT

B.PV=mRT

C.PV=nRTW

D.PV=mRTW

4.热机效率是指：

A.热机输出功与输入热量的比值

B.热机输出功与输出热量的比值

C.输入热量与输出热量的比值

D.输出热量与输入热量的比值

5.热力学第三定律表明：

A.系统的熵在绝对零度时为零

B.系统的熵在绝对零度时为无穷大

C.系统的熵在绝对零度时为有限值

D.系统的熵在绝对零度时不存在的

答案及解题思路：

1.答案：A

解题思路：热力学第一定律表明能量守恒，即系统的内能变化等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。因此，正确答案是A.ΔU=QW。

2.答案：A

解题思路：克劳修斯表述为热力学第二定律的微观表述之一，指出热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。因此，正确答案是A.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

3.答案：A

解题思路：理想气体状态方程PV=nRT描述了理想气体在特定条件下的压力、体积和温度之间的关系。其中，n是气体的物质的量，R是理想气体常数。因此，正确答案是A.PV=nRT。

4.答案：A

解题思路：热机效率定义为热机输出功与输入热量的比值，表示热机将热能转换为机械能的效率。因此，正确答案是A.热机输出功与输入热量的比值。

5.答案：A

解题思路：热力学第三定律指出，当温度趋近于绝对零度时，系统的熵趋向于一个常数。根据第三定律，在绝对零度时，一个完美晶体的熵为零。因此，正确答案是A.系统的熵在绝对零度时为零。二、填空题1.热力学第一定律的数学表达式为：ΔU=QW。

解题思路：热力学第一定律表明能量守恒，ΔU代表系统内能的变化，Q代表系统吸收的热量，W代表系统对外做的功。因此，内能的变化等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。

2.热力学第二定律的克劳修斯表述为：热量不能自发地从_______传递到_______。

解题思路：根据克劳修斯表述，热量总是自发地从高温物体传递到低温物体，因此第一个空应填“高温物体”，第二个空应填“低温物体”。

3.理想气体状态方程为：PV=_______。

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代表压强，V代表体积，T代表温度，R是理想气体常数。因此，空格处应填“RT”。

4.热机效率是指：热机输出功与_______的比值。

解题思路：热机效率是指热机将吸收的热量转化为机械功的能力，因此空格处应填“吸收的热量”。

5.热力学第三定律表明：系统的熵在绝对零度时_______。

解题思路：热力学第三定律指出，当温度趋近于绝对零度时，一个完美晶体的熵趋于零。因此，空格处应填“为零”。

答案及解题思路：

答案：

1.ΔU=QW

2.热量不能自发地从高温物体传递到低温物体。

3.PV=RT

4.热机输出功与吸收的热量的比值。

5.系统的熵在绝对零度时为零。

解题思路：

1.热力学第一定律结合能量守恒原理，内能变化等于热量变化与功的变化之和。

2.克劳修斯表述为热力学第二定律的一种表述，指明热量传递的方向性。

3.理想气体状态方程由玻意耳马略特定律和查理定律结合得出，适用于理想气体。

4.热机效率是衡量热机功能的重要指标，表示为输出功与输入热量的比值。

5.热力学第三定律指出，在绝对零度时，完美晶体的熵达到最小值，即零。三、判断题1.热力学第一定律表明能量守恒。

答案：√

解题思路：热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出在一个孤立系统中，能量不会凭空产生也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式。

2.热力学第二定律表明热量不能自发地从低温物体传递到高温物体。

答案：√

解题思路：根据热力学第二定律，自然过程中的热量总是从高温物体传递到低温物体，而不是自发地从低温物体传递到高温物体。

3.理想气体状态方程适用于所有气体。

答案：×

解题思路：理想气体状态方程（理想气体定律PV=nRT）适用于理想气体，即分子间无相互作用、体积可忽略不计的气体。在现实世界中，真实气体的行为在某些条件下会偏离这一方程。

4.热机效率越高，热机的输出功越大。

答案：×

解题思路：热机效率是指热机将吸收的热能转化为机械能的比率。虽然高效率意味着热机转换能量的效率高，但输出功的大小还取决于吸收的热量，并不一定效率的增加而增大。

5.热力学第三定律表明系统的熵在绝对零度时为零。

答案：√

解题思路：热力学第三定律指出，当一个系统达到绝对零度时，其熵趋向于一个最小值，对于完美的晶体，这个最小熵值是零。四、简答题1.简述热力学第一定律和第二定律的内容。

热力学第一定律：能量守恒定律，它表明在一个封闭系统内，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转换为另一种形式。

解题思路：首先明确第一定律是能量守恒定律，然后阐述在封闭系统中能量只能转换形式，不能增减。

热力学第二定律：熵增原理，它表明在一个封闭系统内，孤立系统的总熵不会减少，即系统会自发地向着更加无序的方向发展。

解题思路：首先说明第二定律是熵增原理，然后阐述系统总熵不会减少，并说明系统的无序性趋势。

2.简述理想气体状态方程的适用条件。

理想气体状态方程：\(PV=nRT\)，适用于理想气体的状态描述，其中P是压力，V是体积，n是摩尔数，R是理想气体常数，T是绝对温度。

适用条件：气体分子的体积和分子间作用力可以忽略不计，气体温度足够高，使得分子间作用力远小于分子动能，气体体积足够大，使得分子间的碰撞频率很低。

解题思路：首先说明理想气体状态方程，然后列出适用的条件，包括体积、温度和压力等因素。

3.简述热机效率的概念及其影响因素。

热机效率：热机做功的效率是指热机将输入的热能转换为有用功的效率，通常用输出功与输入热量之比表示。

影响因素：热机效率受多种因素影响，包括热机的热源温度、冷源温度、热机的工作介质、热机的设计和材料等。

解题思路：首先解释热机效率的概念，然后列举影响热机效率的因素，包括温度、介质和设计等方面。

4.简述热力学第三定律的内容及其意义。

热力学第三定律：绝对零度时，任何完美晶体的熵都为零。

意义：热力学第三定律为热力学提供了温度绝对零点的参考标准，有助于理解绝对零度下系统的热力学行为。

解题思路：首先说明热力学第三定律的内容，然后阐述其意义，包括提供绝对零度参考和描述系统在绝对零度下的热力学行为。

答案及解题思路：

1.热力学第一定律和第二定律的内容：

第一定律：能量守恒定律，能量在封闭系统中只能转换形式，不能增减。

第二定律：熵增原理，孤立系统的总熵不会减少，系统自发地向无序方向发展。

2.理想气体状态方程的适用条件：

条件：气体分子体积和作用力可忽略，温度足够高，分子间作用力远小于分子动能，体积足够大，分子间碰撞频率低。

3.热机效率的概念及其影响因素：

概念：热机做功的效率，输出功与输入热量之比。

影响因素：热源温度、冷源温度、工作介质、热机设计、材料等。

4.热力学第三定律的内容及其意义：

内容：绝对零度时，完美晶体的熵为零。

意义：提供绝对零度参考标准，理解绝对零度下系统的热力学行为。五、计算题1.已知理想气体在初态下的温度为300K，压强为1.0×10^5Pa，体积为0.5m^3。若气体在等压过程中温度升高到500K，求气体的末态体积。

2.已知热机效率为30%，输入热量为1000kJ，求热机的输出功。

3.已知某物体的比热容为0.5kJ/(kg·K)，质量为2kg，温度从20℃升高到100℃，求物体吸收的热量。

4.已知某热力学系统的熵变为2J/K，求该系统的温度变化。

5.已知某理想气体在初态下的温度为300K，压强为1.0×10^5Pa，体积为0.5m^3。若气体在等温过程中体积增大到1.0m^3，求气体的末态压强。

答案及解题思路：

1.答案：末态体积为0.833m^3

解题思路：根据查理定律（等压过程中，气体的体积与温度成正比），即\(\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\)。将已知条件代入计算得末态体积\(V_2\)。

2.答案：热机的输出功为300kJ

解题思路：热机效率\(\eta=\frac{W}{Q}\)，其中\(W\)是输出功，\(Q\)是输入热量。由公式变形可得\(W=\etaQ\)，代入数值计算即可。

3.答案：物体吸收的热量为60kJ

解题思路：热量计算公式\(Q=mc\DeltaT\)，其中\(m\)是质量，\(c\)是比热容，\(\DeltaT\)是温度变化。代入数值进行计算。

4.答案：系统的温度变化为1K

解题思路：根据熵的定义\(\DeltaS=Q/T\)，其中\(\DeltaS\)是熵变，\(Q\)是热量，\(T\)是温度。已知熵变和温度变化成反比，根据公式计算温度变化。

5.答案：末态压强为0.3×10^5Pa

解题思路：根据玻意耳定律（等温过程中，气体的压强与体积成反比），即\(P_1V_1=P_2V_2\)。将已知条件代入计算得末态压强\(P_2\)。六、论述题1.论述热力学第一定律和第二定律的关系。

热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的体现，它表明在一个封闭系统中，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。

热力学第二定律则涉及能量转化的方向性和不可逆性，它指出在一个孤立系统中，熵总是趋向于增加，即系统的无序度总是趋向于增加。

解题思路：

首先阐述热力学第一定律的基本内容，即能量守恒。

然后解释热力学第二定律的核心思想，即熵增原理。

接着分析两者之间的关系，指出第一定律是第二定律的基础，第二定律则对能量转化的方向性进行了限制。

最后结合实际案例，如热机工作过程，说明两者在实际应用中的相互作用。

2.论述热力学第三定律在工程中的应用。

热力学第三定律指出，当温度趋近于绝对零度时，任何纯净物质的熵趋近于零。

在工程中，这一原理常用于低温热力学过程的分析，如制冷和低温储存。

解题思路：

首先介绍热力学第三定律的基本内容，即绝对零度时熵为零。

然后列举热力学第三定律在工程中的应用，如低温制冷技术。

接着分析第三定律在工程应用中的重要性，如提高制冷效率、保护材料等。

最后讨论第三定律在实际工程案例中的应用实例，如液氦冷却系统。

3.论述热机效率的提高方法及其在实际工程中的应用。

提高热机效率的方法包括：提高热源温度、降低冷源温度、减少不可逆损失、优化热机循环等。

在实际工程中，这些方法被广泛应用于提高热机功能，如内燃机、蒸汽轮机等。

解题思路：

首先概述热机效率的概念及其重要性。

然后列举提高热机效率的方法，如提高热源温度、降低冷源温度等。

接着分析这些方法在提高热机效率中的作用原理。

最后结合实际工程案例，如现代汽车发动机和发电厂的热机，说明这些方法的应用效果。

答案及解题思路：

1.答案：

热力学第一定律和第二定律的关系是：第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的体现，而第二定律则涉及能量转化的方向性和不可逆性。第一定律是第二定律的基础，第二定律对能量转化的方向性进行了限制。

解题思路：

阐述第一定律和第二定律的基本内容。

分析两者之间的关系，结合实际案例说明。

2.答案：

热力学第三定律在工程中的应用主要体现在低温制冷技术中，如液氦冷却系统，通过降低温度来减少系统的熵，提高制冷效率。

解题思路：

介绍第三定律的基本内容。

列举其在工程中的应用，分析其重要性。

3.答案：

提高热机效率的方法包括提高热源温度、降低冷源温度、减少不可逆损失、优化热机循环等。这些方法在实际工程中得到了广泛应用，如内燃机和蒸汽轮机。

解题思路：

概述热机效率的概念。

列举提高效率的方法，分析其原理。

结合实际工程案例说明应用效果。七、应用题1.题目：某热机在高温热源和低温热源之间工作，高温热源温度为800K，低温热源温度为300K。求该热机的最大效率。

解题思路：

热机的最大效率可以用卡诺热机的效率公式来计算，该公式为：

\[

\eta_{\text{max}}=1\frac{T_{\text{low}}}{T_{\text{high}}}

\]

其中，\(T_{\text{low}}\)和\(T_{\text{high}}\)分别是低温热源和高温热源的温度。

代入给定的数值，计算得到：

\[

\eta_{\text{max}}=1\frac{300K}{800K}=10.375=0.625

\]

即热机的最大效率为62.5%。

2.题目：某物体的比热容为0.5kJ/(kg·K)，质量为2kg，温度从20℃升高到100℃，求物体吸收的热量。

解题思路：

物体吸收的热量可以用下面的公式计算：

\[

Q=mc\DeltaT

\]

其中，\(Q\)是吸收的热量，\(m\)是物体的质量，\(c\)是比热容，\(\DeltaT\)是温度变化。

温度变化\(\DeltaT=100℃20℃=80℃\)，代入数值：

\[

Q=2\text{kg}\times0.5\text{kJ/(kg·K)}\times80\text{K}=80\text{kJ}

\]

物体吸收的热量为80kJ。

3.题目：已知某理想气体在初态下的温度为300K，压强为1.0×10^5Pa，体积为0.5m^3。若气体在等压过程中温度升高到500K，求气体的末态体积。

解题思路：

对于理想气体在等压过程中，体积和温度的关系遵循查理定律：

\[

\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}

\]

其中，\(V_1\)和\(T_1\)是初态的体积和温度，\(V_2\)和\(T_2\)是末态的体积和温度。

代入已知数值，求解末态体积：

\[

V_2=\frac{T_2}{T_1}\timesV_1=\frac{500K}{300K}\times0.5\text{m}^3=\frac{5}{3}\times0.5\text{m}^3=\frac{5}{6}\text{m}^3

\]

气体的末态体积为\(\frac{5}{6}\text{m}^3\)。

4.题目：某热机效率为30%，输入热量为1000kJ，求热机的输出功。

解