工程热力学试题及答案1

工程热力学试题及答案1一、选择题（每题2分，共30分）

1.工程热力学中，工质是指（）A.各种热机中所使用的蒸汽B.热机中用来实现热能与机械能相互转换的媒介物质C.各种热力设备中所使用的燃气D.所有动力机械中所使用的工作物质

答案：B

解析：工质是热机中用来实现热能与机械能相互转换的媒介物质，它在热力设备中不断地经历吸热、膨胀、放热、压缩等热力过程，实现能量的转换和传递。

2.热力学第零定律主要涉及（）A.系统与外界的能量交换B.系统的状态变化C.温度的定义D.功和热量的计算

答案：C

解析：热力学第零定律指出，如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。该定律为温度的定义提供了基础。

3.理想气体是一种（）A.实际存在的气体，其分子间没有作用力，分子本身没有体积B.实际不存在的假想气体，其分子间没有作用力，分子本身没有体积C.实际存在的气体，其分子间有作用力，分子本身有体积D.实际不存在的假想气体，其分子间有作用力，分子本身有体积

答案：B

解析：理想气体是一种假想的气体模型，在实际中并不存在。它假设分子间没有作用力，分子本身没有体积，这样的假设使得理想气体的状态方程和热力过程分析相对简单。

4.已知理想气体的状态方程为\(pV=mRT\)，其中\(R\)为（）A.气体常数，与气体种类和状态有关B.通用气体常数，与气体种类无关C.比热比，与气体种类有关D.定容比热，与气体种类有关

答案：B

解析：通用气体常数\(R\)与气体种类无关，对于不同的理想气体，\(R\)的值是相同的，其数值为\(8.314J/(mol·K)\)。

5.一定质量的理想气体，在温度不变的情况下，压力增大，则体积（）A.增大B.减小C.不变D.无法确定

答案：B

解析：根据理想气体状态方程\(pV=mRT\)，当温度\(T\)不变，质量\(m\)不变，\(R\)为常数时，压力\(p\)增大，体积\(V\)必然减小。

6.对于定容过程，工质吸收的热量全部用于（）A.对外做功B.增加内能C.同时对外做功和增加内能D.无法确定

答案：B

解析：定容过程中，体积不变，\(W=p\DeltaV=0\)。根据热力学第一定律\(Q=\DeltaU+W\)，所以工质吸收的热量全部用于增加内能。

7.可逆过程的特点是（）A.系统和外界能够同时恢复到初始状态B.系统能恢复到初始状态，外界不能恢复到初始状态C.外界能恢复到初始状态，系统不能恢复到初始状态D.系统和外界都不能恢复到初始状态

答案：A

解析：可逆过程是指系统经历一个过程后，如果能使系统和外界同时恢复到初始状态，而不留下任何变化，这样的过程称为可逆过程。

8.卡诺循环由（）组成。A.两个等温过程和两个绝热过程B.两个等压过程和两个绝热过程C.两个等容过程和两个绝热过程D.两个等温过程和两个等容过程

答案：A

解析：卡诺循环由两个等温过程和两个绝热过程组成，它是一种理想的可逆循环，用于分析热机的效率等问题。

9.卡诺循环的热效率只与（）有关。A.高温热源温度和低温热源温度B.工质的性质C.循环的压力比D.循环的容积比

答案：A

解析：卡诺循环的热效率公式为\(\eta_{c}=1\frac{T_{2}}{T_{1}}\)，其中\(T_{1}\)为高温热源温度，\(T_{2}\)为低温热源温度，所以卡诺循环的热效率只与高温热源温度和低温热源温度有关。

10.下列哪种循环的热效率最高（）A.卡诺循环B.朗肯循环C.布雷顿循环D.回热循环

答案：A

解析：卡诺循环是在两个给定温度的热源之间工作的可逆循环，其热效率是相同温度范围内一切热机的最高效率。

11.水蒸气的形成过程包括（）A.汽化、过热两个阶段B.汽化、凝结两个阶段C.蒸发、过热两个阶段D.蒸发、凝结、过热三个阶段

答案：D

解析：水蒸气的形成过程包括蒸发、凝结、过热三个阶段。水在定压下加热，首先是液态水的蒸发过程，然后是饱和水的凝结过程，最后是饱和蒸汽的过热过程。

12.湿蒸汽的干度\(x\)的定义是（）A.干蒸汽的质量与湿蒸汽总质量之比B.湿蒸汽中蒸汽的质量与总质量之比C.干蒸汽的体积与湿蒸汽总体积之比D.湿蒸汽中蒸汽的体积与总体积之比

答案：B

解析：湿蒸汽的干度\(x\)定义为湿蒸汽中蒸汽的质量与总质量之比，即\(x=\frac{m_{v}}{m}\)，其中\(m_{v}\)为蒸汽质量，\(m\)为湿蒸汽总质量。

13.水蒸气的比焓\(h\)等于（）A.内能\(u\)与压力能\(pv\)之和B.内能\(u\)与动能\(\frac{1}{2}mv^{2}\)之和C.内能\(u\)与势能\(mgz\)之和D.动能\(\frac{1}{2}mv^{2}\)与势能\(mgz\)之和

答案：A

解析：水蒸气的比焓\(h=u+pv\)，其中\(u\)为比内能，\(p\)为压力，\(v\)为比体积。

14.朗肯循环中，汽轮机排出的蒸汽在凝汽器中被冷却成（）A.饱和水B.未饱和水C.湿蒸汽D.干蒸汽

答案：A

解析：在朗肯循环中，汽轮机排出的蒸汽在凝汽器中被冷却成饱和水，然后再被给水泵送入锅炉加热，完成一个循环。

15.提高朗肯循环热效率的方法有（）A.提高初压、提高初温、降低排汽压力B.提高初压、降低初温、降低排汽压力C.降低初压、提高初温、降低排汽压力D.降低初压、降低初温、降低排汽压力

答案：A

解析：提高朗肯循环热效率的方法主要有提高初压、提高初温、降低排汽压力。提高初压和初温可以增加循环的平均吸热温度，降低排汽压力可以降低循环的平均放热温度，从而提高热效率。

二、填空题（每题2分，共20分）

1.热力学系统边界的类型有（）边界、（）边界和（）边界。

答案：固定、可动、绝热

解析：固定边界是指边界位置固定不变；可动边界是指边界可以随系统状态变化而移动；绝热边界是指边界处与外界没有热量交换。

2.理想气体状态方程\(pV=mRT\)中，\(m\)表示（），\(R\)表示（）。

答案：气体质量、通用气体常数

解析：\(m\)为气体的质量，它是描述气体数量的一个物理量；\(R\)是通用气体常数，对于不同的理想气体，其值是固定的。

3.定压比热\(c_{p}\)与定容比热\(c_{v}\)的关系为（）。

答案：\(c_{p}c_{v}=R\)

解析：这是理想气体比热的一个重要关系，\(c_{p}\)表示定压下气体的比热，\(c_{v}\)表示定容下气体的比热，\(R\)为通用气体常数。

4.可逆过程中，熵变\(\DeltaS\)的计算公式为（）。

答案：\(\DeltaS=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}\)

解析：对于可逆过程，熵变等于过程中吸收或放出的热量与温度的比值在整个过程中的积分。

5.卡诺循环的热效率公式为（）。

答案：\(\eta_{c}=1\frac{T_{2}}{T_{1}}\)

解析：其中\(T_{1}\)为高温热源温度，\(T_{2}\)为低温热源温度，该公式表明卡诺循环的热效率取决于两个热源的温度。

6.水蒸气定压发生过程中，经历的状态有（）、（）、（）、（）。

答案：未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽（可任选四个）

解析：水蒸气定压发生过程依次经历未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽等状态，继续加热会变成过热蒸汽。

7.湿蒸汽的干度\(x\)取值范围是（）。

答案：\(0\leqx\leq1\)

解析：当\(x=0\)时为饱和水，当\(x=1\)时为干饱和蒸汽，湿蒸汽的干度介于两者之间。

8.朗肯循环主要由（）、（）、（）和（）四个过程组成。

答案：锅炉加热、汽轮机膨胀做功、凝汽器冷凝、给水泵升压

解析：在锅炉中工质吸收热量变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，排出的蒸汽在凝汽器中冷凝成水，最后给水泵将水升压送回锅炉，完成循环。

9.提高蒸汽动力循环效率的主要途径有（）、（）、（）。

答案：提高蒸汽初参数、采用再热循环、采用回热循环

解析：提高蒸汽初参数可以增加循环的平均吸热温度，再热循环和回热循环通过改善循环过程，提高了循环的热效率。

10.熵增加原理可表述为（）。

答案：孤立系统的熵只能增加，或者保持不变，绝不能减少，这一规律称为熵增加原理

解析：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加的方向进行，当熵达到最大值时，系统达到平衡状态。

三、简答题（每题10分，共30分）

1.简述热力学第一定律的内容及表达式。

答案：

热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象领域内的具体体现。它指出：热可以变为功，功也可以变为热；消耗一定量的热时，必产生一定量的功；而消耗一定量的功时，也必出现与之对应的一定量的热。

其表达式为\(Q=\DeltaU+W\)，其中\(Q\)表示系统吸收的热量，\(\DeltaU\)表示系统内能的变化，\(W\)表示系统对外做的功。

当系统对外做功时，\(W\)取正值；当外界对系统做功时，\(W\)取负值。当系统吸收热量时，\(Q\)取正值；当系统放出热量时，\(Q\)取负值。

2.说明理想气体定温过程的特点。

答案：

理想气体定温过程的特点如下：

（1）温度不变，根据理想气体状态方程\(pV=mRT\)，则\(pV=const\)（常数），即压力与体积成反比。当压力增大时，体积减小；压力减小时，体积增大。

（2）内能不变，因为理想气体的内能只与温度有关，定温过程温度不变，所以\(\DeltaU=0\)。

（3）根据热力学第一定律\(Q=\DeltaU+W\)，由于\(\DeltaU=0\)，所以\(Q=W\)，即系统吸收的热量全部用于对外做功，或者外界对系统做的功全部以热量的形式放出。

（4）熵变\(\DeltaS=\int_{1}^{2}\frac{\deltaQ}{T}\)，因为\(T\)不变，\(\deltaQ=W=pdV\)，所以\(\DeltaS=\int_{V_1}^{V_2}\frac{pdV}{T}\)，又\(pV=const\)，\(p=\frac{const}{V}\)，则\(\DeltaS=\int_{V_1}^{V_2}\frac{constdV}{VT}=const\int_{V_1}^{V_2}\frac{dV}{V}=const\ln\frac{V_2}{V_1}\)。若体积增大，熵增加；体积减小，熵减小。

3.简述水蒸气定压发生过程及其状态参数的变化。

答案：

水蒸气定压发生过程分为三个阶段：

（1）未饱和水的定压预热阶段：水在定压下被加热，温度升高，但仍为液态，比体积略有增大，压力不变，焓增加，熵增加。

（2）饱和水的定压汽化阶段：水达到饱和温度后开始汽化，此时温度不变，压力不变，比体积迅速增大，焓增加，熵增加。此阶段包括饱和水和湿蒸汽两个状态，随着汽化的进行，湿蒸汽的干度逐渐增大。

（3）干饱和蒸汽的定压过热阶段：干饱和蒸汽继续被加热，温度升高，压力不变，比体积继续增大，焓增加，熵增加。

在整个定压发生过程中，压力始终保持不变，温度在未饱和水预热阶段和干饱和蒸汽过热阶段升高，在饱和水的定压汽化阶段不变。比体积不断增大，焓和熵也随着过程的进行而增加。

四、计算题（每题10分，共20分）

1.一定质量的理想气体，初始状态\(p_1=0.5MPa\)，\(V_1=0.1m^3\)，\(T_1=300K\)。经过一个定温过程膨胀到\(V_2=0.2m^3\)。求：（1）气体在该过程中对外做的功\(W\)；（2）气体吸收的热量\(Q\)；（3）气体内能的变化\(\DeltaU\)。

答案：

（1）理想气体定温过程中，\(pV=const\)，\(p_1V_1=p_2V_2\)，可得\(p_2=\frac{p_1V_1}{V_2}=\frac{0.5\times0.1}{0.2}=0.25MPa\)。

定温过程对外做功\(W=\int_{V_1}^{V_2}pdV\)，因为\(p=\frac{p_1V_1}{V}\)，所以\(W=p_1V_1\ln\frac{V_2}{V_1}=0.5\times10^6\times0.1\times\ln\frac{0.2}{0.1}\)\(=0.5\tim