工程热力学考试要点及试题

综合试卷第=PAGE1*2-11页（共=NUMPAGES1*22页） 综合试卷第=PAGE1*22页（共=NUMPAGES1*22页）PAGE①姓名所在地区姓名所在地区身份证号密封线1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和所在地区名称。2.请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。3.不要在试卷上乱涂乱画，不要在标封区内填写无关内容。一、选择题1.热力学第一定律的数学表达式是什么？

答案：△E=QW

解题思路：热力学第一定律表明能量守恒，其数学表达式为系统内能的变化（△E）等于系统吸收的热量（Q）与系统对外做的功（W）之和。

2.热力学第二定律中克劳修斯表述和开尔文普朗克表述的区别是什么？

答案：克劳修斯表述强调热量不能自发地从低温物体传递到高温物体；开尔文普朗克表述强调不可能从单一热源吸收热量并完全转化为功而不引起其他变化。

解题思路：克劳修斯表述关注热传递的方向性，而开尔文普朗克表述关注热机效率的极限。

3.下列哪个状态量是状态量？

答案：温度

解题思路：状态量是指系统状态不变时，其值不随过程而变化的物理量。温度是系统状态的标志，不随过程变化。

4.下列哪个过程是绝热过程？

答案：没有热量交换的过程

解题思路：绝热过程是指系统与外界没有热量交换的过程，即Q=0。

5.比热容的物理意义是什么？

答案：单位质量的物质温度升高1K所需吸收的热量

解题思路：比热容是物质的热性质，表示单位质量物质温度变化1K时所需的热量。

6.常用泵的分类有哪些？

答案：离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵、齿轮泵等

解题思路：泵的分类依据其工作原理和结构特点，包括离心泵、轴流泵等。

7.燃气轮机的特点是哪些？

答案：效率高、结构紧凑、启动快、维护简单等

解题思路：燃气轮机具有高效、紧凑、快速启动和维护简单等特点。

8.热力机的效率与哪些因素有关？

答案：热源温度、冷源温度、工作物质的热力学性质等

解题思路：热力机的效率受到热源和冷源温度、工作物质的热力学性质等因素的影响。二、填空题1.热力学第一定律的核心思想是能量守恒定律。

2.热力学第二定律的克劳修斯表述是不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不引起其他变化。

3.热机效率是指热机有效利用热能的能力。

4.燃料在锅炉内燃烧时，释放的热量称为燃烧热。

5.热泵的工作原理是利用逆卡诺循环。

6.蒸汽轮机的工作原理是利用蒸汽的膨胀做功。

7.热力学系统的宏观状态可以由温度、压力、体积等独立变量来描述。

答案及解题思路：

1.答案：能量守恒定律

解题思路：热力学第一定律指出，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。因此，其核心思想是能量守恒。

2.答案：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不引起其他变化

解题思路：克劳修斯表述了热力学第二定律，即热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，且不可能有100%的热能转化为功，总会有一些能量损失。

3.答案：热能

解题思路：热机效率定义为热机所做的功与吸收的热量之比，即有效利用热能的能力。

4.答案：燃烧热

解题思路：燃烧热是指单位质量的燃料在完全燃烧时释放的热量。

5.答案：逆卡诺循环

解题思路：热泵通过逆卡诺循环工作，即从低温热源吸收热量并释放到高温热源，实现热量的转移。

6.答案：蒸汽的膨胀做功

解题思路：蒸汽轮机利用蒸汽的热能转化为机械能，通过蒸汽的膨胀做功来驱动涡轮。

7.答案：温度、压力、体积

解题思路：在热力学中，系统的宏观状态通常由温度、压力和体积这三个基本变量来描述。三、判断题1.热力学第一定律和第二定律可以同时适用于所有热力学过程。（）

答案：√

解题思路：热力学第一定律（能量守恒定律）和第二定律（熵增原理）是热力学的基本定律，它们适用于所有热力学过程，包括宏观和微观过程，以及可逆和不可逆过程。

2.等压过程一定伴随体积的变化。（）

答案：√

解题思路：在等压过程中，系统的压力保持不变。根据理想气体状态方程\(PV=nRT\)，当压力\(P\)保持不变时，体积\(V\)和温度\(T\)成正比，因此等压过程必然伴随体积的变化。

3.所有等温过程都具有相同的热效率。（）

答案：×

解题思路：等温过程的热效率取决于系统的具体热力学路径和所做的功。不同的等温过程，如果初始和最终状态不同，其热效率也会不同。

4.热机效率越高，排放的热量越少。（）

答案：√

解题思路：热机的效率定义为有用功与输入热量的比值。效率越高，意味着更多的输入热量被转化为有用功，因此排放的热量（即未被转化为有用功的热量）越少。

5.水蒸气在锅炉内吸收热量时，温度一定会升高。（）

答案：×

解题思路：水蒸气在锅炉内吸收热量时，其温度不一定会升高。如果水蒸气在吸收热量的同时进行等熵膨胀，那么其温度可能保持不变。如果水蒸气吸收的热量用于相变（如从水蒸气变为过热蒸汽），温度也可能不升高。四、计算题1.计算一个质量为0.5kg的水从10℃加热到20℃需要吸收多少热量？

解答：

热量Q=mcΔT

其中，m是水的质量，c是水的比热容，ΔT是温度变化。

m=0.5kg，c=4.18J/(g·°C)，ΔT=20°C10°C=10°C

Q=0.5kg4.18J/(g·°C)10°C=20.9J

解题思路：

使用热量计算公式，将水的质量、比热容和温度变化代入计算。

2.一个热机在工作过程中，吸收了800J的热量，做功了600J，求其热效率。

解答：

热效率η=(W/Q)100%

其中，W是做功，Q是吸收的热量。

W=600J，Q=800J

η=(600J/800J)100%=75%

解题思路：

利用热效率的定义，将做功和吸收的热量代入公式计算。

3.一个理想气体在等温条件下体积扩大2倍，求其压强变为原来的多少？

解答：

根据波义耳马略特定律，等温条件下压强与体积成反比。

P1V1=P2V2

设初始压强为P1，初始体积为V1，体积扩大2倍后，新体积为2V1，新压强为P2。

P1V1=P22V1

P2=P1/2

解题思路：

应用波义耳马略特定律，根据体积变化求压强的变化。

4.一个热泵在0℃和10℃的冷热源之间工作，求其热泵效率。

解答：

热泵效率η=Qh/W

其中，Qh是热泵从热源吸收的热量，W是热泵所需的功。

Qh=Tc/(ThTc)

其中，Tc是冷热源温度，Th是热源温度。

Tc=273K，Th=273K10°C=283K

W=QhQc

Qc是热泵向冷源释放的热量，Qc=Qh(Tc/Th)

η=Qh/(QhQc)

代入数值计算得η。

解题思路：

利用热泵效率公式和温度转换，求出吸收和释放的热量，再计算效率。

5.求一个内燃机的比油耗，已知其功率为100kW，燃油的热值为40MJ/kg。

解答：

比油耗b=(Pt)/(Hm)

其中，P是功率，t是时间，H是燃油的热值，m是燃油质量。

P=100kW=10010^3W，H=40MJ/kg=4010^6J/kg

假设运行时间为t小时，则：

b=(10010^3Wt)/(4010^6J/kg)

b=(10010^3t)/(4010^6)kg/h

解题思路：

利用比油耗公式，将功率、时间、燃油热值代入计算，求出单位时间内的燃油消耗量。五、简答题1.简述热力学第一定律和第二定律的意义。

热力学第一定律，也称为能量守恒定律，其意义在于它揭示了能量在封闭系统中的守恒性，即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。这一原理在工程热力学中具有重要意义，它为能量转换和利用提供了基本的理论依据。

热力学第二定律则阐述了热力学过程中的方向性和不可逆性，其意义在于它指出了热机不能将所有吸收的热量完全转化为功，总有一部分热量会被排放到低温热源。这一原理对热机的效率限制和能源利用的合理性分析提供了指导。

2.简述热力系统的基本性质。

热力系统的基本性质包括：

热力平衡：系统内部各部分之间不存在温度差。

力学平衡：系统内部各部分之间不存在压力差。

物质平衡：系统内部物质的数量和组成保持不变。

能量平衡：系统内部的能量转换和传递遵循能量守恒定律。

3.简述热力机的基本原理。

热力机的基本原理基于热力学第一和第二定律，即利用热源和冷源之间的温差来实现能量的转换，通常是将热能转化为机械能。其基本过程包括：

吸热：热力机从热源吸收热量。

做功：部分热量转化为机械能。

排热：剩余热量排放到冷源。

4.简述锅炉和热泵的工作原理。

锅炉的工作原理是通过燃烧燃料或其他热源加热水或其它工质，使其转化为蒸汽或高温热水，为工业或民用提供热能。

热泵的工作原理与冰箱类似，它利用外界能源（如电能）来从低温热源吸收热量，并释放到高温热源。通过制冷剂的循环流动，热泵实现热量的转移。

5.简述理想气体状态方程的物理意义。

理想气体状态方程\(PV=nRT\)描述了理想气体在一定温度、压力和体积下的状态。其物理意义包括：

气体的压力\(P\)与体积\(V\)成反比（在温度和物质量一定时）。

气体的压力\(P\)与温度\(T\)成正比（在体积和物质量一定时）。

气体的压力\(P\)与物质量\(n\)成正比（在体积和温度一定时）。

理想气体常数\(R\)为比例常数，它取决于气体的种类和实验条件。

答案及解题思路：

1.热力学第一定律和第二定律的意义：

答案：热力学第一定律揭示了能量守恒，第二定律说明了能量转换的方向性和不可逆性。

解题思路：回顾热力学定律的定义和应用，结合实际工程案例，如热机的效率分析。

2.热力系统的基本性质：

答案：热力平衡、力学平衡、物质平衡和能量平衡。

解题思路：理解热力学系统的基本概念，分析系统在不同状态下的性质。

3.热力机的基本原理：

答案：利用热源和冷源之间的温差实现热能到机械能的转换。

解题思路：分析热力机的运作过程，结合实际应用，如蒸汽机或内燃机。

4.锅炉和热泵的工作原理：

答案：锅炉通过燃烧提供热能，热泵通过外部能源实现热量转移。

解题思路：理解锅炉和热泵的结构和功能，结合能源转换的基本原理。

5.理想气体状态方程的物理意义：

答案：描述理想气体的压力、体积、温度和物质量之间的关系。

解题思路：回顾理想气体状态方程的定义，分析其各个变量的关系。六、论述题1.结合实例，论述热力学第一定律在工程中的应用。

答案：

热力学第一定律，即能量守恒定律，在工程中的应用非常广泛。一些实例：

实例一：蒸汽轮机：在蒸汽轮机中，热能转化为机械能，热力学第一定律保证了输入的热量等于输出的功加上排出的废热。

实例二：汽车发动机：内燃机的工作过程中，燃料的化学能转化为热能，然后转化为机械能，热力学第一定律保证了能量转换过程中的能量守恒。

解题思路：

介绍热力学第一定律的基本概念。选取具体的工程应用实例，如蒸汽轮机和汽车发动机，分析这些实例中能量的转换和守恒过程，最后总结热力学第一定律在这些工程中的应用。

2.结合实例，论述热力学第二定律在工程中的应用。

答案：

热力学第二定律描述了热能传递的方向性和不可逆性，在工程中的应用包括：

实例一：制冷系统：制冷机根据热力学第二定律工作，将热量从低温区域转移到高温区域，实现制冷效果。

实例二：热泵：热泵利用热力学第二定律，将低温热源的热量转移到高温热源，提高能源利用效率。

解题思路：

阐述热力学第二定律的基本原理。接着，选择制冷系统和热泵作为实例，分析它们如何应用热力学第二定律来实现能量转移和效率提升，最后总结第二定律在工程中的应用。

3.论述热力机的类型及其特点。

答案：

热力机根据工作原理和燃料类型可以分为多种类型，一些常见类型及其特点：

蒸汽机：利用蒸汽的压力做功，特点是结构简单，但效率较低。

内燃机：燃料在气缸内燃烧，直接转化为机械能，特点是紧凑高效，但排放污染。

燃气轮机：利用高速流动的燃气做功，特点是启动快，效率高，但需要持续供应燃料。

解题思路：

列举常见的热力机类型，如蒸汽机、内燃机和燃气轮机，分别描述它们的工作原理和特点，最后总结不同类型热力机的适用场景。

4.论述锅炉和热泵在生活中的应用及其节能效果。

答案：

锅炉和热泵在生活中的应用广泛，一些实例及其节能效果：

锅炉：在家庭和工业中用于供暖和供热水，通过燃烧燃料产生热能，节能效果取决于燃烧效率和热交换效率。

热泵：用于空调和供暖，通过吸收低温热源的热量并转移到高温热源，提高能源利用效率。

解题思路：

分别介绍锅炉和热泵在生活中的应用，如供暖和供热水、空调等，分析它们的节能原理和效果，最后总结这些设备在提高能源效率方面的贡献。

5.论述提高热机效率的方法及其适用性。

答案：

提高热机效率的方法包括：

提高热源温度：适用于燃气轮机和内燃机，通过提高燃料燃烧温度来增加热效率。

改进热交换：适用于所有热机，通过优化热交换过程减少能量损失。

使用再生循环：适用于内燃机，通过回收排气中的热能来提高效率。

解题思路：

列举提高热机效率的方法，如提高热源温度、改进热交换和使用再生循环，分别说明这些方法的工作原理和适用性，最后讨论这些方法在实际工程中的应用效果。七、综合题1.试用热力学第一定律和第二定律，分析一个汽车发动机的工作过程。

解题思路：

热力学第一定律：分析发动机的燃料燃烧过程，计算内能的转换和做功。

热力学第二定律：讨论发动机的热效率，分析热量损失和不可逆过程。

2.试用热力学第一定律和第二定律，分析一个太阳能热水器的热水加热过程。

解题思路：

热力学第一定律：计算太阳能转化为热能的过程，包括吸收的热量和系统内部能量的变化。

热力学第二定律：分析太阳能热水器的热效率，探讨能量转换的不可逆性。

3.试用热力学第一定律和第二定律，分析一个家用空调的制冷过程。

解