工程热力学实践练习题集

工程热力学实践练习题集姓名_________________________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.下列哪一项不是热力系统的主要组成部分？（）

a.系统边界

b.热源

c.系统工作物质

d.能量交换器

2.理想气体比热容的公式中，Cv与CP的关系是什么？（）

a.CP=2CV

b.CP=3CV

c.CV=2CP

d.CV=3CP

3.标准大气压是多少？（）

a.0.1013MPa

b.1.013MPa

c.0.001MPa

d.100kPa

4.蒸汽的汽化潜热大约为多少？（）

a.1000kJ/kg

b.2000kJ/kg

c.3000kJ/kg

d.4000kJ/kg

5.根据Rankine循环，工作物质从高温区到低温区的流动过程称为？（）

a.熵增

b.膨胀

c.熵减

d.稳定

答案及解题思路：

1.答案：d.能量交换器

解题思路：热力系统的主要组成部分包括系统边界、热源、系统工作物质等，能量交换器通常是系统中的部件，但不是构成系统本身的要素。

2.答案：b.CP=3CV

解题思路：对于理想气体，比热容的定压比定容比热容多一个自由度，因此CP=CvR，其中R是气体常数，通常情况下，CP约为Cv的3倍。

3.答案：b.1.013MPa

解题思路：标准大气压（atm）通常定义为101.325kPa，但题目中提供的选项中最接近的是1.013MPa。

4.答案：b.2000kJ/kg

解题思路：水蒸气的汽化潜热大约在2000kJ/kg左右，这是一个常见的工程数据。

5.答案：b.膨胀

解题思路：在Rankine循环中，工作物质从锅炉的高温高压状态通过膨胀阀进入涡轮机进行膨胀做功，因此这一过程称为膨胀。熵增和熵减通常描述的是热力学过程中的熵变化，而“稳定”并不是描述Rankine循环中工作物质流动过程的正确术语。二、填空题1.摩尔比热容是指在1摩尔物质上发生的温度变化引起的______变化。

答案：热

解题思路：摩尔比热容是指单位物质的量的物质在温度变化时吸收或放出的热量，因此填“热”。

2.在热力学过程中，内能增加表示为______。

答案：dU>0

解题思路：在热力学中，内能的变化通常用微分形式表示，内能增加时，其变化量dU大于0。

3.Rankine循环中，水泵和涡轮的作用分别是什么？

答案：水泵的作用是增加工质的压力，涡轮的作用是做功。

解题思路：在Rankine循环中，水泵将水或蒸汽压缩至更高的压力，涡轮则利用高温高压工质膨胀做功。

4.热效率是指热机的热输出与热输入之比，表示为______。

答案：η=W/Qh

解题思路：热效率定义为热机输出的功W与输入的热量Qh之比，因此表示为η=W/Qh。

5.卡诺循环的效率表示为______。

答案：η=1Tc/Th

解题思路：卡诺循环的效率由其两个等温过程和两个绝热过程决定，其效率公式为1减去低温热源温度Tc与高温热源温度Th的比值。三、简答题1.简述理想气体的性质和假设。

理想气体的性质和假设包括：

气体分子间没有相互作用力，即没有分子间引力和斥力。

气体分子体积可以忽略不计，即气体分子占据的空间远小于整个容器体积。

气体分子做完全弹性碰撞，即碰撞过程中没有能量损失。

气体分子运动遵循牛顿运动定律。

2.简述热力学第一定律和第二定律的含义。

热力学第一定律：

能量守恒定律在热力学中的体现，即在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。

数学表达式为：ΔU=QW，其中ΔU是系统内能的变化，Q是系统吸收的热量，W是系统对外做的功。

热力学第二定律：

描述了热力学过程的方向性和不可逆性。

克劳修斯表述：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：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。

3.简述Rankine循环的组成和工作过程。

Rankine循环的组成：

汽轮机：将热能转化为机械能。

汽轮机排出的乏汽：进入凝汽器。

凝汽器：将乏汽冷凝成水。

水泵：将凝汽器中的水送回锅炉。

锅炉：将水加热产生蒸汽。

蒸汽管道：将锅炉产生的蒸汽输送到汽轮机。

Rankine循环的工作过程：

1.蒸汽在汽轮机中膨胀做功，将热能转化为机械能。

2.乏汽进入凝汽器，冷凝成水。

3.水被水泵抽回锅炉。

4.锅炉中的水被加热产生蒸汽，再次进入汽轮机。

5.循环不断进行，产生连续的机械能输出。

4.简述Carnot热机的效率和限制因素。

Carnot热机的效率：

Carnot热机的效率是所有热机中可能达到的最大效率。

效率公式为：η=1(Tc/Th)，其中Tc是冷源温度，Th是热源温度。

Carnot热机的限制因素：

热源和冷源的温度差：温度差越大，效率越高，但实际中很难达到理想状态。

热机内部不可逆过程：如摩擦、热传导等，都会导致效率降低。

5.简述熵和热力学第二定律的关系。

熵和热力学第二定律的关系：

熵是衡量系统无序程度的物理量。

热力学第二定律表明，孤立系统的总熵不会减少，即熵总是趋向于增加。

熵的增加反映了热力学过程中不可逆性的本质。

答案及解题思路：

1.答案：理想气体的性质和假设如上所述。

解题思路：理解理想气体的基本概念和假设，能够从物理学角度分析气体行为。

2.答案：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学中的体现，第二定律描述了热力学过程的方向性和不可逆性。

解题思路：掌握热力学第一定律和第二定律的基本内容，理解其物理意义。

3.答案：Rankine循环由汽轮机、凝汽器、水泵、锅炉和蒸汽管道组成，工作过程如上所述。

解题思路：熟悉Rankine循环的组成和工作原理，了解其在实际应用中的重要性。

4.答案：Carnot热机的效率是1(Tc/Th)，限制因素包括热源和冷源的温度差以及内部不可逆过程。

解题思路：理解Carnot热机的效率公式，分析影响其效率的因素。

5.答案：熵是衡量系统无序程度的物理量，与热力学第二定律表明的孤立系统总熵增加的关系密切。

解题思路：掌握熵的概念和热力学第二定律的内容，理解熵在热力学过程中的作用。四、计算题1.已知理想气体的初状态参数为：p1=0.1MPa，T1=373K，终状态参数为：p2=0.03MPa，求气体发生等温过程时，体积变化量ΔV。

2.一个Rankine循环中，水泵的吸水压力为p1=0.3MPa，水在工作轮内获得的比功为w=200kJ/kg，水泵出口处水温为t2=100°C，求该Rankine循环的循环效率。

3.已知某蒸汽发生器的初始温度为300°C，压力为4MPa，在无外功作用下将水加热到沸腾状态，求蒸汽的比容、比焓和内能变化量。

4.已知一个理想气体的初状态参数为：p1=0.8MPa，V1=0.3m³，进行等温过程后，压力变为p2=0.2MPa，求过程后气体的体积V2。

5.一个Rankine循环中，锅炉给水进口参数为p1=0.6MPa，t1=100°C，经过蒸发过程后蒸汽的干度ξ=0.9，求锅炉出口处蒸汽的压力p2。

答案及解题思路：

1.解题思路：

根据理想气体等温过程的公式\(p_1V_1=p_2V_2\)，可以求出体积变化量\(\DeltaV\)。

\(\DeltaV=\frac{p_1V_1}{p_2}V_1\)

答案：

\(\DeltaV=\frac{0.1\times0.3}{0.03}0.3=10.3=0.7\)m³

2.解题思路：

循环效率\(\eta\)可以通过净功\(W_{net}\)和输入热量\(Q_{in}\)的比值来计算。

\(\eta=\frac{W_{net}}{Q_{in}}\)

其中\(W_{net}=w\)（水在工作轮内获得的比功），\(Q_{in}\)是水泵吸水所需的热量。

答案：

\(\eta=\frac{200}{0.3\times(100373)}\approx0.6\)或60%

3.解题思路：

使用蒸汽表查找在4MPa和300°C下的比容、比焓值，然后查找在相同压力下的沸腾状态下的比容、比焓值，计算内能变化量。

答案：

比容\(v\)和比焓\(h\)可以从蒸汽表中查得，内能变化量\(\DeltaU\)可以通过\(\DeltaU=h_2h_1\)计算。

4.解题思路：

根据理想气体等温过程的公式\(p_1V_1=p_2V_2\)，可以求出过程后的体积\(V_2\)。

答案：

\(V_2=\frac{p_1V_1}{p_2}=\frac{0.8\times0.3}{0.2}=1.2\)m³

5.解题思路：

使用蒸汽表查找在0.6MPa和100°C下的饱和水比焓\(h_f\)和饱和蒸汽比焓\(h_g\)，然后使用干度\(\xi\)来计算出口蒸汽的比焓\(h_2\)，最后查找对应的压力\(p_2\)。

答案：

\(h_2=\xih_g(1\xi)h_f\)，然后从蒸汽表中查找对应的压力\(p_2\)。五、问答题1.举例说明热力学第一定律在日常生活中的应用。

热力学第一定律，即能量守恒定律，表明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。一些日常生活中的应用实例：

烹饪时，燃料燃烧释放的热量转化为食物的热能，使食物加热。

洗衣机工作时，电能转化为机械能，同时部分能量以热能的形式散失。

电冰箱工作时，电能转化为机械能，通过压缩机压缩制冷剂，吸收冰箱内部的热量，使内部温度降低。

2.举例说明热力学第二定律在日常生活中的应用。

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，且任何热机都不可能将吸收的热量全部转化为做功。一些日常生活中的应用实例：

电风扇工作时，电能转化为机械能，但产生的热量无法全部转化为风扇的动能，部分热量散失到环境中。

空调工作时，室内热量通过制冷剂被转移到室外，但这个过程需要消耗电能。

燃气热水器工作时，燃料燃烧产生的热量被用于加热水，但热效率不可能达到100%，部分热量散失。

3.举例说明Rankine循环在实际应用中的重要性。

Rankine循环是热力学中的一个理想循环，广泛应用于蒸汽动力系统。一些Rankine循环在实际应用中的重要性：

发电厂：Rankine循环是大多数现代火力发电厂的核心工作原理，通过燃烧燃料产生蒸汽，推动涡轮机做功，驱动发电机发电。

船舶推进：大型船舶通常使用蒸汽轮机，其工作原理基于Rankine循环。

海水淡化：一些海水淡化厂采用Rankine循环，利用海水加热产生蒸汽，冷凝后得到淡水。

4.如何提高热机的效率？

提高热机效率的方法包括：

减少热损失：通过绝热材料减少热量向环境散失。

增加热交换效率：优化热交换器设计，提高热交换效率。

优化工作流体：选择合适的工质，如使用高温高压的蒸汽。

减少泵和涡轮机的摩擦损失：通过润滑和优化设计减少机械损失。

5.解释卡诺定理的原理和实际应用。

卡诺定理指出，在相同的高温和低温热源之间工作的所有可逆热机中，卡诺热机的效率是最高的。其原理是：

热机的效率等于吸收的热量与做功之比，对于可逆热机，这个比值等于高温热源温度与低温热源温度的比值。

实际应用包括：

卡诺定理为热机设计提供了理论指导，帮助工程师优化热机功能。

在制冷技术中，卡诺循环是制冷剂循环的理论基础，指导制冷系统的设计。

答案及解题思路：

1.热力学第一定律的应用：

解题思路：首先理解热力学第一定律的内容，然后结合日常生活中的实例进行说明。

2.热力学第二定律的应用：

解题思路：理解热力学第二定律的内容，结合实际生活中的设备和工作原理进行说明。

3.Rankine循环的重要性：

解题思路：了解Rankine循环的基本原理，结合其在发电、船舶推进和海水淡化等领域的应用进行阐述。

4.提高热机效率的方法：

解题思路：回顾热机效率的定义，结合实际操作和设计优化方法进行说明。

5.卡诺定理的原理和实际应用：

解题思路：理解卡诺定理的内容，解释其原理，并举例说明在热机设计和制冷技术中的应用。六、综合应用题1.有一热力学系统，进行了一个循环过程，其初状态为：p1=1MPa，V1=0.3m³，T1=27°C，终状态为：p2=0.5MPa，V2=0.5m³，T2=97°C。试确定该循环的类型并计算循环效率。

解题步骤：

a.根据给定的初终状态参数，计算循环的比热容比和绝热指数。

b.利用比热容比和绝热指数判断循环类型。

c.计算循环效率。

2.已知一个理想气体的初状态参数为：p1=0.9MPa，T1=373K，终状态参数为：p2=0.5MPa，求气体发生绝热过程时的温度变化量ΔT。

解题步骤：

a.利用绝热过程方程：p1^γ=p2^γ(T1/T2)，其中γ为比热容比。

b.求解温度变化量ΔT。

3.一个Rankine循环中，给水泵的出口参数为p1=0.4MPa，t1=120°C，水在工作轮中获得的比功为w=150kJ/kg，求水泵的效率。

解题步骤：

a.计算水泵出口处的比焓h1。

b.计算水泵出口处的比功w1。

c.利用效率公式η=(ww1)/w，计算水泵效率。

4.已知某蒸汽发生器的初始温度为300°C，压力为4MPa，在无外功作用下将水加热到沸腾状态，求蒸汽的比容、比焓和内能变化量。

解题步骤：

a.查找在4MPa和300°C下的水比容、比焓和内能。

b.查找在4MPa和100°C下的水比容、比焓和内能。

c.计算蒸汽的比容、比焓和内能变化量。

5.一热力学系统由两缸活塞组成，一缸为活塞，一缸为气体缸。在气缸中有一个热源，通过一个阀门与活塞相连。当热源提供一定量的热量Q后，活塞产生了一定的位移，求系统的做功W。

解题步骤：

a.计算活塞位移引起的体积变化ΔV。

b.利用公式W=PΔV，其中P为气缸中气体的平均压强，计算系统做功W。

答案及解题思路：

1.解答：

比热容比γ=1.4，绝热指数k=γ，循环类型为理想气体循环。

循环效率η=1(T2/T1)^((γ1)/γ)。

2.解答：

根据绝热过程方程，求出T2。

ΔT=T2T1。

3.解答：

h1=h2w。

水泵效率η=(ww1)/w。

4.解答：

查表得初始比容v1、比焓h1、内能u1。

查表得沸腾比容v2、比焓h2、内能u2。

蒸汽比容v=v2v1，比焓h=h2h1，内能变化Δu=u2u1。

5.解答：

W=PΔV。

计算平均压强P=(p1p2)/2。

系统做功W=PΔV。七、实验设计题1.设计一个实验验证Rankine循环的能量平衡原理。

实验目的：验证Rankine循环中能量守恒定律的应用。

实验原理：通过测量Rankine循环中各部分的能量输入和输出，验证能量平衡原理。

实验步骤：

1.测量锅炉中水的吸热量。

2.测量汽轮机中汽流的做功量。

3.测量冷凝器中排出的热量。

4.比较锅炉吸热量与汽轮机做功量及冷凝器排热量之和，验证能量平衡。

实验设备：锅炉、汽轮机、冷凝器、温度计、压力计、流量计等。

2.设计一个实验研究Rankine循环中的压力、温度、比焓等参数的变化关系。

实验目的：研究Rankine循环中压力、温度、比焓等参数的变化规律。

实验原理：通过在不同状态下测量压力、温度和比焓，分析其变化关系。

实验步骤：

1.在锅炉中测量不同压力下的水温度和比焓。

2.在汽轮机中测量不同压力下的蒸汽温度和比焓。

3.在冷凝器中测量不同压力下的蒸汽温度和比焓。

4.分析并绘制压力、温度、比焓之间的关系曲线。

实验设备：锅炉、汽轮机、冷凝器、温度计、压力计、比焓计等。

3.设计一个实验测定一个理想气体在绝热过程中的压力和体积变化关系。

实验目的：测定理想气体在绝热过程中的压力和体积变化关系。

实验原理：根据绝热过程的方程，通过测量压力和体积变化，验证理想气体绝热过程的特点。

实验步骤：

1.将一定量的理想气体封入绝热容器中。

2.改变容器内的压力，同时测量对应的体积。

3.根据测量数据，绘制压力和体积的关系曲线。

实验设备：绝热容器、压力计、体积计等。

4.设计一个实验测定一个蒸汽在定压膨胀过程中的温度和熵的变化关系。

实验目的：测定蒸汽在定压膨胀过程中的温度和熵的变化关系。

实验原理：根据热力学第二定律，通过测量定压膨胀过程中蒸汽的温度和熵变化，分析其关系