湖南大学工程热力学试题及答案1

湖南大学工程热力学试题及答案1一、选择题（每题2分，共20分）

1.热力学第零定律表明（）A.若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B.能量只能从一个物体传递到另一个物体，或者从一种形式转化为另一种形式C.不可能从单一热源吸取热量，并将这热量变为功，而不产生其他影响D.孤立系统的熵永不减少

答案：A

解析：热力学第零定律是建立温度概念的基础，它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。B选项是能量守恒定律的表述；C选项是热力学第二定律的开尔文表述；D选项是热力学第二定律的熵增原理。

2.工质经历一个可逆定温过程，其熵变（）A.大于零B.小于零C.等于零D.不确定

答案：D

解析：根据熵的计算公式\(\DeltaS=\int\frac{\deltaQ}{T}\)，对于可逆定温过程，若工质吸热，则熵变大于零；若工质放热，则熵变小于零；若与外界无热量交换，则熵变等于零。所以仅知道是可逆定温过程，不能确定熵变情况。

3.理想气体经历一个定容过程，其内能变化量（）A.只与温度变化有关B.只与压力变化有关C.与温度和压力变化都有关D.与温度和压力变化都无关

答案：A

解析：理想气体的内能是温度的单值函数，\(\DeltaU=mc_v\DeltaT\)，在定容过程中，\(m\)和\(c_v\)不变，所以内能变化量只与温度变化有关。

4.卡诺循环的热效率只与（）有关A.工质性质B.热源温度C.冷源温度D.热源温度和冷源温度

答案：D

解析：卡诺循环热效率\(\eta_{c}=1\frac{T_2}{T_1}\)，其中\(T_1\)是热源温度，\(T_2\)是冷源温度，所以卡诺循环的热效率只与热源温度和冷源温度有关。

5.下列哪种情况属于闭口系统（）A.气缸中的气体B.开口水箱中的水C.制冷压缩机D.汽轮机

答案：A

解析：闭口系统与外界没有物质交换，气缸中的气体符合闭口系统的定义。开口水箱中的水与外界有物质交换（水可能会流出或有其他水源补充）；制冷压缩机和汽轮机都有工质的吸入和排出，属于开口系统。

6.水蒸气的定压比热（）A.是常数B.随温度升高而增大C.随温度升高而减小D.随压力升高而增大

答案：B

解析：水蒸气的定压比热不是常数，随着温度升高而增大。

7.实际气体节流后，其温度（）A.一定升高B.一定降低C.一定不变D.可能升高、降低或不变

答案：D

解析：实际气体节流后温度可能升高、降低或不变，这取决于气体的种类和初始状态等因素。对于理想气体，节流前后温度不变；而实际气体节流后温度的变化情况较为复杂。

8.朗肯循环中，汽轮机排出的蒸汽在凝汽器中的过程是（）A.定压放热B.定温放热C.定容放热D.绝热放热

答案：A

解析：在凝汽器中，蒸汽向冷却水放热凝结成水，压力不变，所以是定压放热过程。

9.热泵循环的供热系数（）A.大于1B.小于1C.等于1D.等于0

答案：A

解析：热泵循环的供热系数\(\varepsilon=\frac{q_{H}}{w_{net}}=\frac{q_{H}}{q_{H}q_{L}}\gt1\)，它是从低温热源吸取热量向高温热源供热，供热系数大于1表示从低温热源获取的热量加上消耗的功一起向高温热源供热。

10.湿空气的含湿量不变，温度升高时，其相对湿度（）A.增大B.减小C.不变D.不确定

答案：B

解析：含湿量不变，温度升高时，饱和蒸汽压增大，而实际蒸汽压不变，根据相对湿度公式\(\varphi=\frac{p_v}{p_s}\times100\%\)（\(p_v\)是实际蒸汽压，\(p_s\)是饱和蒸汽压），相对湿度会减小。

二、填空题（每题2分，共20分）

1.热力学能是指系统内部___的总和。

答案：分子热运动动能、分子间相互作用势能以及分子内部能量

解析：热力学能是系统内部所有微观粒子的能量总和，包括分子热运动动能、分子间相互作用势能以及分子内部能量等。

2.1kg某种理想气体，其比定容热容\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，则其比定压热容\(c_p=\)___kJ/(kg·K)。

答案：1.4

解析：对于理想气体，\(c_pc_v=R_g\)，\(c_p=c_v+R_g\)，一般理想气体常数\(R_g=0.287kJ/(kg·K)\)，所以\(c_p=0.7+0.7=1.4kJ/(kg·K)\)。

3.工质经历一个可逆过程，其熵变等于___。

答案：该过程的熵流与熵产之和

解析：根据熵方程\(\DeltaS=S_f+S_g\)，其中\(S_f\)是熵流，\(S_g\)是熵产，对于可逆过程，熵产\(S_g=0\)，所以熵变等于熵流。

4.卡诺热机工作在温度为\(T_1=500K\)和\(T_2=300K\)的两个热源之间，其热效率\(\eta_{c}=\)___。

答案：40%

解析：由卡诺循环热效率公式\(\eta_{c}=1\frac{T_2}{T_1}=1\frac{300}{500}=0.4=40\%\)。

5.闭口系统从外界吸收热量\(Q\)，对外做功\(W\)，则其热力学能变化量\(\DeltaU=\)___。

答案：\(QW\)

解析：根据热力学第一定律\(\DeltaU=QW\)，对于闭口系统，能量的变化表现为热力学能的变化。

6.水蒸气的状态参数有___、___、___等（写出三个）。

答案：压力、温度、比体积、焓、熵（任选三个）

解析：水蒸气的状态参数包括基本状态参数压力、温度、比体积，以及其他状态参数焓、熵等。

7.实际气体的压缩因子\(Z=\)___。

答案：\(\frac{pv}{R_gT}\)

解析：压缩因子\(Z\)用于描述实际气体与理想气体行为的偏离程度，定义为\(Z=\frac{pv}{R_gT}\)，其中\(p\)是压力，\(v\)是比体积，\(R_g\)是气体常数，\(T\)是温度。

8.朗肯循环由___、___、___、___四个过程组成。

答案：定压加热、绝热膨胀、定压放热、绝热压缩

解析：朗肯循环是最基本的蒸汽动力循环，由定压加热（水在锅炉中定压吸热汽化）、绝热膨胀（蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功）、定压放热（乏汽在凝汽器中定压放热凝结成水）、绝热压缩（凝结水在给水泵中绝热压缩升压）四个过程组成。

9.制冷循环的制冷系数\(\varepsilon=\)___。

答案：\(\frac{q_{L}}{w_{net}}\)

解析：制冷系数表示制冷循环中制冷量与消耗功的比值，即\(\varepsilon=\frac{q_{L}}{w_{net}}\)，其中\(q_{L}\)是从低温热源吸取的热量，\(w_{net}\)是消耗的净功。

10.湿空气的露点温度是指在含湿量不变的情况下，湿空气冷却到___时的温度。

答案：水蒸气开始凝结

解析：露点温度是湿空气中水蒸气开始凝结的温度，当湿空气含湿量不变，冷却到露点温度时，水蒸气达到饱和状态，继续冷却就会有凝结现象发生。

三、简答题（每题5分，共20分）

1.简述热力学第一定律的实质。

答案：热力学第一定律的实质是能量守恒与转换定律在热现象中的体现。它表明热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。它揭示了热力过程中能量在数量上的守恒关系，即进入系统的能量减去离开系统的能量等于系统内部能量的变化。它是分析热力过程能量传递和转换的基本依据，广泛应用于各种热工设备和热力系统的分析与计算中。

2.什么是理想气体？理想气体状态方程的表达式是什么？

答案：理想气体是一种假想的气体模型，它假设气体分子是弹性的质点，分子间没有相互作用力，分子本身不占有体积。

理想气体状态方程的表达式为\(pV=mR_gT\)，其中\(p\)是压力，\(V\)是体积，\(m\)是质量，\(R_g\)是气体常数，\(T\)是热力学温度。该方程描述了理想气体在平衡状态下压力、体积、质量和温度之间的关系，是研究理想气体热力性质和热力过程的重要工具。

3.简述水蒸气定压发生过程的三个阶段和五个状态点。

答案：水蒸气定压发生过程可分为三个阶段：预热阶段：水从任意初始温度被加热到饱和温度，此阶段水的比体积略有增加，状态处于未饱和水状态。汽化阶段：水在饱和温度下不断吸收热量汽化为蒸汽，此阶段压力不变，温度不变，比体积迅速增大，包括饱和水和干饱和蒸汽两个状态。过热阶段：蒸汽继续吸热成为过热蒸汽，过热蒸汽的温度高于饱和温度，比体积继续增大。

五个状态点分别为：未饱和水状态点：水未达到饱和温度时的状态。饱和水状态点：水刚好达到饱和温度时的状态。湿饱和蒸汽状态点：处于汽化阶段，含有饱和水和饱和蒸汽的混合状态。干饱和蒸汽状态点：汽化阶段结束，蒸汽全部为饱和蒸汽的状态。过热蒸汽状态点：蒸汽处于过热阶段的状态。

4.简述提高朗肯循环热效率的途径。

答案：提高朗肯循环热效率的途径主要有以下几种：提高蒸汽初参数：提高蒸汽的初压力\(p_1\)和初温度\(t_1\)。提高初压力可使循环平均吸热温度升高，提高初温度可使蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程线更靠近定熵过程，从而提高热效率。降低蒸汽终参数：降低凝汽器压力\(p_2\)，可使循环平均放热温度降低，提高热效率。采用再热循环：在汽轮机中间某一级抽出部分蒸汽，送回锅炉再热器中加热到较高温度后，再送回汽轮机继续膨胀做功。再热循环可提高蒸汽在汽轮机中的做功能力，增加循环净功，同时提高了循环热效率。采用回热循环：从汽轮机不同压力级抽出部分蒸汽，加热凝结水，提高给水温度，使进入锅炉的水的焓值提高，减少了锅炉中工质的吸热量，从而提高了循环热效率。

四、计算题（每题20分，共40分）

1.1kg理想气体，其比定容热容\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，从初态\(p_1=0.5MPa\)，\(T_1=300K\)，经历一个定容过程，压力升高到\(p_2=1MPa\)。求：（1）气体的热力学能变化量\(\DeltaU\)；（2）过程中气体吸收的热量\(Q\)。

解：（1）对于定容过程，理想气体的热力学能变化量\(\DeltaU=mc_v\DeltaT\)。首先求温度变化\(\DeltaT\)，根据理想气体状态方程\(pV=mR_gT\)，定容过程\(V\)不变，则\(\frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2}\)，可得\(T_2=\frac{p_2T_1}{p_1}\)。将\(p_1=0.5MPa\)，\(T_1=300K\)，\(p_2=1MPa\)代入可得：\(T_2=\frac{1\times300}{0.5}=600K\)则\(\DeltaT=T_2T_1=600300=300K\)。已知\(m=1kg\)，\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，所以\(\DeltaU=mc_v\DeltaT=1\times0.7\times300=210kJ\)。

（2）根据热力学第一定律\(\DeltaU=QW\)，定容过程\(W=0\)，所以\(Q=\DeltaU=210kJ\)。

2.某蒸汽动力循环采用朗肯循环，蒸汽初压力\(p_1=3MPa\)，初温度\(t_1=400^{\circ}C\)，排汽压力\(p_2=0.004MPa\)。已知水蒸气在\(p_1=3MPa\)，\(t_1=400^{\circ}C\)时，\(h_1=3230.9kJ/kg\)；在\(p_2=0.004MPa\)时，\(h_2=2133.8kJ/kg\)，\(h_3=121.4kJ/kg\)，\(h_4=191.8kJ/kg\)。求：（1）循环的吸热量\(q_1\)；（2）循环的放热量\(q_2\)；（3）循环的热效率\(\eta_t\)；（4）循环的净功\(w_{net}\)。

解：（1）循环的吸热量\(q_1=h_1h_4\)将\(h_1=3230.9kJ/kg\)，\(h_4=191.8kJ/kg\)代入可得：\(q_1=3230.9191.8=3039.1kJ/kg\)

（2）循环的放热量\(q_2=h_2h_3\)将\(h_2=2133.8kJ/kg\)，\(h_3=121.4kJ/kg\)代入可得：\(q_2=2133.8121.4=2012