工程热力学习题集

工程热力学习题集一、绪论（一）填空题1.工程热力学是研究（热能与机械能相互转换规律）的科学。2.热力系统与外界的相互作用包括（能量传递）和（物质交换）。3.工质是实现（热能与机械能转换）的媒介物质。

（二）选择题1.下列属于工程热力学研究对象的是（）A.热能转换为机械能B.电能转换为热能C.化学能转换为热能D.以上都是答案：D2.热力系统边界可以是（）A.真实的B.虚拟的C.固定的D.以上都对答案：D

（三）简答题1.简述工程热力学的研究内容。答：工程热力学主要研究热能与机械能相互转换的规律，包括热力系统、工质、能量传递和转换的基本规律，以及热力循环分析等内容。通过对这些方面的研究，为热动力装置的设计、分析和优化提供理论基础。2.什么是热力系统？答：热力系统是指人为划定的，用来研究其与外界进行能量和物质交换的有限物质系统。系统边界可以是真实的或虚拟的，将系统与外界分隔开来。

二、基本概念及定义（一）填空题1.状态参数是描述热力系统（状态）的物理量。2.基本状态参数有（压力）、（温度）和（比体积）。3.压力的常用单位有（Pa）、（MPa）、（atm）等。

（二）选择题1.下列状态参数中属于强度量的是（）A.内能B.压力C.比体积D.焓答案：BC2.绝对压力与表压力的关系是（）A.绝对压力=表压力+大气压力B.绝对压力=表压力大气压力C.表压力=绝对压力+大气压力D.表压力=绝对压力大气压力答案：A

（三）简答题1.什么是状态参数？它有哪些特性？答：状态参数是描述热力系统状态的物理量。其特性包括：状态一定，参数一定；状态变化，参数变化；状态参数的变化只取决于初终状态，与变化过程无关。2.简述压力的测量方法。答：压力测量方法主要有液柱式压力计、弹性式压力计、电气式压力计等。液柱式压力计利用液柱高度产生的压力平衡被测压力；弹性式压力计利用弹性元件受压变形来测量压力；电气式压力计则通过压力变化引起的电信号变化来测量压力。

三、气体的热力性质（一）填空题1.理想气体状态方程为（pV=mRT）。2.比热容分为（定容比热容）和（定压比热容）。3.气体的内能是（气体分子热运动动能和分子间相互作用势能的总和）。

（二）选择题1.理想气体的比热容与（）有关。A.气体种类B.温度C.压力D.体积答案：AB2.对于理想气体，定压比热容与定容比热容的关系是（）A.cp>cvB.cp<cvC.cp=cvD.不确定答案：A

（三）简答题1.简述理想气体的假设条件。答：理想气体的假设条件为：气体分子是弹性的、不占体积的质点；分子间无相互作用力。2.如何计算理想气体的内能变化？答：对于理想气体，内能变化只与温度变化有关，计算公式为ΔU=mcvΔT，其中m为气体质量，cv为定容比热容，ΔT为温度变化量。

（四）计算题1.已知氧气的质量m=2kg，压力p=0.5MPa，温度t=27℃，求其体积。（氧气的气体常数R=260J/(kg·K)）解：首先将温度换算为热力学温度T=t+273=300K根据理想气体状态方程pV=mRT，可得V=mRT/p=2×260×300/(0.5×10^6)=0.312m³2.一定质量的理想气体，初态压力p1=0.1MPa，温度t1=20℃，体积V1=1m³，经定压过程加热到t2=120℃，求终态体积V2和过程中吸收的热量。（已知气体的定压比热容cp=1.004kJ/(kg·K)，气体常数R=287J/(kg·K)）解：（1）先求气体质量m由p1V1=mRT1可得m=p1V1/(RT1)=0.1×10^6×1/(287×293)=1.17kg（2）再求终态体积V2根据V1/T1=V2/T2，可得V2=V1T2/T1=1×(120+273)/(20+273)=1.34m³（3）求过程中吸收的热量QQ=mcpΔT=1.17×1.004×(12020)=117.5kJ

四、热力过程（一）填空题1.热力过程中，（可逆过程）是最理想的过程。2.定容过程的特征是（体积不变）。3.定压过程的技术功（wt）为（0）。

（二）选择题1.下列过程属于可逆过程的是（）A.摩擦生热过程B.气体自由膨胀过程C.无摩擦的准平衡过程D.以上都不是答案：C2.定温过程中，理想气体的内能变化（）A.大于0B.小于0C.等于0D.不确定答案：C

（三）简答题1.什么是可逆过程？可逆过程有什么特点？答：可逆过程是指当系统完成某一过程后，如果能使系统和外界同时恢复到原来状态，而不留下任何痕迹的过程。其特点包括：过程中无摩擦；过程进行得无限缓慢，为准平衡过程。2.简述定容过程、定压过程、定温过程和绝热过程的特点。答：定容过程：体积不变，技术功为0，热量等于内能变化；定压过程：压力不变，技术功不为0，热量等于焓变化；定温过程：温度不变，内能不变，热量等于膨胀功；绝热过程：与外界无热量交换，过程中熵不变。

（四）计算题1.1kg空气从初态p1=0.1MPa，t1=27℃，经绝热压缩到p2=0.5MPa，求终态温度t2和压缩功。（已知空气的绝热指数k=1.4，定容比热容cv=0.718kJ/(kg·K)）解：（1）求终态温度t2根据绝热过程状态方程T2/T1=(p2/p1)^((k1)/k)可得T2=T1(p2/p1)^((k1)/k)=300×(0.5/0.1)^((1.41)/1.4)=519Kt2=T2273=246℃（2）求压缩功w根据绝热过程压缩功公式w=cv(T1T2)/(k1)可得w=0.718×(300519)/(1.41)=395kJ/kg（负号表示压缩功为外界对气体做功）2.一定质量的理想气体，初态p1=0.2MPa，V1=0.1m³，经定温膨胀到V2=0.2m³，求膨胀功和热量。解：（1）求膨胀功w根据定温过程膨胀功公式w=p1V1ln(V2/V1)可得w=0.2×10^6×0.1×ln(0.2/0.1)=13.9kJ（2）求热量Q因为定温过程内能不变，根据热力学第一定律Q=w=13.9kJ

五、热力学第一定律（一）填空题1.热力学第一定律的实质是（能量守恒与转换定律）。2.闭口系统能量方程为（Q=ΔU+W）。3.开口系统能量方程为（q=Δh+w+Δke+Δpe）。

（二）选择题1.下列关于热力学第一定律的说法正确的是（）A.只适用于闭口系统B.只适用于开口系统C.适用于一切热力系统D.以上都不对答案：C2.对于稳定流动的开口系统，下列说法正确的是（）A.系统内各点状态参数不随时间变化B.系统内质量流量不变C.系统与外界交换的热量和功不随时间变化D.以上都对答案：D

（三）简答题1.简述热力学第一定律的表达式及其物理意义。答：热力学第一定律表达式为Q=ΔU+W（闭口系统）和q=Δh+w+Δke+Δpe（开口系统）。其物理意义是：能量可以从一种形式转换为另一种形式，但在转换过程中，能量的总量保持不变。2.什么是稳定流动？稳定流动有哪些特点？答：稳定流动是指系统内各点的状态参数不随时间变化，且系统与外界交换的质量流量、热量和功也不随时间变化。其特点包括：系统内质量守恒；能量守恒；进出口参数不随时间变化。

（四）计算题1.某闭口系统在某一过程中吸收热量Q=100kJ，同时内能增加ΔU=60kJ，求该过程中系统对外界做的功。解：根据热力学第一定律Q=ΔU+W可得W=QΔU=10060=40kJ2.某蒸汽动力装置的锅炉，每小时生产蒸汽量m=20t，蒸汽进入汽轮机时的焓h1=3450kJ/kg，排出汽轮机时的焓h2=2300kJ/kg，汽轮机对外做功Wt=2×10^7kJ/h，求锅炉每小时吸收的热量Q1和汽轮机的进出口动能和势能变化忽略不计情况下的散热损失q2。解：（1）求锅炉每小时吸收的热量Q1根据开口系统能量方程q=Δh+w+Δke+Δpe，忽略进出口动能和势能变化，可得Q1=m(h1h2)+Wt=20×1000×(34502300)+2×10^7=4.3×10^7kJ/h（2）求汽轮机的散热损失q2q2=Q1Wt=4.3×10^72×10^7=2.3×10^7kJ/h

六、热力循环（一）填空题1.热力循环是由一系列（热力过程）组成的封闭过程。2.正向循环是（将热能转换为机械能）的循环。3.热机的热效率公式为（ηt=Wnet/Q1）。

（二）选择题1.下列属于正向循环的是（）A.制冷循环B.制热循环C.动力循环D.以上都不是答案：C2.提高热机热效率的主要途径有（）A.提高高温热源温度B.降低低温热源温度C.减少循环净功D.减少散热损失答案：ABD

（三）简答题1.简述热力循环的分类及特点。答：热力循环分为正向循环、逆向循环和混合循环。正向循环将热能转换为机械能，如动力循环；逆向循环消耗机械能将热量从低温物体传向高温物体，如制冷循环和制热循环；混合循环则包含了正向和逆向循环的部分过程。2.如何提高热机的热效率？答：提高热机热效率的主要途径有：提高高温热源温度；降低低温热源温度；减少循环过程中的不可逆损失，如减少摩擦、散热等。

（四）计算题1.某理想气体动力循环，工质从初态1经定温膨胀到状态2，再经定熵膨胀到状态3，然后经定容放热到状态4，最后经定熵压缩回到初态1。已知p1=0.1MPa，T1=300K，p2=0.05MPa，求循环热效率。（已知该气体的绝热指数k=1.4）解：（1）求定温膨胀过程的热量Q1根据定温过程热量公式Q1=p1V1ln(p1/p2)由理想气体状态方程p1V1=mRT1可得V1=mRT1/p1Q1=p1V1ln(p1/p2)=RT1ln(p1/p2)=287×300×ln(0.1/0.05)=60.7kJ/kg（2）求定熵膨胀过程的功w23根据定熵过程状态方程和功的计算公式可得w23=cv(T2T3)=cvT2(1(p3/p2)^((k1)/k))其中T2=T1，p3=p4，p4可由定容过程p4/p3=T4/T3求出，T4=T1w23=cvT1(1(p4/p2)^((k1)/k))=0.718×300×(1(0.1/0.05)^((1.41)/1.4))=127.3kJ/kg（3）求定容放热过程的热量Q2Q2=cv(T3T1)=cvT1((p3/p2)^((k1)/k)1)=0.718×300×((0.1/0.05)^((1.41)/1.4)1)=57.4kJ/kg（4）求循环热效率ηtηt=(Q1+Q2)/Q1=(60.757.4)/60.7=5.4%2.一蒸汽动力循环，锅炉产生的蒸汽压力p1=3MPa，温度t1=400℃，汽轮机出口蒸汽压力p2=0.004MPa，排汽干度x=0.9。已知锅炉每小时产生蒸汽量m=10t，求循环热效率。（已知蒸汽在不同状态下的焓值：h1=3231.7kJ/kg，h2=2133.8kJ/kg）解：（1）求汽轮机输出功WtWt=m(h1h2)=10×1000×(3231.72133.8)=1.098×10^7kJ/h（2）求锅炉吸收热量Q1Q1=mh1=10×1