工程热力学习题

工程热力学习题一、绪论

（一）选择题1.工程热力学是研究（）的科学。A.热能与机械能相互转换B.热量传递C.物质热性质D.能量守恒答案：A解析：工程热力学主要研究热能与机械能之间的相互转换规律，这是其核心内容。热量传递是传热学研究的范畴；物质热性质是热物理学的一部分；能量守恒是一个普遍的定律，并非工程热力学特有的研究对象。

2.热力学第零定律的重要性在于它给出了（）的定义。A.温度B.热量C.内能D.熵答案：A解析：热力学第零定律表明，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。它为温度的定义提供了基础。

3.下列状态参数中，属于基本状态参数的是（）。A.内能B.焓C.熵D.压力、温度、比体积答案：D解析：压力、温度、比体积是工程热力学中最基本的状态参数，其他状态参数如内能、焓、熵等可通过基本状态参数推导得出。

（二）填空题1.工程热力学的研究方法有（）、（）和（）。答案：宏观研究方法、微观研究方法、实验研究方法解析：宏观研究方法从系统整体出发，研究系统与外界的能量和物质交换；微观研究方法基于分子运动论，从微观角度解释宏观现象；实验研究方法通过实际实验获取数据，验证理论和模型。

2.状态参数是描述系统（）的物理量，其特征是状态一定时，状态参数有（）的值，其变化量只与（）有关，而与（）无关。答案：状态、唯一确定、初终状态、变化过程解析：状态参数用于确定系统所处的状态，当状态确定时，其值唯一确定。状态参数的变化量只取决于初终状态，与过程的具体路径无关，这是状态参数的重要特性。

3.闭口系统与外界（）质量交换，开口系统与外界（）质量交换。答案：无、有解析：闭口系统与外界没有质量交换，只有能量交换；开口系统则与外界既有质量交换又有能量交换。

（三）简答题1.简述工程热力学的研究对象和任务。答：工程热力学的研究对象是能量相互转换及与物质性质之间的关系，具体包括热能与机械能、电能、化学能等其他形式能量之间的转换。其任务是研究各种热力过程的基本规律，探讨提高能量转换效率的途径，分析和改进热力发动机、制冷装置、热交换器等各种热力设备的工作原理和性能，为能源的合理利用、热力设备的优化设计和运行提供理论依据。

2.说明热力学第零定律的内容及其意义。答：热力学第零定律内容为：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。其意义在于为温度的测量和比较提供了基础，使人们能够建立起温度的概念，从而可以通过温度计等工具来测量物体的温度，并判断不同物体之间的热平衡关系，是热力学理论体系的重要基石之一。

3.什么是状态参数？它有哪些特性？答：状态参数是描述系统状态的物理量。其特性包括：状态一定时，状态参数有唯一确定的值。状态参数的变化量只与初终状态有关，而与变化过程无关。状态参数是点函数，具有积分特性，即其在整个过程中的变化量等于初终状态值之差。

二、气体的性质

（一）选择题1.理想气体状态方程$pV=mRT$中，$R$是（）。A.比定压热容B.比定容热容C.气体常数D.通用气体常数答案：C解析：$R$为气体常数，它与气体的种类有关，不同气体的$R$值不同。通用气体常数用$R_g$表示，$R=R_g/M$，其中$M$为气体的摩尔质量。

2.实际气体在（）的条件下，可近似看作理想气体。A.高温、高压B.高温、低压C.低温、高压D.低温、低压答案：B解析：在高温、低压条件下，实际气体分子间距离较大，分子间作用力较弱，气体的行为更接近理想气体的假设，可近似看作理想气体。

3.比定压热容$c_p$与比定容热容$c_v$的关系是（）。A.$c_p>c_v$B.$c_p<c_v$C.$c_p=c_v$D.不确定答案：A解析：对于理想气体，$c_pc_v=R$，因为$R>0$，所以$c_p>c_v$。从物理意义上讲，定压过程中气体吸收的热量一部分用于增加内能，一部分用于对外做功；而定容过程中气体吸收的热量全部用于增加内能，所以定压比热容大于定容比热容。

（二）填空题1.理想气体的内能是（）的单值函数，实际气体的内能与（）和（）有关。答案：温度、温度、比体积（或压力）解析：理想气体分子间无相互作用力，其内能仅与温度有关。实际气体分子间存在相互作用力，内能不仅与温度有关，还与比体积或压力有关。

2.某气体的摩尔质量为$M$，则其气体常数$R=$（）。答案：$R_g/M$（其中$R_g$为通用气体常数）解析：根据气体常数的定义，$R=R_g/M$，通用气体常数$R_g=8.314J/(mol·K)$。

3.定容比热容$c_v$的单位是（），比定压热容$c_p$的单位是（）。答案：$J/(kg·K)$、$J/(kg·K)$解析：比热容是单位质量的物质温度升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热量，其单位为$J/(kg·K)$。

（三）简答题1.什么是理想气体？理想气体的假设条件是什么？答：理想气体是一种假想的气体模型。其假设条件为：气体分子视为质点，分子间无相互作用力。分子之间及分子与容器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞，无能量损失。

2.推导理想气体状态方程$pV=mRT$。答：实验表明，一定质量的气体，在平衡状态下，其压力$p$、体积$V$和温度$T$之间存在一定的关系。对于理想气体，根据理想气体的假设和一些实验定律（如玻意耳定律、查理定律、盖吕萨克定律等）进行推导。由玻意耳定律$p_1V_1=p_2V_2$（等温过程），查理定律$p_1/T_1=p_2/T_2$（等容过程），盖吕萨克定律$V_1/T_1=V_2/T_2$（等压过程）。综合这些定律，可得到对于任意状态变化的理想气体，有$pV/T=常量$。引入比例常数$R$（气体常数），对于质量为$m$，摩尔质量为$M$的理想气体，有$pV=mRT$，其中$R=R_g/M$，$R_g$为通用气体常数，$R_g=8.314J/(mol·K)$。

3.说明比定压热容$c_p$与比定容热容$c_v$的物理意义，并推导$c_pc_v=R$。答：比定压热容$c_p$的物理意义是单位质量的气体在定压过程中温度升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热量。比定容热容$c_v$的物理意义是单位质量的气体在定容过程中温度升高（或降低）单位温度所吸收（或放出）的热量。对于理想气体，定压过程中吸收的热量$q_p=mc_p\DeltaT$，定容过程中吸收的热量$q_v=mc_v\DeltaT$。根据热力学第一定律，定压过程中$q_p=\Deltau+w$，定容过程中$q_v=\Deltau$。定压过程中$w=p\DeltaV$，对于理想气体$pV=mRT$，则$w=mR\DeltaT$。所以$mc_p\DeltaT=mc_v\DeltaT+mR\DeltaT$，两边同时除以$m\DeltaT$，可得$c_pc_v=R$。

三、气体热力过程

（一）选择题1.定容过程中，气体吸收的热量（）。A.全部用于增加内能B.全部用于对外做功C.部分用于增加内能，部分用于对外做功D.与内能变化和做功无关答案：A解析：定容过程中，体积不变，$w=p\DeltaV=0$，根据热力学第一定律$q=\Deltau+w$，所以气体吸收的热量全部用于增加内能。

2.定压过程中，气体对外做功的计算公式为（）。A.$w=p\DeltaV$B.$w=\int_{V_1}^{V_2}pdV$C.$w=0$D.无法确定答案：A解析：定压过程中，压力$p$不变，对外做功$w=p\DeltaV$。对于一般的过程，做功需要通过积分$w=\int_{V_1}^{V_2}pdV$来计算，但定压过程压力不变，可直接用此公式。

3.等温过程中，气体的内能变化（）。A.$\Deltau>0$B.$\Deltau<0$C.$\Deltau=0$D.不确定答案：C解析：理想气体的内能是温度的单值函数，等温过程中温度不变，所以内能变化$\Deltau=0$。

（二）填空题1.某理想气体经历定容过程，已知初态压力$p_1=1MPa$，温度$T_1=300K$，末态温度$T_2=600K$，则末态压力$p_2=$（）MPa。答案：2解析：根据查理定律$p_1/T_1=p_2/T_2$，可得$p_2=p_1T_2/T_1=1×600/300=2MPa$。

2.一定质量的理想气体从状态1经绝热过程变化到状态2，该过程中气体与外界（）热量交换。答案：无解析：绝热过程的定义就是气体与外界没有热量交换。

3.某气体进行定压膨胀过程，初态体积$V_1=0.1m^3$，末态体积$V_2=0.2m^3$，压力$p=0.5MPa$，则该过程气体对外做功$w=$（）kJ。答案：50解析：定压过程中$w=p\DeltaV=0.5×(0.20.1)×10^6=50×10^3J=50kJ$。

（三）简答题1.简述定容过程、定压过程、等温过程和绝热过程的特点。答：定容过程：体积不变，$w=0$，$q=\Deltau$，气体吸收的热量全部用于增加内能。定压过程：压力不变，$w=p\DeltaV$，$q=\Deltau+w$。等温过程：温度不变，$\Deltau=0$，$q=w$，气体吸收的热量全部用于对外做功。绝热过程：气体与外界无热量交换，$q=0$，$\Deltau=w$，根据绝热过程方程$pV^k=常量$（$k=c_p/c_v$），内能变化与做功相互转化。

2.推导理想气体定容过程的热量计算公式$q_v=mc_v(T_2T_1)$。答：定容过程中$w=0$。根据热力学第一定律$q=\Deltau+w$，则$q_v=\Deltau$。对于理想气体，内能$u=mc_vT$，所以$\Deltau=mc_v(T_2T_1)$。因此，定容过程的热量计算公式为$q_v=mc_v(T_2T_1)$。

3.已知一定质量的理想气体从初态1($p_1,V_1,T_1$)经绝热过程变化到末态2($p_2,V_2,T_2$)，试推导绝热过程方程$pV^k=常量$（$k=c_p/c_v$）。答：对于绝热过程，$q=0$，根据热力学第一定律$\Deltau=w$。理想气体内能$u=mc_vT$，则$mc_v(T_2T_1)=w$。又因为$w=\int_{V_1}^{V_2}pdV$，对于绝热过程有$pV^k=C$（$C$为常量），即$p=C/V^k$。所以$w=\int_{V_1}^{V_2}C/V^kdV=C\frac{V_2^{1k}V_1^{1k}}{1k}$。由理想气体状态方程$p_1V_1=mRT_1$，$p_2V_2=mRT_2$，可得$T_2/T_1=p_2V_2/p_1V_1$。将$p=C/V^k$代入上式，并结合$mc_v(T_2T_1)=w$进行推导：$mc_v(T_2T_1)=C\frac{V_2^{1k}V_1^{1k}}{1k}$。再利用$p_1V_1^k=p_2V_2^k$，经过一系列化简可得绝热过程方程$pV^k=常量$，其中$k=c_p/c_v$。

四、热力学第二定律

（一）选择题1.热力学第二定律的克劳修斯说法是（）。A.不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化B.不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其他影响C.一切自发过程都是不可逆的D.第二类永动机是不可能制成的答案：A解析：热力学第二定律的克劳修斯说法明确指出热量不能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。

2.下列说法中正确的是（）。A.自发过程一定是不可逆过程B.不可逆过程就是不能向相反方向进行的过程C.凡是有摩擦的过程一定是不可逆过程D.以上说法都对答案：A解析：自发过程具有方向性，一定是不可逆过程；不可逆过程并非不能向相反方向进行，而是在向相反方向进行时会引起其他变化；有摩擦的过程会产生能量耗散，是不可逆过程，但不