工程热力学参考答案

工程热力学参考答案一、选择题

1.下列哪项不是状态参数（）A.压力B.温度C.热量D.比体积答案：C解析：状态参数是描述热力系统状态的物理量，具有状态的单值性、与路径无关等特性。压力、温度、比体积都是状态参数，而热量是过程量，不是状态参数。

2.理想气体的内能取决于（）A.气体的压力B.气体的温度C.气体的比体积D.气体的质量答案：B解析：对于理想气体，其内能仅取决于温度，与压力和比体积无关。

3.热力学第一定律的表达式为（）A.$q=\Deltau+w$B.$q=\Deltah+w$C.$q=\Deltauw$D.$q=\Deltahw$答案：A解析：热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热现象中的应用，其表达式为$q=\Deltau+w$，其中$q$为热量，$\Deltau$为内能变化，$w$为功。

4.定容过程中，工质吸收的热量全部用于增加（）A.内能B.焓C.熵D.压力答案：A解析：定容过程中，体积不变，$w=0$，根据热力学第一定律$q=\Deltau+w$，此时$q=\Deltau$，即吸收的热量全部用于增加内能。

5.可逆绝热过程又称为（）A.定温过程B.定压过程C.定熵过程D.定容过程答案：C解析：可逆绝热过程中，工质与外界没有热量交换，熵不变，所以又称为定熵过程。

6.卡诺循环的热效率只与（）有关A.高温热源温度B.低温热源温度C.工质性质D.高温热源温度和低温热源温度答案：D解析：卡诺循环的热效率公式为$\eta_{c}=1\frac{T_{2}}{T_{1}}$，其中$T_{1}$为高温热源温度，$T_{2}$为低温热源温度，所以热效率只与高温热源温度和低温热源温度有关。

7.湿空气的含湿量是指（）A.1kg干空气中所含的水蒸气质量B.1m³湿空气中所含的水蒸气质量C.湿空气中水蒸气的质量分数D.湿空气中干空气的质量分数答案：A解析：湿空气的含湿量定义为1kg干空气中所含的水蒸气质量。

8.水蒸气的定压形成过程不包括以下哪个阶段（）A.预热阶段B.汽化阶段C.过热阶段D.定温阶段答案：D解析：水蒸气的定压形成过程包括预热阶段、汽化阶段和过热阶段，不包括定温阶段。

9.朗肯循环的主要设备不包括（）A.锅炉B.汽轮机C.压缩机D.冷凝器答案：C解析：朗肯循环的主要设备包括锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵，不包括压缩机。

10.制冷系数是指（）A.制冷量与压缩机耗功之比B.制冷量与冷凝器放热量之比C.制冷量与蒸发器吸热量之比D.压缩机耗功与制冷量之比答案：A解析：制冷系数定义为制冷量与压缩机耗功之比。

二、填空题

1.工程热力学中，系统与外界之间的相互作用有两种，即（）和（）。答案：热量传递；功量传递解析：系统与外界之间通过热量传递和功量传递来实现相互作用。

2.状态方程$pV=nRT$适用于（）气体。答案：理想解析：理想气体状态方程为$pV=nRT$。

3.闭口系统是指系统与外界之间（）物质交换的系统。答案：没有解析：闭口系统的特征是与外界没有物质交换。

4.可逆过程的特点是（）和（）。答案：准平衡过程；没有耗散效应解析：可逆过程是准平衡过程且没有耗散效应。

5.熵增原理指出，孤立系统的熵只能增加，或者保持不变，绝不会（）。答案：减少解析：孤立系统的熵增原理表明熵不会减少。

6.水蒸气的临界压力为（）MPa，临界温度为（）℃。答案：22.12；374.15解析：水蒸气的临界压力为22.12MPa，临界温度为374.15℃。

7.朗肯循环的热效率公式为（）。答案：$\eta_{t}=1\frac{h_{2}h_{1}}{h_{3}h_{2}}$（其中$h_{1}$为凝结水焓，$h_{2}$为饱和水焓，$h_{3}$为过热蒸汽焓）解析：朗肯循环热效率公式由进出设备的焓值关系得出。

8.制冷循环中，制冷剂在蒸发器中进行（）过程。答案：汽化吸热解析：制冷剂在蒸发器中汽化吸热，实现制冷。

9.湿空气的相对湿度定义为（）与（）之比。答案：水蒸气分压力；饱和水蒸气分压力解析：相对湿度是水蒸气分压力与饱和水蒸气分压力之比。

10.理想气体的比定压热容$c_{p}$与比定容热容$c_{v}$的关系为（）。答案：$c_{p}c_{v}=R_{g}$（$R_{g}$为气体常数）解析：理想气体比定压热容与比定容热容的关系为$c_{p}c_{v}=R_{g}$。

三、简答题

1.简述工程热力学的研究对象和任务。答案：工程热力学的研究对象是能量以热和功的形式在工程领域中的传递和转换规律。其任务主要包括以下几个方面：研究热力系统的基本状态参数，如压力、温度、比体积等，以及它们之间的相互关系。建立能量守恒与转换定律在热现象中的应用，即热力学第一定律，并用于分析热力过程中能量的传递和转换。研究可逆过程和不可逆过程，以及熵增原理等，揭示热力过程的方向性和限度。分析各种热力循环，如卡诺循环、朗肯循环等，提高循环热效率，为能源的有效利用提供理论依据。研究工质的性质，如水蒸气、制冷剂等，为热力设备的设计和运行提供基础数据。

2.什么是理想气体？理想气体有哪些假设条件？答案：理想气体是一种假想的气体模型，在实际应用中，当气体的压力较低、温度较高，分子间的距离较大，分子间的作用力可以忽略不计时，可将其视为理想气体。理想气体的假设条件包括：气体分子是大量的、无规则运动的弹性小球，分子间没有相互作用力。分子与分子之间、分子与容器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞，没有能量损失。理想气体的状态方程为$pV=nRT$，其中$p$为压力，$V$为体积，$n$为物质的量，$R$为气体常数，$T$为热力学温度。

3.简述热力学第一定律的实质及表达式，并说明其各项的含义。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应用。它表明，热可以变为功，功也可以变为热；一定量的热消失时，必产生与之数量相当的功；消耗一定量的功时，必出现相应数量的热。其表达式为$q=\Deltau+w$。其中，$q$表示系统与外界交换的热量，系统吸热时$q$为正，放热时$q$为负；$\Deltau$表示系统内能的变化，内能增加时$\Deltau$为正，内能减少时$\Deltau$为负；$w$表示系统与外界交换的功量，系统对外做功时$w$为正，外界对系统做功时$w$为负。

4.什么是定容过程？定容过程有哪些特点？答案：定容过程是指热力系统在状态变化过程中，体积保持不变的过程。定容过程的特点如下：体积功$w=0$，因为$w=\int_{1}^{2}pdV$，$V$不变则$dV=0$。根据热力学第一定律$q=\Deltau+w$，此时$q=\Deltau$，即定容过程中工质吸收的热量全部用于增加内能。压力与温度成正比，即$p/T=const$（常数），这是由理想气体状态方程$pV=nRT$和$V$不变推导得出的。

5.简述卡诺循环的组成及热效率公式，并说明提高卡诺循环热效率的方法。答案：卡诺循环由两个定温过程和两个定熵过程组成。定温吸热过程：工质在高温热源$T_{1}$下定温吸热，从状态1变化到状态2。定熵膨胀过程：工质绝热膨胀，从状态2变化到状态3。定温放热过程：工质在低温热源$T_{2}$下定温放热，从状态3变化到状态4。定熵压缩过程：工质绝热压缩，从状态4回到状态1。卡诺循环的热效率公式为$\eta_{c}=1\frac{T_{2}}{T_{1}}$，其中$T_{1}$为高温热源温度，$T_{2}$为低温热源温度。提高卡诺循环热效率的方法有：提高高温热源温度$T_{1}$，在低温热源温度$T_{2}$不变的情况下，$T_{1}$升高，热效率增大。降低低温热源温度$T_{2}$，在高温热源温度$T_{1}$不变时，$T_{2}$降低，热效率也增大。

6.简述水蒸气的定压形成过程及各阶段的特点。答案：水蒸气的定压形成过程包括预热阶段、汽化阶段和过热阶段。预热阶段：水在定压下从初温$t_{1}$加热到饱和温度$t_{s}$，此阶段工质温度升高，比体积略有增大，压力不变，吸收的热量用于增加工质的内能。汽化阶段：水在饱和温度$t_{s}$下不断吸收热量汽化为干饱和蒸汽，此阶段温度不变，比体积急剧增大，压力不变，吸收的热量用于增加工质的汽化潜热，使工质从液态变为气态。过热阶段：干饱和蒸汽在定压下继续加热成为过热蒸汽，此阶段工质温度升高，比体积继续增大，压力不变，吸收的热量用于增加工质的显热，使蒸汽温度高于饱和温度。

7.什么是朗肯循环？画出朗肯循环的Ts图，并简述其工作过程。答案：朗肯循环是以水蒸气为工质的一种基本热力循环，主要由锅炉、汽轮机、冷凝器和给水泵四个设备组成。朗肯循环的Ts图如下：

（此处可简单手绘或用文字描述Ts图的形状，包括定压吸热、绝热膨胀、定压放热、绝热压缩四个过程曲线的大致走向）

其工作过程如下：定压吸热过程：水在锅炉中定压加热，从液态变为过热蒸汽，此过程中工质吸收热量，状态沿定压线从状态1变化到状态2。绝热膨胀过程：过热蒸汽在汽轮机中绝热膨胀做功，推动汽轮机转子旋转，对外输出功，状态沿定熵线从状态2变化到状态3。定压放热过程：乏汽在冷凝器中定压凝结成水，放出热量，状态沿定压线从状态3变化到状态4。绝热压缩过程：凝结水在给水泵中绝热压缩，压力升高，被送回锅炉，状态沿定熵线从状态4变化到状态1。

8.简述制冷循环的工作原理，并说明制冷系数的定义。答案：制冷循环的工作原理是利用制冷剂在低温下汽化吸热、在高温下凝结放热的特性，通过压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等设备，将低温物体的热量传递到高温物体，从而实现制冷目的。具体过程如下：压缩机将低温低压的制冷剂蒸汽压缩成高温高压的蒸汽，送入冷凝器。在冷凝器中，高温高压的制冷剂蒸汽与冷却水或空气进行热交换，凝结成高压液体。高压液体通过节流阀节流降压，变成低温低压的湿蒸汽，进入蒸发器。在蒸发器中，低温低压的湿蒸汽吸收被冷却物体的热量而汽化，使被冷却物体温度降低，制冷剂蒸汽又回到压缩机，完成一个循环。制冷系数定义为制冷量与压缩机耗功之比，即$\varepsilon=\frac{q_{0}}{w_{c}}$，其中$q_{0}$为制冷量，$w_{c}$为压缩机耗功。制冷系数反映了制冷循环的制冷效率。

9.简述湿空气的含湿量、相对湿度的概念，并说明它们与湿空气状态的关系。答案：含湿量：是指1kg干空气中所含的水蒸气质量，用$d$表示，单位为$kg/kg$（干空气）。含湿量反映了湿空气中水蒸气含量的多少，它只与水蒸气的质量和干空气的质量有关，与湿空气的压力和温度无关。相对湿度：是指湿空气中水蒸气分压力$p_{v}$与同温度下饱和水蒸气分压力$p_{s}$之比，用$\varphi$表示。相对湿度反映了湿空气接近饱和的程度，$\varphi=0$时为干空气，$\varphi=100\%$时为饱和湿空气。相对湿度与湿空气的温度和水蒸气含量有关，温度一定时，水蒸气含量越多，相对湿度越大；水蒸气含量一定时，温度越高，相对湿度越小。

10.简述熵增原理及其意义。答案：熵增原理指出，孤立系统的熵只能增加，或者保持不变，绝不会减少，即$\DeltaS_{iso}\geq0$，等号对应可逆过程，大于号对应不可逆过程。熵增原理的意义在于：它揭示了热力过程的方向性，不可逆过程总是朝着使系统熵增加的方向进行，而可逆过程则使系统熵保持不变。可以用来判断孤立系统中过程进行的方向和限度，当系统熵达到最大值时，系统达到平衡状态，过程不再进行。为分析和改进热力设备及热力系统提供了理论依据，通过减少不可逆因素，降低系统的熵增，提高能源利用效率。

四、计算题

1.1kg某种理想气体，初态压力$p_{1}=0.1MPa$，温度$t_{1}=27^{\circ}C$，经定温膨胀过程压力变为$p_{2}=0.05MPa$。已知该气体的气体常数$R_{g}=287J/(kg\cdotK)$，求：（1）气体初态和终态的比体积；（2）气体在过程中吸收的热量和对外做的功。

答案：（1）首先将温度换算为热力学温度：$T_{1}=t_{1}+273=300K$。根据理想气体状态方程$pV=mR_{g}T$，可得初态比体积$v_{1}=\frac{R_{g}T_{1}}{p_{1}}=\frac{287\times300}{0.1\times10^{6}}=0.861m^{3}/kg$。定温过程中$p_{1}v_{1}=p_{2}v_{2}$，所以终态比体积$v_{2}=\frac{p_{1}}{p_{2}}v_{1}=\frac{0.1}{0.05}\time