工程热力学原理与实践知识点梳理

工程热力学原理与实践知识点梳理姓名_________________________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.工程热力学的基本假设有哪些？

A.物质是连续的

B.气体分子间无相互作用

C.流体是不可压缩的

D.流体是理想流体

E.系统内部温度是均匀的

2.理想气体状态方程是什么？

A.PV=RT

B.PV=mRT

C.PV=γRT

D.PV=(γ1)RT

E.PV=(γ1)RT

3.热力学第一定律的数学表达式是什么？

A.ΔU=QW

B.ΔU=QW

C.ΔU=QW'

D.ΔU=WQ

E.ΔU=WQ

4.热力学第二定律的克劳修斯表述是什么？

A.热量不能自发地从低温物体传递到高温物体

B.热量可以自发地从高温物体传递到低温物体

C.熵总是增加的

D.熵总是减少的

E.熵在可逆过程中保持不变

5.熵的定义是什么？

A.系统内能的增加

B.系统内能的减少

C.系统无序度的度量

D.系统有序度的度量

E.系统热量的度量

6.可逆热力循环的效率最高的是哪种循环？

A.卡诺循环

B.奥托循环

C.雷诺循环

D.摩诺循环

E.蒸汽循环

7.热泵的工作原理是什么？

A.通过外界做功使热量从低温热源转移到高温热源

B.通过外界做功使热量从高温热源转移到低温热源

C.通过热传导使热量从低温热源转移到高温热源

D.通过热传导使热量从高温热源转移到低温热源

E.通过热辐射使热量从低温热源转移到高温热源

8.冷却塔的工作原理是什么？

A.通过水与空气的接触将热量从水传递到空气中

B.通过水的蒸发将热量从水传递到空气中

C.通过压缩空气将热量从空气中转移到水中

D.通过冷却剂循环将热量从空气中转移到冷却剂中

E.通过热交换器将热量从空气中转移到冷却剂中

答案及解题思路：

1.答案：A,B,D,E

解题思路：工程热力学的基本假设包括物质的连续性、理想气体假设、流体不可压缩性、理想流体假设和均匀温度假设。

2.答案：A

解题思路：理想气体状态方程PV=RT描述了理想气体在恒定温度下的压力、体积和温度之间的关系。

3.答案：A

解题思路：热力学第一定律表明能量守恒，ΔU表示系统内能的变化，Q表示热量，W表示对外做功。

4.答案：A

解题思路：克劳修斯表述为热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，这是热力学第二定律的表述之一。

5.答案：C

解题思路：熵是系统无序度的度量，反映了系统内部微观状态的可能性。

6.答案：A

解题思路：卡诺循环是一个理想的可逆热力循环，其效率最高，是所有可逆热力循环中效率最高的。

7.答案：A

解题思路：热泵通过外界做功，使热量从低温热源转移到高温热源，实现制冷或供暖功能。

8.答案：B

解题思路：冷却塔通过水的蒸发，将热量从水传递到空气中，实现冷却效果。二、填空题1.热力学第一定律表明：能量既不能_______，也不能_______。

答案：凭空产生，凭空消失

解题思路：热力学第一定律，即能量守恒定律，表明在一个封闭系统中，能量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。

2.理想气体的内能只与_______有关。

答案：温度

解题思路：理想气体的内能是由气体分子的动能决定的，而动能只与温度有关，与气体的体积和压强无关。

3.熵增加的方向是_______方向。

答案：不可逆

解题思路：根据热力学第二定律，孤立系统的熵总是趋向于增加，即熵增的方向是不可逆的。

4.卡诺循环由_______、_______、_______和_______四个过程组成。

答案：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩、绝热压缩

解题思路：卡诺循环是一种理想化的热机循环，由两个等温过程和两个绝热过程组成，分别是高温等温膨胀、绝热膨胀、低温等温压缩、绝热压缩。

5.热泵的制冷系数_______，制冷剂在热泵中吸收热量。

答案：大于1

解题思路：热泵的制冷系数（COP）是指热泵在制冷过程中，吸收的热量与消耗的功之比。因为热泵的工作原理是从低温热源吸收热量，转移到高温热源，所以制冷系数总是大于1。三、判断题1.热力学第一定律只适用于封闭系统。（）

答案：✓

解题思路：热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出在一个封闭系统中，能量既不能被创造也不能被销毁，只能从一种形式转换为另一种形式。虽然这一原理通常在封闭系统中讨论，但它同样适用于开系统，只是需要考虑能量跨系统边界的交换。

2.理想气体的内能完全由分子动能组成。（）

答案：✓

解题思路：在理想气体模型中，分子间没有相互作用力，因此内能仅由分子的动能组成。对于理想气体，其内能不依赖于分子的势能，只与温度有关。

3.熵增加的方向是自发过程的方向。（）

答案：✓

解题思路：根据热力学第二定律，孤立系统的熵总是趋向于增加，这意味着熵增加的方向是自发过程的方向。在非孤立系统中，自发过程通常伴总熵的增加。

4.热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文普朗克表述是等价的。（）

答案：✓

解题思路：克劳修斯表述指出，不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。开尔文普朗克表述指出，不可能从单一热源吸收热量并全部转化为功而不引起其他变化。这两个表述都描述了热力学第二定律的同，因此它们是等价的。

5.可逆热力循环的效率最高，实际热力循环的效率一定低于可逆热力循环的效率。（）

答案：✓

解题思路：根据卡诺定理，在所有可能的循环中，可逆热力循环的效率是最高的。实际热力循环由于不可逆过程的存在（如摩擦、热损失等），其效率必然低于理想的可逆热力循环效率。四、简答题1.简述热力学第一定律的物理意义。

热力学第一定律的物理意义在于表述了能量守恒定律在热力学系统中的具体应用。它表明，在一个封闭的热力学系统中，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，或者从一个系统转移到另一个系统。这个定律强调了能量在转换和传递过程中的守恒性。

2.简述理想气体状态方程的适用条件。

理想气体状态方程\(PV=nRT\)在以下条件下适用：气体分子之间的相互作用力可以忽略不计，分子自身的体积也可以忽略不计；气体处于恒温状态，即温度不变；气体分子之间的碰撞是完全弹性的。这个方程适用于单原子理想气体以及双原子理想气体在低压和较高温度下的近似描述。

3.简述熵增加的方向与自发过程的关系。

熵增加的方向与自发过程的关系是，根据热力学第二定律，一个孤立系统的总熵在自发过程中总是增加的。这意味着自发过程趋向于增加系统的无序度，直到达到热力学平衡状态，此时熵达到最大值。

4.简述卡诺循环的工作原理。

卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程组成的理想热机循环。其工作原理是：在高温热源处，气体吸收热量并膨胀，对外做功；然后在低温热源处，气体释放热量并压缩，热量被排出。卡诺循环的效率取决于高温热源和低温热源之间的温度差，是最理想的热机循环，其效率为\(1\frac{T_{\text{低}}}{T_{\text{高}}}\)，其中\(T_{\text{低}}\)和\(T_{\text{高}}\)分别是低温热源和高温热源的绝对温度。

5.简述热泵的制冷原理。

热泵的制冷原理基于逆卡诺循环。它通过外界做功，将低温环境中的热量转移到高温环境中。具体过程是：在低温环境中，制冷剂吸收热量并蒸发；然后在压缩机的作用下，制冷剂被压缩并加热，热量被释放到高温环境中；制冷剂在冷凝器中冷凝，释放出热量，再次回到低温环境中，完成一个循环。

答案及解题思路：

1.答案：热力学第一定律的物理意义在于表述了能量守恒定律在热力学系统中的具体应用。

解题思路：理解能量守恒定律，并结合热力学第一定律的定义进行阐述。

2.答案：理想气体状态方程\(PV=nRT\)在气体分子间相互作用力可以忽略不计、分子体积可以忽略不计、恒温状态、碰撞完全弹性的条件下适用。

解题思路：回顾理想气体的定义和假设条件，结合状态方程进行推导。

3.答案：熵增加的方向与自发过程的关系是，自发过程总是趋向于增加系统的总熵。

解题思路：理解热力学第二定律，结合熵的概念进行解释。

4.答案：卡诺循环的工作原理是通过在高温热源和低温热源之间进行热量交换，实现能量转换。

解题思路：了解卡诺循环的组成和过程，结合热力学第一定律和第二定律进行分析。

5.答案：热泵的制冷原理是通过外部做功，将低温环境中的热量转移到高温环境中。

解题思路：理解热泵的工作原理，结合逆卡诺循环的概念进行阐述。

：五、计算题1.已知某理想气体初态为P1=1atm，V1=0.1m^3，T1=300K，经过等温膨胀过程后，体积变为V2=0.2m^3，求终态的压力P2。

解题思路：

根据玻意耳马略特定律，对于等温过程，气体的压强和体积成反比，即\(P_1V_1=P_2V_2\)。代入已知数据计算得到终态的压力P2。

答案：

\(P_2=\frac{P_1V_1}{V_2}=\frac{1\text{atm}\times0.1\text{m}^3}{0.2\text{m}^3}=0.5\text{atm}\)

2.已知某理想气体初态为P1=1atm，V1=0.1m^3，T1=300K，经过绝热膨胀过程后，体积变为V2=0.2m^3，求终态的温度T2。

解题思路：

对于绝热过程，根据泊松定律\(P_1V_1^{\gamma}=P_2V_2^{\gamma}\)，其中γ为气体的绝热指数。再结合理想气体状态方程\(PV=nRT\)，通过联立这两个方程求解终态的温度T2。

答案：

由于没有给出气体的具体类型，无法确定γ的具体值。但通常对于双原子理想气体，γ约等于1.4。所以\(T_2=\frac{P_1V_1^{\gamma}}{P_2V_2^{\gamma}}\timesT_1\)。假设γ=1.4，代入计算。

3.已知某热机从高温热源吸收热量Q1=1000kJ，向低温热源放出热量Q2=500kJ，求该热机的效率。

解题思路：

热机的效率定义为吸收的热量与放出的热量的比值，即\(\eta=\frac{Q_1}{Q_1Q_2}\)。

答案：

\(\eta=\frac{1000\text{kJ}}{1000\text{kJ}500\text{kJ}}=\frac{1000}{1500}=0.6667\)或66.67%

4.已知某热泵的制冷剂在蒸发器中吸收热量Q1=500kJ，在冷凝器中放出热量Q2=800kJ，求该热泵的制冷系数。

解题思路：

热泵的制冷系数定义为制冷剂在蒸发器中吸收的热量与在冷凝器中放出的热量之比，即\(COP=\frac{Q_1}{Q_2Q_1}\)。

答案：

\(COP=\frac{500\text{kJ}}{800\text{kJ}500\text{kJ}}=\frac{500}{300}=1.6667\)或1.67

5.已知某冷却塔的冷却水流量为100t/h，进水温度为30℃，出水温度为25℃，求冷却塔的冷却能力。

解题思路：

冷却塔的冷却能力可以通过水的比热容、质量流量和温差来计算，即\(Q=m\cdotc\cdot\DeltaT\)，其中\(m\)为水的质量流量，\(c\)为水的比热容，\(\DeltaT\)为水的温度变化。

答案：

假设水的比热容为\(c=4.1\text{kJ/(kg·K)}\)，水的质量流量为\(m=100\text{t/h}=100,000\text{kg/h}\)，温度变化为\(\DeltaT=30^\circ\text{C}25^\circ\text{C}=5^\circ\text{C}\)。代入公式计算得到：

\(Q=100,000\text{kg/h}\times4.1\text{kJ/(kg·K)}\times5\text{K}=2,073,000\text{kJ/h}\)或\(2.073\text{MW}\)

注意：这些计算假设了水的比热容、流量和温度变化都是常数，实际情况可能会有所不同。六、分析题1.分析理想气体状态方程的适用条件及其局限性。

解答：

理想气体状态方程，即PV=nRT，其中P是压强，V是体积，n是物质的量，R是理想气体常数，T是温度。该方程的适用条件主要包括：

气体必须处于理想状态，即分子间没有相互作用力。

温度必须足够高，使得气体分子的运动速度足够快，从而忽略分子间的碰撞。

气体的体积必须足够大，使得分子间距离远大于分子本身的尺寸。

局限性包括：

该方程不适用于真实气体，特别是在高压和低温条件下，真实气体分子间的相互作用力不可忽略。

在接近液化或固化的条件下，理想气体状态方程不再适用。

2.分析热力学第二定律的克劳修斯表述与开尔文普朗克表述的等价性。

解答：

克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。

开尔文普朗克表述：不可能从单一热源吸收热量，使之完全变为功，而不产生其他影响。

两者等价性在于：

克劳修斯表述实际上是对热量不可逆传递的描述，而开尔文普朗克表述是对热机效率上限的描述。

两者都体现了热力学第二定律的核心思想，即热能的转换和利用存在一定的限制。

3.分析可逆热力循环与实际热力循环的效率差异。

解答：

可逆热力循环的效率是指循环中从热源吸收的热量与转化为功的比值达到最大值。实际热力循环的效率通常低于可逆热力循环，原因包括：

实际循环过程中存在不可逆损失，如摩擦、湍流等。

实际循环的热源和冷源温度与理想情况存在差异。

实际设备的功能不如理想模型。

4.分析热泵的制冷原理及其应用。

解答：

热泵制冷原理是利用外界能量（如电能）将低温环境的热量转移到高温环境中，实现制冷效果。其工作原理

压缩机将低温低压的制冷剂压缩成高温高压状态。

制冷剂在冷凝器中放出热量，实现制冷。

高温高压制冷剂经过膨胀阀降压降温，进入蒸发器吸收热量，再次降低环境温度。

热泵的应用包括：

家用和商用空调系统。

冷藏和冷冻设备。

地源热泵系统。

5.分析冷却塔的工作原理及其应用。

解答：

冷却塔是利用空气流动和水的蒸发作用，将工业或建筑设备产生的热量排放到大气中的设备。其工作原理

冷却水从设备中流出，进入冷却塔。

空气在冷却塔内向上流动，与水流接触。

水在蒸发过程中吸收热量，温度降低。

降温后的水重新流回设备，循环使用。

冷却塔的应用包括：

工业生产中的冷却水系统。

大型发电厂的冷却水系统。

空调系统的冷凝水冷却。

答案及解题思路：

1.答案：理想气体状态方程适用于理想气体，即分子间无相互作用力，温度足够高，体积足够大。局限性在于高压低温条件下不适用，真实气体分子间作用力不可忽略。

解题思路：理解理想气体状态方程的定义和适用条件，分析其局限性。

2.答案：克劳修斯表述和开尔文普朗克表述都是热力学第二定律的表述，体现热能转换的限制。

解题思路：比较两种表述，理解其内在联系和共同点。

3.答案：可逆热力循环效率高于实际热力循环，原因包括不可逆损失、温度差异和设备功能限制。

解题思路：分析可逆与实际循环的差异，理解效率差异的原因。

4.答案：热泵通过压缩制冷剂和蒸发吸收热量实现制冷，应用广泛。

解题思路：理解热泵工作原理，分析其应用领域。

5.答案：冷却塔利用空气和水的蒸发作用将热量排放到大气中，应用在工业和建筑领域。

解题思路：理解冷却塔工作原理，分析其应用场景。七、应用题1.某热机从高温热源吸收热量Q1=1000kJ，向低温热源放出热量Q2=500kJ，求该热机的效率。

2.某热泵的制冷剂在蒸发器中吸收热量Q1=500kJ，在冷凝器中放出热量Q2=800kJ，求该热泵的制冷系数。

3.已知某理想气体初态为P1=1atm，V1=0.1m^3，T1=300K，经过等温膨胀过程后，体积变为V2=0.2m^3，求终态的压力P2。

4.已知某理想气体初态为P1=1atm，V1=0.1m^3，T1=300K，经过绝热膨胀过程后，体积变为V2=0.2m^3，求终态的温度T