湖南大學工程熱力學試題及答案1?一、選擇題（每題2分，共20分）

1.熱力學第零定律表明（）A.若兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡B.能量只能從一個物體傳遞到另一個物體，或者從一種形式轉化為另一種形式C.不可能從單一熱源吸取熱量，并將這熱量變為功，而不產生其他影響D.孤立系統的熵永不減少

答案：A

解析：熱力學第零定律是建立溫度概念的基礎，它指出如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡（溫度相同），則它們彼此也必定處于熱平衡。B選項是能量守恒定律的表述；C選項是熱力學第二定律的開爾文表述；D選項是熱力學第二定律的熵增原理。

2.工質經歷一個可逆定溫過程，其熵變（）A.大于零B.小于零C.等于零D.不確定

答案：D

解析：根據熵的計算公式\(\DeltaS=\int\frac{\deltaQ}{T}\)，對于可逆定溫過程，若工質吸熱，則熵變大于零；若工質放熱，則熵變小于零；若與外界無熱量交換，則熵變等于零。所以僅知道是可逆定溫過程，不能確定熵變情況。

3.理想氣體經歷一個定容過程，其內能變化量（）A.只與溫度變化有關B.只與壓力變化有關C.與溫度和壓力變化都有關D.與溫度和壓力變化都無關

答案：A

解析：理想氣體的內能是溫度的單值函數，\(\DeltaU=mc_v\DeltaT\)，在定容過程中，\(m\)和\(c_v\)不變，所以內能變化量只與溫度變化有關。

4.卡諾循環的熱效率只與（）有關A.工質性質B.熱源溫度C.冷源溫度D.熱源溫度和冷源溫度

答案：D

解析：卡諾循環熱效率\(\eta_{c}=1\frac{T_2}{T_1}\)，其中\(T_1\)是熱源溫度，\(T_2\)是冷源溫度，所以卡諾循環的熱效率只與熱源溫度和冷源溫度有關。

5.下列哪種情況屬于閉口系統（）A.氣缸中的氣體B.開口水箱中的水C.制冷壓縮機D.汽輪機

答案：A

解析：閉口系統與外界沒有物質交換，氣缸中的氣體符合閉口系統的定義。開口水箱中的水與外界有物質交換（水可能會流出或有其他水源補充）；制冷壓縮機和汽輪機都有工質的吸入和排出，屬于開口系統。

6.水蒸氣的定壓比熱（）A.是常數B.隨溫度升高而增大C.隨溫度升高而減小D.隨壓力升高而增大

答案：B

解析：水蒸氣的定壓比熱不是常數，隨著溫度升高而增大。

7.實際氣體節流后，其溫度（）A.一定升高B.一定降低C.一定不變D.可能升高、降低或不變

答案：D

解析：實際氣體節流后溫度可能升高、降低或不變，這取決于氣體的種類和初始狀態等因素。對于理想氣體，節流前后溫度不變；而實際氣體節流后溫度的變化情況較為復雜。

8.朗肯循環中，汽輪機排出的蒸汽在凝汽器中的過程是（）A.定壓放熱B.定溫放熱C.定容放熱D.絕熱放熱

答案：A

解析：在凝汽器中，蒸汽向冷卻水放熱凝結成水，壓力不變，所以是定壓放熱過程。

9.熱泵循環的供熱系數（）A.大于1B.小于1C.等于1D.等于0

答案：A

解析：熱泵循環的供熱系數\(\varepsilon=\frac{q_{H}}{w_{net}}=\frac{q_{H}}{q_{H}q_{L}}\gt1\)，它是從低溫熱源吸取熱量向高溫熱源供熱，供熱系數大于1表示從低溫熱源獲取的熱量加上消耗的功一起向高溫熱源供熱。

10.濕空氣的含濕量不變，溫度升高時，其相對濕度（）A.增大B.減小C.不變D.不確定

答案：B

解析：含濕量不變，溫度升高時，飽和蒸汽壓增大，而實際蒸汽壓不變，根據相對濕度公式\(\varphi=\frac{p_v}{p_s}\times100\%\)（\(p_v\)是實際蒸汽壓，\(p_s\)是飽和蒸汽壓），相對濕度會減小。

二、填空題（每題2分，共20分）

1.熱力學能是指系統內部___的總和。

答案：分子熱運動動能、分子間相互作用勢能以及分子內部能量

解析：熱力學能是系統內部所有微觀粒子的能量總和，包括分子熱運動動能、分子間相互作用勢能以及分子內部能量等。

2.1kg某種理想氣體，其比定容熱容\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，則其比定壓熱容\(c_p=\)___kJ/(kg·K)。

答案：1.4

解析：對于理想氣體，\(c_pc_v=R_g\)，\(c_p=c_v+R_g\)，一般理想氣體常數\(R_g=0.287kJ/(kg·K)\)，所以\(c_p=0.7+0.7=1.4kJ/(kg·K)\)。

3.工質經歷一個可逆過程，其熵變等于___。

答案：該過程的熵流與熵產之和

解析：根據熵方程\(\DeltaS=S_f+S_g\)，其中\(S_f\)是熵流，\(S_g\)是熵產，對于可逆過程，熵產\(S_g=0\)，所以熵變等于熵流。

4.卡諾熱機工作在溫度為\(T_1=500K\)和\(T_2=300K\)的兩個熱源之間，其熱效率\(\eta_{c}=\)___。

答案：40%

解析：由卡諾循環熱效率公式\(\eta_{c}=1\frac{T_2}{T_1}=1\frac{300}{500}=0.4=40\%\)。

5.閉口系統從外界吸收熱量\(Q\)，對外做功\(W\)，則其熱力學能變化量\(\DeltaU=\)___。

答案：\(QW\)

解析：根據熱力學第一定律\(\DeltaU=QW\)，對于閉口系統，能量的變化表現為熱力學能的變化。

6.水蒸氣的狀態參數有___、___、___等（寫出三個）。

答案：壓力、溫度、比體積、焓、熵（任選三個）

解析：水蒸氣的狀態參數包括基本狀態參數壓力、溫度、比體積，以及其他狀態參數焓、熵等。

7.實際氣體的壓縮因子\(Z=\)___。

答案：\(\frac{pv}{R_gT}\)

解析：壓縮因子\(Z\)用于描述實際氣體與理想氣體行為的偏離程度，定義為\(Z=\frac{pv}{R_gT}\)，其中\(p\)是壓力，\(v\)是比體積，\(R_g\)是氣體常數，\(T\)是溫度。

8.朗肯循環由___、___、___、___四個過程組成。

答案：定壓加熱、絕熱膨脹、定壓放熱、絕熱壓縮

解析：朗肯循環是最基本的蒸汽動力循環，由定壓加熱（水在鍋爐中定壓吸熱汽化）、絕熱膨脹（蒸汽在汽輪機中絕熱膨脹做功）、定壓放熱（乏汽在凝汽器中定壓放熱凝結成水）、絕熱壓縮（凝結水在給水泵中絕熱壓縮升壓）四個過程組成。

9.制冷循環的制冷系數\(\varepsilon=\)___。

答案：\(\frac{q_{L}}{w_{net}}\)

解析：制冷系數表示制冷循環中制冷量與消耗功的比值，即\(\varepsilon=\frac{q_{L}}{w_{net}}\)，其中\(q_{L}\)是從低溫熱源吸取的熱量，\(w_{net}\)是消耗的凈功。

10.濕空氣的露點溫度是指在含濕量不變的情況下，濕空氣冷卻到___時的溫度。

答案：水蒸氣開始凝結

解析：露點溫度是濕空氣中水蒸氣開始凝結的溫度，當濕空氣含濕量不變，冷卻到露點溫度時，水蒸氣達到飽和狀態，繼續冷卻就會有凝結現象發生。

三、簡答題（每題5分，共20分）

1.簡述熱力學第一定律的實質。

答案：熱力學第一定律的實質是能量守恒與轉換定律在熱現象中的體現。它表明熱可以轉變為功，功也可以轉變為熱；消耗一定的功必產生一定的熱，一定的熱消失時，也必產生一定的功。它揭示了熱力過程中能量在數量上的守恒關系，即進入系統的能量減去離開系統的能量等于系統內部能量的變化。它是分析熱力過程能量傳遞和轉換的基本依據，廣泛應用于各種熱工設備和熱力系統的分析與計算中。

2.什么是理想氣體？理想氣體狀態方程的表達式是什么？

答案：理想氣體是一種假想的氣體模型，它假設氣體分子是彈性的質點，分子間沒有相互作用力，分子本身不占有體積。

理想氣體狀態方程的表達式為\(pV=mR_gT\)，其中\(p\)是壓力，\(V\)是體積，\(m\)是質量，\(R_g\)是氣體常數，\(T\)是熱力學溫度。該方程描述了理想氣體在平衡狀態下壓力、體積、質量和溫度之間的關系，是研究理想氣體熱力性質和熱力過程的重要工具。

3.簡述水蒸氣定壓發生過程的三個階段和五個狀態點。

答案：水蒸氣定壓發生過程可分為三個階段：預熱階段：水從任意初始溫度被加熱到飽和溫度，此階段水的比體積略有增加，狀態處于未飽和水狀態。汽化階段：水在飽和溫度下不斷吸收熱量汽化為蒸汽，此階段壓力不變，溫度不變，比體積迅速增大，包括飽和水和干飽和蒸汽兩個狀態。過熱階段：蒸汽繼續吸熱成為過熱蒸汽，過熱蒸汽的溫度高于飽和溫度，比體積繼續增大。

五個狀態點分別為：未飽和水狀態點：水未達到飽和溫度時的狀態。飽和水狀態點：水剛好達到飽和溫度時的狀態。濕飽和蒸汽狀態點：處于汽化階段，含有飽和水和飽和蒸汽的混合狀態。干飽和蒸汽狀態點：汽化階段結束，蒸汽全部為飽和蒸汽的狀態。過熱蒸汽狀態點：蒸汽處于過熱階段的狀態。

4.簡述提高朗肯循環熱效率的途徑。

答案：提高朗肯循環熱效率的途徑主要有以下幾種：提高蒸汽初參數：提高蒸汽的初壓力\(p_1\)和初溫度\(t_1\)。提高初壓力可使循環平均吸熱溫度升高，提高初溫度可使蒸汽在汽輪機中的絕熱膨脹過程線更靠近定熵過程，從而提高熱效率。降低蒸汽終參數：降低凝汽器壓力\(p_2\)，可使循環平均放熱溫度降低，提高熱效率。采用再熱循環：在汽輪機中間某一級抽出部分蒸汽，送回鍋爐再熱器中加熱到較高溫度后，再送回汽輪機繼續膨脹做功。再熱循環可提高蒸汽在汽輪機中的做功能力，增加循環凈功，同時提高了循環熱效率。采用回熱循環：從汽輪機不同壓力級抽出部分蒸汽，加熱凝結水，提高給水溫度，使進入鍋爐的水的焓值提高，減少了鍋爐中工質的吸熱量，從而提高了循環熱效率。

四、計算題（每題20分，共40分）

1.1kg理想氣體，其比定容熱容\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，從初態\(p_1=0.5MPa\)，\(T_1=300K\)，經歷一個定容過程，壓力升高到\(p_2=1MPa\)。求：（1）氣體的熱力學能變化量\(\DeltaU\)；（2）過程中氣體吸收的熱量\(Q\)。

解：（1）對于定容過程，理想氣體的熱力學能變化量\(\DeltaU=mc_v\DeltaT\)。首先求溫度變化\(\DeltaT\)，根據理想氣體狀態方程\(pV=mR_gT\)，定容過程\(V\)不變，則\(\frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2}\)，可得\(T_2=\frac{p_2T_1}{p_1}\)。將\(p_1=0.5MPa\)，\(T_1=300K\)，\(p_2=1MPa\)代入可得：\(T_2=\frac{1\times300}{0.5}=600K\)則\(\DeltaT=T_2T_1=600300=300K\)。已知\(m=1kg\)，\(c_v=0.7kJ/(kg·K)\)，所以\(\DeltaU=mc_v\DeltaT=1\times0.7\times300=210kJ\)。

（2）根據熱力學第一定律\(\DeltaU=QW\)，定容過程\(W=0\)，所以\(Q=\DeltaU=210kJ\)。

2.某蒸汽動力循環采用朗肯循環，蒸汽初壓力\(p_1=3MPa\)，初溫度\(t_1=400^{\circ}C\)，排汽壓力\(p_2=0.004MPa\)。已知水蒸氣在\(p_1=3MPa\)，\(t_1=400^{\circ}C\)時，\(h_1=3230.9kJ/kg\)；在\(p_2=0.004MPa\)時，\(h_2=2133.8kJ/kg\)，\(h_3=121.4kJ/kg\)，\(h_4=191.8kJ/kg\)。求：（1）循環的吸熱量\(q_1\)；（2）循環的放熱量\(q_2\)；（3）循環的熱效率\(\eta_t\)；（4）循環的凈功\(w_{net}\)。

解：（1）循環的吸熱量\(q_1=h_1h_4\)將\(h_1=3230.9kJ/kg\)，\(h_4=191.8kJ/kg\)代入可得：\(q_1=3230.9191.8=3039.1kJ/kg\)

（2）循環的放熱量\(q_2=h_2h_3\)將\(h_2=2133.8kJ/kg\)，\(h_3=121.4kJ/kg\)代入可得：\(q_2=2133.8121.4=2012