工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)詳解與習(xí)題集

工程熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)詳解與習(xí)題集姓名_________________________地址_______________________________學(xué)號(hào)______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線(xiàn)--------------------------1.請(qǐng)首先在試卷的標(biāo)封處填寫(xiě)您的姓名，身份證號(hào)和地址名稱(chēng)。2.請(qǐng)仔細(xì)閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫(xiě)您的答案。一、單選題1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

A.ΔU=QW

B.ΔU=QW

C.ΔU=WQ

D.ΔU=QW

答案：A

解題思路：熱力學(xué)第一定律表明能量守恒，內(nèi)能的變化等于吸收的熱量加上做的功。因此，正確答案是A。

2.理想氣體的內(nèi)能僅取決于：

A.溫度

B.壓力

C.體積

D.以上都對(duì)

答案：A

解題思路：根據(jù)理想氣體的性質(zhì)，內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與壓強(qiáng)和體積無(wú)關(guān)。因此，正確答案是A。

3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是：

A.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體

B.熱量不能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體

C.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，且在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的熵總是減少

D.熱量不能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，且在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的熵總是增加

答案：A

解題思路：克勞修斯表述指出熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，不涉及熵的變化。因此，正確答案是A。

4.熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量等于：

A.4.2kJ

B.8.4kJ

C.21.6kJ

D.42.4kJ

答案：D

解題思路：根據(jù)熱功當(dāng)量的定義，1kg燃料完全燃燒釋放的熱量通常在42.4kJ左右。因此，正確答案是D。

5.熱機(jī)效率是指：

A.燃料燃燒時(shí)放出的熱量

B.燃料燃燒時(shí)放出的熱量與做功的比例

C.做功與消耗的燃料熱量的比例

D.做功與吸收的熱量的比例

答案：C

解題思路：熱機(jī)效率是指熱機(jī)輸出的功與輸入的熱量之比，即做功與消耗的燃料熱量的比例。因此，正確答案是C。

6.理想氣體絕熱過(guò)程的特點(diǎn)是：

A.系統(tǒng)的內(nèi)能不變

B.系統(tǒng)的熵增加

C.系統(tǒng)的溫度升高

D.系統(tǒng)的壓力降低

答案：A

解題思路：在理想氣體的絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)不與外界交換熱量，因此內(nèi)能不變。正確答案是A。

7.熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)包括：

A.內(nèi)能

B.熵

C.自由能

D.以上都對(duì)的

答案：D

解題思路：熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)包括內(nèi)能、熵和自由能等，它們都是熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的重要函數(shù)。因此，正確答案是D。二、多選題1.熱力學(xué)第一定律的基本公式包括：

A.ΔU=QW

B.ΔU=QW

C.ΔU=WQ

D.ΔU=QW

2.熱力學(xué)第二定律的表述包括：

A.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體

B.熱量不能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體

C.熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，且在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的熵總是減少

D.熱量不能自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，且在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的熵總是增加

3.理想氣體的內(nèi)能取決于：

A.溫度

B.壓力

C.體積

D.以上都對(duì)

4.熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，下列哪些因素會(huì)影響燃料燃燒所放出的熱量：

A.燃料的熱值

B.燃料的質(zhì)量

C.燃燒時(shí)的溫度

D.燃燒時(shí)的壓力

5.熱機(jī)效率的計(jì)算公式包括：

A.η=W/Q

B.η=Q/W

C.η=ΔU/W

D.η=ΔU/Q

答案及解題思路：

1.答案：A,B

解題思路：熱力學(xué)第一定律，也稱(chēng)為能量守恒定律，其基本公式為ΔU=QW，表示系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于系統(tǒng)吸收的熱量Q和外界對(duì)系統(tǒng)做的功W的總和。因此，正確答案是A和B。

2.答案：A,D

解題思路：熱力學(xué)第二定律指出，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，且在傳遞過(guò)程中，系統(tǒng)的熵總是增加。因此，正確答案是A和D。

3.答案：A

解題思路：理想氣體的內(nèi)能只取決于溫度，與壓力和體積無(wú)關(guān)。因此，正確答案是A。

4.答案：A,B

解題思路：燃料燃燒所放出的熱量與燃料的熱值和質(zhì)量有關(guān)，熱值越高，質(zhì)量越大，放出的熱量也越多。燃燒時(shí)的溫度和壓力也會(huì)影響燃燒效率，但不是直接影響燃燒所放出的熱量。因此，正確答案是A和B。

5.答案：A,C

解題思路：熱機(jī)效率是指熱機(jī)做功的有效性，其計(jì)算公式為η=W/Q，其中W是熱機(jī)做的功，Q是熱機(jī)從高溫?zé)嵩次盏臒崃?。因此，正確答案是A和C。公式B和D不正確，因?yàn)樗鼈儾环蠠釞C(jī)效率的定義。三、判斷題1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ΔU=QW。（√）

解題思路：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，它表明一個(gè)孤立系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于系統(tǒng)與外界交換的熱量與功的代數(shù)和。因此，數(shù)學(xué)表達(dá)式ΔU=QW是正確的，其中ΔU表示內(nèi)能的變化，Q表示系統(tǒng)吸收的熱量，W表示系統(tǒng)對(duì)外做的功。

2.理想氣體的內(nèi)能僅取決于溫度。（√）

解題思路：根據(jù)理想氣體的假設(shè)，氣體分子間沒(méi)有相互作用力，因此理想氣體的內(nèi)能僅與分子的動(dòng)能有關(guān)，而動(dòng)能只與溫度有關(guān)。所以，理想氣體的內(nèi)能僅取決于溫度。

3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。（√）

解題思路：熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述明確指出，熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，這是熱傳遞過(guò)程中熵增原則的體現(xiàn)。

4.熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量等于4.2kJ。（×）

解題思路：熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4.2kJ。這個(gè)數(shù)值實(shí)際上是水的比熱容，用來(lái)表示水每千克溫度升高1攝氏度所需的熱量。實(shí)際的燃料燃燒放熱量需要根據(jù)具體的燃料類(lèi)型來(lái)確定。

5.熱機(jī)效率是指燃料燃燒時(shí)放出的熱量與做功的比例。（×）

解題思路：熱機(jī)效率是指熱機(jī)輸出的功與輸入的熱量之比，而不是燃料燃燒時(shí)放出的熱量與做功的比例。正確的表述應(yīng)該是熱機(jī)效率等于熱機(jī)輸出的功與其吸收的熱量之比。四、填空題1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ΔU=QW。

解題思路：熱力學(xué)第一定律表明，一個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于它吸收的熱量加上對(duì)它做的功。因此，內(nèi)能變化ΔU等于熱量Q和功W的總和。

2.理想氣體的內(nèi)能僅取決于______。

解題思路：對(duì)于理想氣體，內(nèi)能U僅取決于溫度T，因?yàn)槔硐霘怏w的分子間沒(méi)有相互作用力，其內(nèi)能只與分子的平均動(dòng)能有關(guān)，而平均動(dòng)能與溫度成正比。

3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。

解題思路：熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述說(shuō)明了熱傳遞的方向性，即熱量總是自發(fā)地從高溫物體流向低溫物體，而不能反向自發(fā)流動(dòng)。

4.熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量等于______。

解題思路：熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒放出的熱量是一個(gè)已知的物理常數(shù)，通常表示為大約4.2×10^6J/kg。這個(gè)值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。

5.熱機(jī)效率是指______。

解題思路：熱機(jī)效率是指熱機(jī)用來(lái)做有用功的能量與吸收的熱量之比，即η=W有用/Q吸。這個(gè)比值衡量了熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率。

答案及解題思路：

1.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為ΔU=QW。解題思路：熱力學(xué)第一定律表達(dá)了能量守恒的原則，系統(tǒng)內(nèi)能的變化等于它吸收的熱量加上對(duì)外做的功。

2.理想氣體的內(nèi)能僅取決于溫度T。解題思路：根據(jù)理想氣體的性質(zhì)，內(nèi)能只與溫度有關(guān)，與體積和壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。

3.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。解題思路：克勞修斯表述揭示了熱傳遞的自然方向，即從高溫到低溫。

4.熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)中，1kg燃料完全燃燒所放出的熱量等于大約4.2×10^6J/kg。解題思路：這是一個(gè)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的常量，表示燃料的熱值。

5.熱機(jī)效率是指熱機(jī)用來(lái)做有用功的能量與吸收的熱量之比。解題思路：效率是衡量熱機(jī)功能的關(guān)鍵指標(biāo)，反映了能量轉(zhuǎn)化的效率。五、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述熱力學(xué)第一定律的基本內(nèi)容。

熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)，基本內(nèi)容可以表述為：在一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程中，系統(tǒng)的內(nèi)能變化等于系統(tǒng)吸收的熱量與對(duì)外做功的總和。即：

\[\DeltaU=QW\]

其中，\(\DeltaU\)表示系統(tǒng)內(nèi)能的變化，\(Q\)表示系統(tǒng)吸收的熱量，\(W\)表示系統(tǒng)對(duì)外做的功。

2.簡(jiǎn)述熱力學(xué)第二定律的基本內(nèi)容。

熱力學(xué)第二定律有幾種不同的表述，以下為克勞修斯表述和開(kāi)爾文普朗克表述：

克勞修斯表述：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體。

開(kāi)爾文普朗克表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響。

3.簡(jiǎn)述理想氣體的內(nèi)能特點(diǎn)。

理想氣體的內(nèi)能只依賴(lài)于其溫度，不依賴(lài)于其體積和壓強(qiáng)。對(duì)于單原子理想氣體，其內(nèi)能\(U\)可以表示為：

\[U=\frac{3}{2}nRT\]

其中，\(n\)是氣體的物質(zhì)的量，\(R\)是理想氣體常數(shù)，\(T\)是絕對(duì)溫度。

4.簡(jiǎn)述熱功當(dāng)量的概念。

熱功當(dāng)量是熱能和機(jī)械能之間的當(dāng)量關(guān)系，表示為：一定量的熱量可以轉(zhuǎn)化為多少機(jī)械功。通常用符號(hào)\(J/kcal\)表示，即1千卡（kcal）的熱量相當(dāng)于多少焦耳（J）的功。

5.簡(jiǎn)述熱機(jī)效率的概念。

熱機(jī)效率是指熱機(jī)做功的效率，表示為熱機(jī)做的功與熱源提供的熱量之比。公式

\[\eta=\frac{W}{Q_H}\times100\%\]

其中，\(\eta\)是熱機(jī)效率，\(W\)是熱機(jī)做的功，\(Q_H\)是熱源提供的熱量。

答案及解題思路：

1.熱力學(xué)第一定律基本內(nèi)容：能量守恒定律在熱力學(xué)系統(tǒng)中的具體體現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)能變化等于吸收的熱量與對(duì)外做功之和。解題思路：回顧能量守恒定律，將其應(yīng)用于熱力學(xué)過(guò)程，理解內(nèi)能、熱量和功的關(guān)系。

2.熱力學(xué)第二定律基本內(nèi)容：克勞修斯表述和開(kāi)爾文普朗克表述，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，不可能從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)楣?。解題思路：理解熱力學(xué)第二定律的不同表述，掌握熱量傳遞和功轉(zhuǎn)化的限制條件。

3.理想氣體的內(nèi)能特點(diǎn)：只依賴(lài)于溫度，與體積和壓強(qiáng)無(wú)關(guān)。解題思路：了解理想氣體的內(nèi)能表達(dá)式，分析內(nèi)能與溫度、物質(zhì)的量和理想氣體常數(shù)的關(guān)系。

4.熱功當(dāng)量概念：熱量和機(jī)械能之間的當(dāng)量關(guān)系，1千卡的熱量相當(dāng)于多少焦耳的功。解題思路：回顧熱量和功的定義，理解兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

5.熱機(jī)效率概念：熱機(jī)做的功與熱源提供的熱量之比。解題思路：掌握熱機(jī)效率的計(jì)算公式，分析熱機(jī)做功與熱源供能的關(guān)系。六、計(jì)算題1.已知1mol理想氣體在等壓過(guò)程中，溫度從T1升高到T2，求該過(guò)程中氣體的內(nèi)能變化。

2.某熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中，吸收的熱量為Q1，放出的熱量為Q2，求該熱機(jī)的效率。

3.已知一個(gè)熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中，吸熱過(guò)程為等溫過(guò)程，放熱過(guò)程為絕熱過(guò)程，求該熱機(jī)的效率。

4.某熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中，吸熱過(guò)程為等壓過(guò)程，放熱過(guò)程為等溫過(guò)程，求該熱機(jī)的效率。

5.已知一個(gè)熱機(jī)在一個(gè)循環(huán)中，吸熱過(guò)程為等容過(guò)程，放熱過(guò)程為絕熱過(guò)程，求該熱機(jī)的效率。

答案及解題思路：

1.內(nèi)能變化計(jì)算

解題思路：

根據(jù)理想氣體的內(nèi)能公式\(U=\frac{3}{2}nRT\)，其中\(zhòng)(n\)是摩爾數(shù)，\(R\)是理想氣體常數(shù)，\(T\)是溫度。

在等壓過(guò)程中，內(nèi)能的變化等于吸收的熱量，即\(\DeltaU=Q\)。

根據(jù)理想氣體定律\(PV=nRT\)，可以得到\(Q=nC_p(T2T1)\)。

其中\(zhòng)(C_p\)是等壓摩爾熱容，對(duì)于單原子理想氣體\(C_p=\frac{5}{2}R\)，對(duì)于雙原子理想氣體\(C_p=\frac{7}{2}R\)。

答案：

\[

\DeltaU=nC_p(T2T1)

\]

具體數(shù)值取決于\(n\)和\(C_p\)。

2.熱機(jī)效率計(jì)算

解題思路：

熱機(jī)效率定義為\(\eta=\frac{W}{Q1}\)，其中\(zhòng)(W\)是做的功，\(Q1\)是吸收的熱量。

\(W=Q1Q2\)，因?yàn)闊崃繌腬(Q1\)轉(zhuǎn)化為做功和放熱\(Q2\)。

代入公式得到\(\eta=\frac{Q1Q2}{Q1}\)。

答案：

\[

\eta=\frac{Q1Q2}{Q1}

\]

3.等溫絕熱過(guò)程熱機(jī)效率

解題思路：

對(duì)于等溫過(guò)程，吸熱量\(Q1=nRT2\ln\left(\frac{T2}{T1}\right)\)。

對(duì)于絕熱過(guò)程，放熱量\(Q2=\frac{1}{\gamma1}(P2V2P1V1)\)，其中\(zhòng)(\gamma\)是比熱比。

利用效率公式\(\eta=\frac{W}{Q1}\)，得到\(\eta=1\frac{T1}{T2}\left(\frac{T2}{T1}\right)^{\frac{\gamma1}{\gamma}}\)。

答案：

\[

\eta=1\left(\frac{T1}{T2}\right)^{\frac{\gamma1}{\gamma}}

\]

4.等壓等溫過(guò)程熱機(jī)效率

解題思路：

等壓過(guò)程中吸熱量\(Q1=nC_p(T2T1)\)。

等溫過(guò)程中放熱量\(Q2=nRT2\ln\left(\frac{V2}{V1}\right)\)。

利用效率公式\(\eta=\frac{W}{Q1}\)，得到\(\eta=1\frac{T1}{T2}\left(\frac{T2}{T1}\right)^{\frac{C_pR}{C_p}}\)。

答案：

\[

\eta=1\left(\frac{T1}{T2}\right)^{\frac{C_pR}{C_p}}

\]

5.等容絕熱過(guò)程熱機(jī)效率

解題思路：

等容過(guò)程中吸熱量\(Q1=nC_v(T2T1)\)，其中\(zhòng)(C_v\)是等容摩爾熱容。

絕熱過(guò)程中放熱量\(Q2=\frac{1}{\gamma1}(P2V2P1V1)\)。

利用效率公式\(\eta=\frac{W}{Q1}\)，得到\(\eta=1\left(\frac{T1}{T2}\right)^{\frac{\gamma1}{\gamma}}\)。

答案：

\[

\eta=1\left(\frac{T1}{T2}\right)^{\frac{\gamma1}{\gamma}}

\]七、論述題1.論述熱力學(xué)第一定律和第二定律的關(guān)系。

論述：

熱力學(xué)第一定律和第二定律是熱力學(xué)中兩個(gè)基本的定律，它們分別描述了能量的守恒和轉(zhuǎn)化的規(guī)律，以及熱力學(xué)過(guò)程中熵的變化。

熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，指出在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量既不能被創(chuàng)造也不能被銷(xiāo)毀，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。這個(gè)定律表明，系統(tǒng)內(nèi)部的總能量在變化過(guò)程中保持不變。

熱力學(xué)第二定律則說(shuō)明了熱力學(xué)過(guò)程中熵的變化，熵是衡量系統(tǒng)無(wú)序程度的物理量。該定律指出，在任何自然過(guò)程中，系統(tǒng)的總熵總是趨向于增加，即自然過(guò)程是不可逆的。

關(guān)系論述：

熱力學(xué)第一定律是熱力學(xué)的基礎(chǔ)，它保證了能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的守恒性。而熱力學(xué)第二定律則在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步說(shuō)明了能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中熵的變化，兩者共同構(gòu)成了熱力學(xué)的核心。

2.論述熱力學(xué)第一定律在工程中的應(yīng)用。

論述：

熱力學(xué)第一定律在工程中的應(yīng)用非常廣泛，一些典型例子：

（1）能量平衡計(jì)算：在熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)中，如蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，熱力學(xué)第一定律可以用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)吸收和放出的熱量，以及系統(tǒng)內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換。

（2）熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，熱力學(xué)第一定律用于確定系統(tǒng)所需的熱量和功率，以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

（3）能源節(jié)約：在能源利用過(guò)程中，熱力學(xué)第一定律有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

3.論述熱力學(xué)第二定律在工程中的應(yīng)用。

論述：

熱力學(xué)第二定律在工程中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）熱機(jī)效率分析：熱力學(xué)第二定律可以用來(lái)分析熱機(jī)的工作效率，指導(dǎo)熱機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

（2）熱力學(xué)循環(huán)設(shè)計(jì)：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可以對(duì)熱力學(xué)循環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)功能。

（3）節(jié)能技術(shù)：熱力學(xué)第二定律可以指導(dǎo)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，如余熱回收、冷熱聯(lián)產(chǎn)等。

4.論述理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用。

論述：

理想氣體狀態(tài)方程是描述理想氣體狀態(tài)的重要方程，其表達(dá)式為PV=nRT，其中P為