工程熱力學(xué)實(shí)踐練習(xí)題集

工程熱力學(xué)實(shí)踐練習(xí)題集姓名_________________________地址_______________________________學(xué)號(hào)______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請(qǐng)首先在試卷的標(biāo)封處填寫您的姓名，身份證號(hào)和地址名稱。2.請(qǐng)仔細(xì)閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.下列哪一項(xiàng)不是熱力系統(tǒng)的主要組成部分？（）

a.系統(tǒng)邊界

b.熱源

c.系統(tǒng)工作物質(zhì)

d.能量交換器

2.理想氣體比熱容的公式中，Cv與CP的關(guān)系是什么？（）

a.CP=2CV

b.CP=3CV

c.CV=2CP

d.CV=3CP

3.標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是多少？（）

a.0.1013MPa

b.1.013MPa

c.0.001MPa

d.100kPa

4.蒸汽的汽化潛熱大約為多少？（）

a.1000kJ/kg

b.2000kJ/kg

c.3000kJ/kg

d.4000kJ/kg

5.根據(jù)Rankine循環(huán)，工作物質(zhì)從高溫區(qū)到低溫區(qū)的流動(dòng)過程稱為？（）

a.熵增

b.膨脹

c.熵減

d.穩(wěn)定

答案及解題思路：

1.答案：d.能量交換器

解題思路：熱力系統(tǒng)的主要組成部分包括系統(tǒng)邊界、熱源、系統(tǒng)工作物質(zhì)等，能量交換器通常是系統(tǒng)中的部件，但不是構(gòu)成系統(tǒng)本身的要素。

2.答案：b.CP=3CV

解題思路：對(duì)于理想氣體，比熱容的定壓比定容比熱容多一個(gè)自由度，因此CP=CvR，其中R是氣體常數(shù)，通常情況下，CP約為Cv的3倍。

3.答案：b.1.013MPa

解題思路：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）通常定義為101.325kPa，但題目中提供的選項(xiàng)中最接近的是1.013MPa。

4.答案：b.2000kJ/kg

解題思路：水蒸氣的汽化潛熱大約在2000kJ/kg左右，這是一個(gè)常見的工程數(shù)據(jù)。

5.答案：b.膨脹

解題思路：在Rankine循環(huán)中，工作物質(zhì)從鍋爐的高溫高壓狀態(tài)通過膨脹閥進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)行膨脹做功，因此這一過程稱為膨脹。熵增和熵減通常描述的是熱力學(xué)過程中的熵變化，而“穩(wěn)定”并不是描述Rankine循環(huán)中工作物質(zhì)流動(dòng)過程的正確術(shù)語。二、填空題1.摩爾比熱容是指在1摩爾物質(zhì)上發(fā)生的溫度變化引起的______變化。

答案：熱

解題思路：摩爾比熱容是指單位物質(zhì)的量的物質(zhì)在溫度變化時(shí)吸收或放出的熱量，因此填“熱”。

2.在熱力學(xué)過程中，內(nèi)能增加表示為______。

答案：dU>0

解題思路：在熱力學(xué)中，內(nèi)能的變化通常用微分形式表示，內(nèi)能增加時(shí)，其變化量dU大于0。

3.Rankine循環(huán)中，水泵和渦輪的作用分別是什么？

答案：水泵的作用是增加工質(zhì)的壓力，渦輪的作用是做功。

解題思路：在Rankine循環(huán)中，水泵將水或蒸汽壓縮至更高的壓力，渦輪則利用高溫高壓工質(zhì)膨脹做功。

4.熱效率是指熱機(jī)的熱輸出與熱輸入之比，表示為______。

答案：η=W/Qh

解題思路：熱效率定義為熱機(jī)輸出的功W與輸入的熱量Qh之比，因此表示為η=W/Qh。

5.卡諾循環(huán)的效率表示為______。

答案：η=1Tc/Th

解題思路：卡諾循環(huán)的效率由其兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程決定，其效率公式為1減去低溫?zé)嵩礈囟萒c與高溫?zé)嵩礈囟萒h的比值。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述理想氣體的性質(zhì)和假設(shè)。

理想氣體的性質(zhì)和假設(shè)包括：

氣體分子間沒有相互作用力，即沒有分子間引力和斥力。

氣體分子體積可以忽略不計(jì)，即氣體分子占據(jù)的空間遠(yuǎn)小于整個(gè)容器體積。

氣體分子做完全彈性碰撞，即碰撞過程中沒有能量損失。

氣體分子運(yùn)動(dòng)遵循牛頓運(yùn)動(dòng)定律。

2.簡(jiǎn)述熱力學(xué)第一定律和第二定律的含義。

熱力學(xué)第一定律：

能量守恒定律在熱力學(xué)中的體現(xiàn)，即在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量不能被創(chuàng)造或消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為：ΔU=QW，其中ΔU是系統(tǒng)內(nèi)能的變化，Q是系統(tǒng)吸收的熱量，W是系統(tǒng)對(duì)外做的功。

熱力學(xué)第二定律：

描述了熱力學(xué)過程的方向性和不可逆性。

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。

開爾文普朗克表述：不可能從單一熱源吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化為功而不引起其他變化。

3.簡(jiǎn)述Rankine循環(huán)的組成和工作過程。

Rankine循環(huán)的組成：

汽輪機(jī)：將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

汽輪機(jī)排出的乏汽：進(jìn)入凝汽器。

凝汽器：將乏汽冷凝成水。

水泵：將凝汽器中的水送回鍋爐。

鍋爐：將水加熱產(chǎn)生蒸汽。

蒸汽管道：將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽輸送到汽輪機(jī)。

Rankine循環(huán)的工作過程：

1.蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

2.乏汽進(jìn)入凝汽器，冷凝成水。

3.水被水泵抽回鍋爐。

4.鍋爐中的水被加熱產(chǎn)生蒸汽，再次進(jìn)入汽輪機(jī)。

5.循環(huán)不斷進(jìn)行，產(chǎn)生連續(xù)的機(jī)械能輸出。

4.簡(jiǎn)述Carnot熱機(jī)的效率和限制因素。

Carnot熱機(jī)的效率：

Carnot熱機(jī)的效率是所有熱機(jī)中可能達(dá)到的最大效率。

效率公式為：η=1(Tc/Th)，其中Tc是冷源溫度，Th是熱源溫度。

Carnot熱機(jī)的限制因素：

熱源和冷源的溫度差：溫度差越大，效率越高，但實(shí)際中很難達(dá)到理想狀態(tài)。

熱機(jī)內(nèi)部不可逆過程：如摩擦、熱傳導(dǎo)等，都會(huì)導(dǎo)致效率降低。

5.簡(jiǎn)述熵和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系。

熵和熱力學(xué)第二定律的關(guān)系：

熵是衡量系統(tǒng)無序程度的物理量。

熱力學(xué)第二定律表明，孤立系統(tǒng)的總熵不會(huì)減少，即熵總是趨向于增加。

熵的增加反映了熱力學(xué)過程中不可逆性的本質(zhì)。

答案及解題思路：

1.答案：理想氣體的性質(zhì)和假設(shè)如上所述。

解題思路：理解理想氣體的基本概念和假設(shè)，能夠從物理學(xué)角度分析氣體行為。

2.答案：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱力學(xué)中的體現(xiàn)，第二定律描述了熱力學(xué)過程的方向性和不可逆性。

解題思路：掌握熱力學(xué)第一定律和第二定律的基本內(nèi)容，理解其物理意義。

3.答案：Rankine循環(huán)由汽輪機(jī)、凝汽器、水泵、鍋爐和蒸汽管道組成，工作過程如上所述。

解題思路：熟悉Rankine循環(huán)的組成和工作原理，了解其在實(shí)際應(yīng)用中的重要性。

4.答案：Carnot熱機(jī)的效率是1(Tc/Th)，限制因素包括熱源和冷源的溫度差以及內(nèi)部不可逆過程。

解題思路：理解Carnot熱機(jī)的效率公式，分析影響其效率的因素。

5.答案：熵是衡量系統(tǒng)無序程度的物理量，與熱力學(xué)第二定律表明的孤立系統(tǒng)總熵增加的關(guān)系密切。

解題思路：掌握熵的概念和熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容，理解熵在熱力學(xué)過程中的作用。四、計(jì)算題1.已知理想氣體的初狀態(tài)參數(shù)為：p1=0.1MPa，T1=373K，終狀態(tài)參數(shù)為：p2=0.03MPa，求氣體發(fā)生等溫過程時(shí)，體積變化量ΔV。

2.一個(gè)Rankine循環(huán)中，水泵的吸水壓力為p1=0.3MPa，水在工作輪內(nèi)獲得的比功為w=200kJ/kg，水泵出口處水溫為t2=100°C，求該Rankine循環(huán)的循環(huán)效率。

3.已知某蒸汽發(fā)生器的初始溫度為300°C，壓力為4MPa，在無外功作用下將水加熱到沸騰狀態(tài)，求蒸汽的比容、比焓和內(nèi)能變化量。

4.已知一個(gè)理想氣體的初狀態(tài)參數(shù)為：p1=0.8MPa，V1=0.3m3，進(jìn)行等溫過程后，壓力變?yōu)閜2=0.2MPa，求過程后氣體的體積V2。

5.一個(gè)Rankine循環(huán)中，鍋爐給水進(jìn)口參數(shù)為p1=0.6MPa，t1=100°C，經(jīng)過蒸發(fā)過程后蒸汽的干度ξ=0.9，求鍋爐出口處蒸汽的壓力p2。

答案及解題思路：

1.解題思路：

根據(jù)理想氣體等溫過程的公式\(p_1V_1=p_2V_2\)，可以求出體積變化量\(\DeltaV\)。

\(\DeltaV=\frac{p_1V_1}{p_2}V_1\)

答案：

\(\DeltaV=\frac{0.1\times0.3}{0.03}0.3=10.3=0.7\)m3

2.解題思路：

循環(huán)效率\(\eta\)可以通過凈功\(W_{net}\)和輸入熱量\(Q_{in}\)的比值來計(jì)算。

\(\eta=\frac{W_{net}}{Q_{in}}\)

其中\(zhòng)(W_{net}=w\)（水在工作輪內(nèi)獲得的比功），\(Q_{in}\)是水泵吸水所需的熱量。

答案：

\(\eta=\frac{200}{0.3\times(100373)}\approx0.6\)或60%

3.解題思路：

使用蒸汽表查找在4MPa和300°C下的比容、比焓值，然后查找在相同壓力下的沸騰狀態(tài)下的比容、比焓值，計(jì)算內(nèi)能變化量。

答案：

比容\(v\)和比焓\(h\)可以從蒸汽表中查得，內(nèi)能變化量\(\DeltaU\)可以通過\(\DeltaU=h_2h_1\)計(jì)算。

4.解題思路：

根據(jù)理想氣體等溫過程的公式\(p_1V_1=p_2V_2\)，可以求出過程后的體積\(V_2\)。

答案：

\(V_2=\frac{p_1V_1}{p_2}=\frac{0.8\times0.3}{0.2}=1.2\)m3

5.解題思路：

使用蒸汽表查找在0.6MPa和100°C下的飽和水比焓\(h_f\)和飽和蒸汽比焓\(h_g\)，然后使用干度\(\xi\)來計(jì)算出口蒸汽的比焓\(h_2\)，最后查找對(duì)應(yīng)的壓力\(p_2\)。

答案：

\(h_2=\xih_g(1\xi)h_f\)，然后從蒸汽表中查找對(duì)應(yīng)的壓力\(p_2\)。五、問答題1.舉例說明熱力學(xué)第一定律在日常生活中的應(yīng)用。

熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律，表明能量既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。一些日常生活中的應(yīng)用實(shí)例：

烹飪時(shí)，燃料燃燒釋放的熱量轉(zhuǎn)化為食物的熱能，使食物加熱。

洗衣機(jī)工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)部分能量以熱能的形式散失。

電冰箱工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過壓縮機(jī)壓縮制冷劑，吸收冰箱內(nèi)部的熱量，使內(nèi)部溫度降低。

2.舉例說明熱力學(xué)第二定律在日常生活中的應(yīng)用。

熱力學(xué)第二定律表明，熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體，且任何熱機(jī)都不可能將吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為做功。一些日常生活中的應(yīng)用實(shí)例：

電風(fēng)扇工作時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但產(chǎn)生的熱量無法全部轉(zhuǎn)化為風(fēng)扇的動(dòng)能，部分熱量散失到環(huán)境中。

空調(diào)工作時(shí)，室內(nèi)熱量通過制冷劑被轉(zhuǎn)移到室外，但這個(gè)過程需要消耗電能。

燃?xì)鉄崴鞴ぷ鲿r(shí)，燃料燃燒產(chǎn)生的熱量被用于加熱水，但熱效率不可能達(dá)到100%，部分熱量散失。

3.舉例說明Rankine循環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中的重要性。

Rankine循環(huán)是熱力學(xué)中的一個(gè)理想循環(huán)，廣泛應(yīng)用于蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)。一些Rankine循環(huán)在實(shí)際應(yīng)用中的重要性：

發(fā)電廠：Rankine循環(huán)是大多數(shù)現(xiàn)代火力發(fā)電廠的核心工作原理，通過燃燒燃料產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)渦輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

船舶推進(jìn)：大型船舶通常使用蒸汽輪機(jī)，其工作原理基于Rankine循環(huán)。

海水淡化：一些海水淡化廠采用Rankine循環(huán)，利用海水加熱產(chǎn)生蒸汽，冷凝后得到淡水。

4.如何提高熱機(jī)的效率？

提高熱機(jī)效率的方法包括：

減少熱損失：通過絕熱材料減少熱量向環(huán)境散失。

增加熱交換效率：優(yōu)化熱交換器設(shè)計(jì)，提高熱交換效率。

優(yōu)化工作流體：選擇合適的工質(zhì)，如使用高溫高壓的蒸汽。

減少泵和渦輪機(jī)的摩擦損失：通過潤滑和優(yōu)化設(shè)計(jì)減少機(jī)械損失。

5.解釋卡諾定理的原理和實(shí)際應(yīng)用。

卡諾定理指出，在相同的高溫和低溫?zé)嵩粗g工作的所有可逆熱機(jī)中，卡諾熱機(jī)的效率是最高的。其原理是：

熱機(jī)的效率等于吸收的熱量與做功之比，對(duì)于可逆熱機(jī)，這個(gè)比值等于高溫?zé)嵩礈囟扰c低溫?zé)嵩礈囟鹊谋戎怠?/p>

實(shí)際應(yīng)用包括：

卡諾定理為熱機(jī)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)，幫助工程師優(yōu)化熱機(jī)功能。

在制冷技術(shù)中，卡諾循環(huán)是制冷劑循環(huán)的理論基礎(chǔ)，指導(dǎo)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

答案及解題思路：

1.熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用：

解題思路：首先理解熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容，然后結(jié)合日常生活中的實(shí)例進(jìn)行說明。

2.熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用：

解題思路：理解熱力學(xué)第二定律的內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際生活中的設(shè)備和工作原理進(jìn)行說明。

3.Rankine循環(huán)的重要性：

解題思路：了解Rankine循環(huán)的基本原理，結(jié)合其在發(fā)電、船舶推進(jìn)和海水淡化等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

4.提高熱機(jī)效率的方法：

解題思路：回顧熱機(jī)效率的定義，結(jié)合實(shí)際操作和設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行說明。

5.卡諾定理的原理和實(shí)際應(yīng)用：

解題思路：理解卡諾定理的內(nèi)容，解釋其原理，并舉例說明在熱機(jī)設(shè)計(jì)和制冷技術(shù)中的應(yīng)用。六、綜合應(yīng)用題1.有一熱力學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行了一個(gè)循環(huán)過程，其初狀態(tài)為：p1=1MPa，V1=0.3m3，T1=27°C，終狀態(tài)為：p2=0.5MPa，V2=0.5m3，T2=97°C。試確定該循環(huán)的類型并計(jì)算循環(huán)效率。

解題步驟：

a.根據(jù)給定的初終狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算循環(huán)的比熱容比和絕熱指數(shù)。

b.利用比熱容比和絕熱指數(shù)判斷循環(huán)類型。

c.計(jì)算循環(huán)效率。

2.已知一個(gè)理想氣體的初狀態(tài)參數(shù)為：p1=0.9MPa，T1=373K，終狀態(tài)參數(shù)為：p2=0.5MPa，求氣體發(fā)生絕熱過程時(shí)的溫度變化量ΔT。

解題步驟：

a.利用絕熱過程方程：p1^γ=p2^γ(T1/T2)，其中γ為比熱容比。

b.求解溫度變化量ΔT。

3.一個(gè)Rankine循環(huán)中，給水泵的出口參數(shù)為p1=0.4MPa，t1=120°C，水在工作輪中獲得的比功為w=150kJ/kg，求水泵的效率。

解題步驟：

a.計(jì)算水泵出口處的比焓h1。

b.計(jì)算水泵出口處的比功w1。

c.利用效率公式η=(ww1)/w，計(jì)算水泵效率。

4.已知某蒸汽發(fā)生器的初始溫度為300°C，壓力為4MPa，在無外功作用下將水加熱到沸騰狀態(tài)，求蒸汽的比容、比焓和內(nèi)能變化量。

解題步驟：

a.查找在4MPa和300°C下的水比容、比焓和內(nèi)能。

b.查找在4MPa和100°C下的水比容、比焓和內(nèi)能。

c.計(jì)算蒸汽的比容、比焓和內(nèi)能變化量。

5.一熱力學(xué)系統(tǒng)由兩缸活塞組成，一缸為活塞，一缸為氣體缸。在氣缸中有一個(gè)熱源，通過一個(gè)閥門與活塞相連。當(dāng)熱源提供一定量的熱量Q后，活塞產(chǎn)生了一定的位移，求系統(tǒng)的做功W。

解題步驟：

a.計(jì)算活塞位移引起的體積變化ΔV。

b.利用公式W=PΔV，其中P為氣缸中氣體的平均壓強(qiáng)，計(jì)算系統(tǒng)做功W。

答案及解題思路：

1.解答：

比熱容比γ=1.4，絕熱指數(shù)k=γ，循環(huán)類型為理想氣體循環(huán)。

循環(huán)效率η=1(T2/T1)^((γ1)/γ)。

2.解答：

根據(jù)絕熱過程方程，求出T2。

ΔT=T2T1。

3.解答：

h1=h2w。

水泵效率η=(ww1)/w。

4.解答：

查表得初始比容v1、比焓h1、內(nèi)能u1。

查表得沸騰比容v2、比焓h2、內(nèi)能u2。

蒸汽比容v=v2v1，比焓h=h2h1，內(nèi)能變化Δu=u2u1。

5.解答：

W=PΔV。

計(jì)算平均壓強(qiáng)P=(p1p2)/2。

系統(tǒng)做功W=PΔV。七、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題1.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Rankine循環(huán)的能量平衡原理。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證Rankine循環(huán)中能量守恒定律的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)原理：通過測(cè)量Rankine循環(huán)中各部分的能量輸入和輸出，驗(yàn)證能量平衡原理。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.測(cè)量鍋爐中水的吸熱量。

2.測(cè)量汽輪機(jī)中汽流的做功量。

3.測(cè)量冷凝器中排出的熱量。

4.比較鍋爐吸熱量與汽輪機(jī)做功量及冷凝器排熱量之和，驗(yàn)證能量平衡。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器、溫度計(jì)、壓力計(jì)、流量計(jì)等。

2.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究Rankine循環(huán)中的壓力、溫度、比焓等參數(shù)的變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯縍ankine循環(huán)中壓力、溫度、比焓等參數(shù)的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)原理：通過在不同狀態(tài)下測(cè)量壓力、溫度和比焓，分析其變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.在鍋爐中測(cè)量不同壓力下的水溫度和比焓。

2.在汽輪機(jī)中測(cè)量不同壓力下的蒸汽溫度和比焓。

3.在冷凝器中測(cè)量不同壓力下的蒸汽溫度和比焓。

4.分析并繪制壓力、溫度、比焓之間的關(guān)系曲線。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器、溫度計(jì)、壓力計(jì)、比焓計(jì)等。

3.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一個(gè)理想氣體在絕熱過程中的壓力和體積變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定理想氣體在絕熱過程中的壓力和體積變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)絕熱過程的方程，通過測(cè)量壓力和體積變化，驗(yàn)證理想氣體絕熱過程的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.將一定量的理想氣體封入絕熱容器中。

2.改變?nèi)萜鲀?nèi)的壓力，同時(shí)測(cè)量對(duì)應(yīng)的體積。

3.根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制壓力和體積的關(guān)系曲線。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：絕熱容器、壓力計(jì)、體積計(jì)等。

4.設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定一個(gè)蒸汽在定壓膨脹過程中的溫度和熵的變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定蒸汽在定壓膨脹過程中的溫度和熵的變化關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)原理：根據(jù)熱力學(xué)第二定律，通過測(cè)量定壓膨脹過程中蒸汽的溫度和熵變化，分析其關(guān)系