熱工基礎(chǔ)考試題庫及答案一、選擇題1.熱力學(xué)第零定律表明（）A.兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)熱平衡時(shí)具有相同的溫度B.熱可以從高溫物體傳到低溫物體C.孤立系統(tǒng)的熵永不減少D.能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式答案：A解析：熱力學(xué)第零定律指出，如果兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)都與第三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡，即兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)熱平衡時(shí)具有相同的溫度。選項(xiàng)B是熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述；選項(xiàng)C是熱力學(xué)第二定律的熵增原理；選項(xiàng)D是熱力學(xué)第一定律的內(nèi)容。2.理想氣體的比熱比\(\gamma\)等于（）A.\(c_p/c_v\)B.\(c_v/c_p\)C.\(R/c_p\)D.\(R/c_v\)答案：A解析：比熱比\(\gamma\)的定義就是定壓比熱\(c_p\)與定容比熱\(c_v\)的比值，即\(\gamma=c_p/c_v\)。3.某閉口系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)可逆過程，系統(tǒng)對(duì)外做功20kJ，與外界換熱-10kJ，則系統(tǒng)的熵變（）A.增加B.減少C.不變D.無法確定答案：A解析：根據(jù)熱力學(xué)第一定律\(\DeltaU=Q-W\)，這里\(Q=-10kJ\)，\(W=20kJ\)，則\(\DeltaU=-10-20=-30kJ\)。對(duì)于可逆過程，\(\deltaQ=TdS\)，\(Q=\intTdS\)，雖然\(Q\)為負(fù)，但系統(tǒng)對(duì)外做功，說明系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生了變化，且存在不可逆因素時(shí)熵會(huì)增加，對(duì)于可逆過程也可通過分析其狀態(tài)變化，結(jié)合熵的性質(zhì)判斷。系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程后，對(duì)外做功和放熱，其微觀狀態(tài)數(shù)會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)熵是系統(tǒng)微觀狀態(tài)數(shù)的度量，可知系統(tǒng)熵增加。4.水在定壓汽化過程中，其內(nèi)能（）A.增加B.減少C.不變D.無法確定答案：A解析：水在定壓汽化過程中，吸收熱量\(Q\)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律\(\DeltaU=Q-W\)，定壓汽化時(shí)水變成蒸汽體積膨脹對(duì)外做功\(W\)，但吸收的熱量\(Q\)大于對(duì)外做的功\(W\)，所以\(\DeltaU>0\)，即內(nèi)能增加。5.下列哪種過程是可逆過程（）A.自由膨脹過程B.混合過程C.無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程D.節(jié)流過程答案：C解析：自由膨脹過程中氣體迅速膨脹，不受阻力，過程中存在大量的不可逆因素，是典型的不可逆過程；混合過程中不同物質(zhì)分子相互擴(kuò)散，是不可逆的；節(jié)流過程是流體在管道中流動(dòng)時(shí)，遇到突然縮小的截面，由于局部阻力使流體壓力降低的過程，存在摩擦等不可逆因素；而無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程，每一個(gè)中間狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)，且過程可以反向進(jìn)行，使系統(tǒng)和外界都恢復(fù)到原來的狀態(tài)，是可逆過程。6.卡諾循環(huán)的熱效率只與（）有關(guān)A.高溫?zé)嵩礈囟菳.低溫?zé)嵩礈囟菴.高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈囟菵.工質(zhì)性質(zhì)答案：C解析：卡諾循環(huán)的熱效率公式為\(\eta_{c}=1-\frac{T_2}{T_1}\)，其中\(zhòng)(T_1\)是高溫?zé)嵩礈囟?，\(T_2\)是低溫?zé)嵩礈囟?，可見卡諾循環(huán)的熱效率只與高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩礈囟扔嘘P(guān)，與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。7.對(duì)于理想氣體，定壓比熱\(c_p\)和定容比熱\(c_v\)的關(guān)系為（）A.\(c_p-c_v=R\)B.\(c_p+c_v=R\)C.\(c_p/c_v=R\)D.\(c_p\timesc_v=R\)答案：A解析：根據(jù)理想氣體的性質(zhì)，對(duì)于單位質(zhì)量的理想氣體，定壓比熱\(c_p\)和定容比熱\(c_v\)滿足\(c_p-c_v=R\)，這是理想氣體比熱的重要關(guān)系式。8.熵產(chǎn)\(S_g\)表示（）A.系統(tǒng)與外界交換的熱量引起的熵變B.系統(tǒng)內(nèi)部不可逆因素引起的熵變C.系統(tǒng)的總熵變D.環(huán)境的熵變答案：B解析：熵產(chǎn)\(S_g\)是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆因素（如摩擦、熱傳導(dǎo)的溫差等）而產(chǎn)生的熵的增加量。系統(tǒng)與外界交換的熱量引起的熵變是\(\int\frac{\deltaQ}{T}\)；系統(tǒng)的總熵變\(\DeltaS=\int\frac{\deltaQ}{T}+S_g\)；環(huán)境的熵變是根據(jù)環(huán)境與系統(tǒng)的熱交換等情況單獨(dú)計(jì)算的。9.水蒸氣的定壓發(fā)生過程經(jīng)歷了（）個(gè)階段A.1B.2C.3D.4答案：C解析：水蒸氣的定壓發(fā)生過程經(jīng)歷了未飽和水的預(yù)熱階段、飽和水的汽化階段和干飽和蒸汽的過熱階段，共三個(gè)階段。10.實(shí)際氣體的狀態(tài)方程\(pV=ZnRT\)中，壓縮因子\(Z\)（）A.大于1B.小于1C.等于1D.可能大于1、小于1或等于1答案：D解析：壓縮因子\(Z=\frac{pV}{nRT}\)，對(duì)于理想氣體\(Z=1\)。實(shí)際氣體的壓縮因子\(Z\)反映了實(shí)際氣體與理想氣體的偏離程度，當(dāng)實(shí)際氣體分子間的吸引力起主要作用時(shí)，\(Z<1\)；當(dāng)實(shí)際氣體分子本身的體積起主要作用時(shí)，\(Z>1\)，所以\(Z\)可能大于1、小于1或等于1。二、判斷題1.熱量只能從高溫物體傳向低溫物體。（）答案：錯(cuò)誤解析：在自然情況下，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，但通過外界做功等手段，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，比如制冷機(jī)就是通過消耗電能等外界功，實(shí)現(xiàn)熱量從低溫物體傳向高溫物體。2.理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)。（）答案：正確解析：對(duì)于理想氣體，其內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，即\(U=U(T)\)，這是由理想氣體的分子模型和熱力學(xué)能的微觀本質(zhì)決定的，理想氣體分子間無相互作用力，分子勢(shì)能為零，內(nèi)能只包含分子的動(dòng)能，而分子動(dòng)能只與溫度有關(guān)。3.可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程。（）答案：正確解析：可逆過程要求過程進(jìn)行得無限緩慢，系統(tǒng)在過程中的每一個(gè)狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)，而準(zhǔn)靜態(tài)過程的定義就是系統(tǒng)在過程中經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)，所以可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程，但準(zhǔn)靜態(tài)過程不一定是可逆過程，只有無摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程才是可逆過程。4.卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，實(shí)際中可以實(shí)現(xiàn)。（）答案：錯(cuò)誤解析：卡諾循環(huán)是由兩個(gè)可逆定溫過程和兩個(gè)可逆絕熱過程組成的理想循環(huán)，在實(shí)際中，要實(shí)現(xiàn)可逆過程是不可能的，因?yàn)閷?shí)際過程中不可避免地存在摩擦、熱阻等不可逆因素，所以卡諾循環(huán)只能作為一種理論上的極限循環(huán)，為實(shí)際循環(huán)的改進(jìn)提供參考。5.定容過程中，系統(tǒng)的技術(shù)功為零。（）答案：正確解析：技術(shù)功\(w_t=-\intvdp\)，對(duì)于定容過程，\(v\)為常數(shù)，\(dv=0\)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律的開口系能量方程等推導(dǎo)可知，其技術(shù)功\(w_t=0\)。6.熵是狀態(tài)參數(shù)，只要初、終態(tài)確定，熵變就確定，與過程無關(guān)。（）答案：正確解析：熵是狀態(tài)參數(shù)，狀態(tài)參數(shù)的變化只與初、終態(tài)有關(guān)，而與過程的路徑無關(guān)。對(duì)于任意兩個(gè)確定的狀態(tài)，其熵變是唯一確定的，可以通過計(jì)算可逆過程的熵變來得到這兩個(gè)狀態(tài)間的熵變。7.水蒸氣的臨界狀態(tài)是指飽和水線和飽和蒸汽線的交點(diǎn)。（）答案：正確解析：水蒸氣的臨界狀態(tài)是指飽和水線和飽和蒸汽線的交點(diǎn)，在該點(diǎn)上，飽和水和飽和蒸汽的狀態(tài)參數(shù)（如溫度、壓力、比容等）完全相同，氣液兩相的差別消失。8.理想氣體的比熱比\(\gamma\)是一個(gè)常數(shù)，不隨溫度變化。（）答案：錯(cuò)誤解析：理想氣體的比熱比\(\gamma=\frac{c_p}{c_v}\)，定壓比熱\(c_p\)和定容比熱\(c_v\)都與溫度有關(guān)，雖然在一定溫度范圍內(nèi)可以近似認(rèn)為是常數(shù)，但實(shí)際上它們會(huì)隨溫度的變化而變化，所以比熱比\(\gamma\)也會(huì)隨溫度變化。9.絕熱過程就是等熵過程。（）答案：錯(cuò)誤解析：只有可逆的絕熱過程才是等熵過程。對(duì)于不可逆的絕熱過程，由于系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆因素（如摩擦等）會(huì)產(chǎn)生熵產(chǎn)，使得系統(tǒng)的熵增加，所以不可逆絕熱過程不是等熵過程。10.實(shí)際氣體在壓力很低時(shí)，可近似看作理想氣體。（）答案：正確解析：理想氣體是一種理想化的氣體模型，假設(shè)氣體分子間無相互作用力，分子本身不占體積。當(dāng)實(shí)際氣體壓力很低時(shí)，氣體分子間的距離很大，分子間的相互作用力很弱，分子本身的體積相對(duì)于氣體所占的總體積可以忽略不計(jì)，此時(shí)實(shí)際氣體的性質(zhì)就接近理想氣體，可以近似看作理想氣體。三、簡答題1.簡述熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)。答：熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。它表明在任何熱力過程中，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，且能量的總量保持不變。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為\(\DeltaU=Q-W\)（對(duì)于閉口系統(tǒng)），其中\(zhòng)(\DeltaU\)是系統(tǒng)內(nèi)能的變化，\(Q\)是系統(tǒng)與外界交換的熱量，\(W\)是系統(tǒng)對(duì)外做的功。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)是揭示了自然界中熱現(xiàn)象的方向性和不可逆性。它指出熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體（克勞修斯表述）；或者不可能從單一熱源取熱，并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響（開爾文-普朗克表述）。熱力學(xué)第二定律還引入了熵的概念，說明孤立系統(tǒng)的熵總是趨于增加的，即熵增原理，它反映了過程進(jìn)行的方向性和限度。2.什么是準(zhǔn)靜態(tài)過程？為什么要引入準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念？答：準(zhǔn)靜態(tài)過程是指系統(tǒng)在過程中經(jīng)歷的每一個(gè)狀態(tài)都無限接近于平衡態(tài)的過程。也就是說，過程進(jìn)行得無限緩慢，使得系統(tǒng)內(nèi)部的不平衡勢(shì)差（如壓力差、溫度差等）始終保持在無限小的范圍內(nèi)。引入準(zhǔn)靜態(tài)過程的概念主要有以下原因：一是便于分析和計(jì)算。在準(zhǔn)靜態(tài)過程中，系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)（如壓力、溫度、比容等）在每一個(gè)時(shí)刻都有確定的值，這樣就可以用簡單的數(shù)學(xué)方法來描述系統(tǒng)的狀態(tài)變化和能量轉(zhuǎn)換過程。二是為可逆過程的研究奠定基礎(chǔ)?？赡孢^程是一種理想化的過程，而準(zhǔn)靜態(tài)過程是可逆過程的必要條件，研究準(zhǔn)靜態(tài)過程有助于理解和分析可逆過程以及實(shí)際過程與理想過程的差異，從而為提高實(shí)際熱力設(shè)備的效率提供理論依據(jù)。3.說明卡諾循環(huán)的組成，并推導(dǎo)卡諾循環(huán)的熱效率公式。答：卡諾循環(huán)由兩個(gè)可逆定溫過程和兩個(gè)可逆絕熱過程組成。具體如下：-過程1-2：可逆定溫膨脹過程。工質(zhì)在高溫?zé)嵩碶(T_1\)下從外界吸收熱量\(Q_1\)，對(duì)外做功\(W_{12}\)。-過程2-3：可逆絕熱膨脹過程。工質(zhì)與外界絕熱，對(duì)外做功\(W_{23}\)，溫度從\(T_1\)降低到低溫?zé)嵩礈囟萛(T_2\)。-過程3-4：可逆定溫壓縮過程。工質(zhì)在低溫?zé)嵩碶(T_2\)下向外界放出熱量\(Q_2\)，外界對(duì)工質(zhì)做功\(W_{34}\)。-過程4-1：可逆絕熱壓縮過程。工質(zhì)與外界絕熱，外界對(duì)工質(zhì)做功\(W_{41}\)，溫度從\(T_2\)升高到高溫?zé)嵩礈囟萛(T_1\)，回到初始狀態(tài)。推導(dǎo)卡諾循環(huán)的熱效率公式：熱效率\(\eta=\frac{W_{net}}{Q_1}\)，其中\(zhòng)(W_{net}\)是循環(huán)的凈功，\(Q_1\)是工質(zhì)從高溫?zé)嵩次盏臒崃?。?duì)于可逆定溫過程，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程，\(Q_1=T_1(S_2-S_1)\)（\(S\)為熵），\(Q_2=T_2(S_3-S_4)\)。由于過程2-3和過程4-1是可逆絕熱過程，\(S_2=S_3\)，\(S_4=S_1\)，所以\(Q_2=T_2(S_2-S_1)\)。循環(huán)凈功\(W_{net}=Q_1-Q_2\)。則熱效率\(\eta=\frac{W_{net}}{Q_1}=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=1-\frac{T_2(S_2-S_1)}{T_1(S_2-S_1)}=1-\frac{T_2}{T_1}\)。4.簡述水蒸氣定壓發(fā)生過程的特點(diǎn)。答：水蒸氣的定壓發(fā)生過程具有以下特點(diǎn)：-經(jīng)歷三個(gè)階段：-未飽和水的預(yù)熱階段：水在定壓下從初始溫度加熱到飽和溫度，此過程中水溫逐漸升高，比容略有增加，水仍然處于液態(tài)。-飽和水的汽化階段：當(dāng)水溫達(dá)到飽和溫度后，繼續(xù)加熱，水開始汽化，此過程中溫度保持不變，比容迅速增大，水和蒸汽共存，稱為濕飽和蒸汽。隨著加熱的進(jìn)行，水不斷汽化為蒸汽，直到最后全部變?yōu)楦娠柡驼羝?干飽和蒸汽的過熱階段：干飽和蒸汽繼續(xù)在定壓下加熱，溫度升高，比容進(jìn)一步增大，成為過熱蒸汽。-壓力和溫度的關(guān)系：在定壓過程中，壓力保持不變，但不同的壓力對(duì)應(yīng)著不同的飽和溫度。壓力越高，飽和溫度越高。-能量轉(zhuǎn)換：在整個(gè)定壓發(fā)生過程中，外界不斷向水或蒸汽加熱，這些熱量一部分用于增加工質(zhì)的內(nèi)能，一部分用于對(duì)外做功（主要在汽化階段體積膨脹對(duì)外做功）。5.什么是熵產(chǎn)和熵流？它們與系統(tǒng)的熵變有什么關(guān)系？答：熵產(chǎn)\(S_g\)是由于系統(tǒng)內(nèi)部存在不可逆因素（如摩擦、熱傳導(dǎo)的溫差、擴(kuò)散等）而產(chǎn)生的熵的增加量。熵產(chǎn)是系統(tǒng)內(nèi)部不可逆程度的度量，不可逆程度越大，熵產(chǎn)越大，且熵產(chǎn)總是大于等于零（對(duì)于可逆過程\(S_g=0\)，對(duì)于不可逆過程\(S_g>0\)）。熵流\(S_f\)是系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱量交換和物質(zhì)交換時(shí)引起的熵的變化。當(dāng)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱量交換時(shí)，熵流\(S_f=\int\frac{\deltaQ}{T}\)（\(\deltaQ\)是微元熱量，\(T\)是傳熱時(shí)的溫度）；當(dāng)有物質(zhì)交換時(shí)，熵流還與物質(zhì)的熵有關(guān)。系統(tǒng)的熵變\(\DeltaS\)與熵產(chǎn)和熵流的關(guān)系為\(\DeltaS=S_f+S_g\)。對(duì)于孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)與外界沒有熱量和物質(zhì)交換，熵流\(S_f=0\)，則\(\DeltaS=S_g\geqslant0\)，這就是孤立系統(tǒng)的熵增原理。四、計(jì)算題1.某理想氣體在定容過程中，從外界吸收熱量\(50kJ\)，求該過程中氣體內(nèi)能的變化和對(duì)外做的功。解：對(duì)于定容過程，\(dv=0\)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律\(\DeltaU=Q-W\)，又因?yàn)槎ㄈ葸^程中技術(shù)功\(w_t=-\intvdp=0\)，體積功\(W=\intpdv=0\)。已知\(Q=50kJ\)，由\(\DeltaU=Q-W\)可得\(\DeltaU=Q=50kJ\)，\(W=0\)。所以該過程中氣體內(nèi)能增加\(50kJ\)，對(duì)外做功為\(0\)。2.一卡諾熱機(jī)工作在溫度為\(1000K\)的高溫?zé)嵩春蜏囟葹閈(300K\)的低溫?zé)嵩粗g，若熱機(jī)從高溫?zé)嵩次諢崃縗(1000kJ\)，求：（1）熱機(jī)的熱效率；（2）熱機(jī)對(duì)外做的功；（3）熱機(jī)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?。解：?）根據(jù)卡諾循環(huán)的熱效率公式\(\eta_{c}=1-\frac{T_2}{T_1}\)，其中\(zhòng)(T_1=1000K\)，\(T_2=300K\)，則\(\eta_{c}=1-\frac{300}{1000}=0.7\)。（2）已知熱機(jī)從高溫?zé)嵩次諢崃縗(Q_1=1000kJ\)，根據(jù)熱效率的定義\(\eta=\frac{W}{Q_1}\)，可得熱機(jī)對(duì)外做的功\(W=\eta_{c}Q_1=0.7\times1000=700kJ\)。（3）根據(jù)熱力學(xué)第一定律\(W=Q_1-Q_2\)，可得熱機(jī)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃縗(Q_2=Q_1-W=1000-700=300kJ\)。3.某理想氣體的定容比熱\(c_v=0.718kJ/(kg\cdotK)\)，氣體常數(shù)\(R=0.287kJ/(kg\cdotK)\)，求該氣體的定壓比熱\(c_p\)和比熱比\(\gamma\)。解：根據(jù)理想氣體定壓比熱和定容比熱的關(guān)系\(c_p-c_v=R\)，已知\(c_v=0.718kJ/(kg\cdotK)\)，\(R=0.287kJ/(kg\cdotK)\)，則\(c_p=c_v+R=0.718+0.287=1.005kJ/(kg\cdotK)\)。比熱比\(\gamma=\frac{c_p}{c_v}=\frac{1.005}{0.718}\approx1.4\)。4.有一閉口系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)過程，從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，已知\(Q=50kJ\)，\(W=20kJ\