2025年熱工基礎(chǔ)復(fù)習(xí)題+參考答案一、基本概念與熱力學(xué)基本定律1.選擇題（1）下列關(guān)于熱力學(xué)系統(tǒng)的描述中，正確的是（）。A.閉口系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換，但可能有能量交換B.絕熱系統(tǒng)與外界無熱量交換，但可能有物質(zhì)交換C.孤立系統(tǒng)與外界既無物質(zhì)交換，也無任何能量交換D.開口系統(tǒng)與外界一定同時(shí)存在物質(zhì)和能量交換（2）狀態(tài)參數(shù)的數(shù)學(xué)特性是（）。A.其變化量僅與初終狀態(tài)有關(guān)，與路徑無關(guān)B.其變化量與初終狀態(tài)和路徑均有關(guān)C.其絕對(duì)值可以直接測量D.滿足δQ=dU+δW的關(guān)系（3）關(guān)于準(zhǔn)靜態(tài)過程與可逆過程，下列說法錯(cuò)誤的是（）。A.準(zhǔn)靜態(tài)過程要求系統(tǒng)內(nèi)部隨時(shí)接近平衡態(tài)B.可逆過程要求過程無耗散效應(yīng)（如摩擦、溫差傳熱）C.可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)過程D.準(zhǔn)靜態(tài)過程一定是可逆過程參考答案（1）AC（解析：閉口系統(tǒng)無物質(zhì)交換，可能有熱量或功交換；絕熱系統(tǒng)無熱量交換，但可能是閉口或開口；孤立系統(tǒng)無任何交換；開口系統(tǒng)可能只有物質(zhì)交換或能量交換，如節(jié)流閥只有物質(zhì)流動(dòng)）。（2）A（解析：狀態(tài)參數(shù)是點(diǎn)函數(shù)，其變化量僅取決于初終狀態(tài)，與路徑無關(guān)；多數(shù)狀態(tài)參數(shù)絕對(duì)值無法直接測量，如內(nèi)能；δQ=dU+δW是能量方程，非狀態(tài)參數(shù)特性）。（3）D（解析：準(zhǔn)靜態(tài)過程僅要求系統(tǒng)內(nèi)部平衡，不考慮耗散；可逆過程需同時(shí)滿足準(zhǔn)靜態(tài)和無耗散，因此可逆過程一定是準(zhǔn)靜態(tài)，但準(zhǔn)靜態(tài)不一定可逆，如存在摩擦的準(zhǔn)靜態(tài)過程不可逆）。2.填空題（1）熱力學(xué)中，系統(tǒng)的儲(chǔ)存能包括______、______和______。（2）熱量與功的本質(zhì)區(qū)別是：熱量是______傳遞的能量形式，功是______傳遞的能量形式。（3）熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述是______；開爾文表述是______。參考答案（1）內(nèi)能、宏觀動(dòng)能、重力位能（解析：儲(chǔ)存能為系統(tǒng)本身具有的能量，包括內(nèi)部微觀粒子的能量總和“內(nèi)能”，以及宏觀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和重力場中的位能）。（2）通過溫差、通過宏觀有序運(yùn)動(dòng)（解析：熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力是溫差，是微觀粒子無序運(yùn)動(dòng)的能量傳遞；功是通過宏觀力的作用（如體積變化、電功等）傳遞的有序能量）。（3）“不可能將熱量從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變化”；“不可能從單一熱源吸熱并使之完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓保ń馕觯簝煞N表述本質(zhì)等價(jià)，均揭示熱過程的方向性）。3.簡答題（1）說明“平衡狀態(tài)”與“穩(wěn)定狀態(tài)”的區(qū)別。（2）為什么說“第二類永動(dòng)機(jī)”無法制造？參考答案（1）平衡狀態(tài)是指系統(tǒng)在無外界影響的條件下，宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部無任何自發(fā)變化趨勢（如溫差、力差、化學(xué)勢差均為零）；穩(wěn)定狀態(tài)僅指宏觀性質(zhì)不隨時(shí)間變化，但可能依賴外界維持（如換熱器中流體的穩(wěn)定流動(dòng)，入口和出口參數(shù)不變，但需持續(xù)加熱）。平衡狀態(tài)一定是穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)不一定是平衡狀態(tài)。（2）第二類永動(dòng)機(jī)是指從單一熱源吸熱并全部轉(zhuǎn)化為功而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器（如設(shè)想從大氣或海洋中吸熱發(fā)電）。根據(jù)熱力學(xué)第二定律的開爾文表述，熱功轉(zhuǎn)換存在方向性——不可能將吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為功而不引起其他變化（如必須向低溫?zé)嵩捶艧幔?。因此，第二類永?dòng)機(jī)違背了熱力學(xué)第二定律，無法實(shí)現(xiàn)。二、熱力學(xué)第一定律及應(yīng)用1.計(jì)算題（1）1kg空氣在閉口系統(tǒng)中經(jīng)歷一個(gè)膨脹過程，初始狀態(tài)為p?=0.5MPa、T?=300K，終態(tài)為p?=0.1MPa、T?=400K。已知空氣的定容比熱容c?=0.718kJ/(kg·K)，定壓比熱容c?=1.005kJ/(kg·K)，過程中空氣吸熱50kJ。求：①該過程中空氣的內(nèi)能變化Δu；②該過程中空氣對(duì)外做功W。（2）某蒸汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)為p?=3MPa、t?=400℃，出口蒸汽參數(shù)為p?=0.005MPa、x?=0.9（干度）。蒸汽流量為100t/h，忽略進(jìn)出口動(dòng)能和位能差。已知進(jìn)口蒸汽焓h?=3230kJ/kg，出口蒸汽焓h?=2100kJ/kg。求：①該過程是否滿足熱力學(xué)第一定律？②汽輪機(jī)的輸出功率（kW）。參考答案（1）①對(duì)于閉口系統(tǒng)，內(nèi)能變化Δu=c?(T?-T?)=0.718×(400-300)=71.8kJ/kg。②根據(jù)熱力學(xué)第一定律δQ=dU+δW，對(duì)于1kg工質(zhì)，Q=Δu+W→W=Q-Δu=50-71.8=-21.8kJ（負(fù)號(hào)表示外界對(duì)系統(tǒng)做功）。（2）①汽輪機(jī)為開口系統(tǒng)，穩(wěn)定流動(dòng)能量方程為q=Δh+(Δc2)/2+gΔz+w?。題目中忽略動(dòng)能和位能差，故q=Δh+w?。若蒸汽在汽輪機(jī)中絕熱（q≈0），則w?=-(h?-h?)=h?-h?。代入數(shù)據(jù)：h?=3230kJ/kg，h?=2100kJ/kg，w?=3230-2100=1130kJ/kg。因此，蒸汽對(duì)外做功，符合熱力學(xué)第一定律（能量守恒）。②輸出功率P=蒸汽流量×w?。流量m=100t/h=100×103kg/3600s≈27.78kg/s。則P=27.78kg/s×1130kJ/kg≈31391kW（約31.4MW）。三、理想氣體性質(zhì)與熱力過程1.選擇題（1）理想氣體的內(nèi)能和焓僅與溫度有關(guān)，這是因?yàn)椋ǎ?。A.理想氣體的分子間無作用力B.理想氣體的比熱容為常數(shù)C.理想氣體的分子體積可忽略D.理想氣體符合pv=RT（2）空氣（視為理想氣體）經(jīng)歷一個(gè)絕熱自由膨脹過程，下列參數(shù)變化正確的是（）。A.溫度不變，熵增加B.溫度升高，熵不變C.溫度降低，熵增加D.溫度不變，熵不變參考答案（1）A（解析：理想氣體假設(shè)分子間無相互作用力，因此內(nèi)能僅包含分子動(dòng)能（與溫度有關(guān)），無分子勢能；焓h=u+pv=u+RT，因u僅與T有關(guān)，故h也僅與T有關(guān)）。（2）A（解析：絕熱自由膨脹中，Q=0，W=0（氣體向真空膨脹不對(duì)外做功），由熱力學(xué)第一定律ΔU=0。理想氣體內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，故T不變。過程不可逆（存在劇烈擾動(dòng)），熵增原理表明熵增加）。2.計(jì)算題（1）1mol單原子理想氣體（R=8.314J/(mol·K)，c?=12.47J/(mol·K)）經(jīng)歷等壓加熱過程，初始狀態(tài)p?=100kPa、T?=300K，終態(tài)溫度T?=500K。求：①氣體的體積變化ΔV；②過程中氣體吸收的熱量Q；③氣體對(duì)外做的功W。（2）空氣（視為理想氣體，k=1.4，R=287J/(kg·K)）經(jīng)歷一個(gè)可逆絕熱壓縮過程，初始狀態(tài)p?=100kPa、T?=300K，終態(tài)壓力p?=800kPa。求：①終態(tài)溫度T?；②單位質(zhì)量空氣的壓縮功w（提示：絕熱過程功w=(u?-u?)）。參考答案（1）①等壓過程中，V?=nRT?/p?=1×8.314×300/100000≈0.02494m3；V?=nRT?/p?=1×8.314×500/100000≈0.04157m3；ΔV=V?-V?≈0.01663m3。②等壓過程熱量Q=nc?(T?-T?)，其中c?=c?+R=12.47+8.314≈20.784J/(mol·K)，故Q=1×20.784×(500-300)=4156.8J。③等壓功W=pΔV=100000×0.01663≈1663J（或W=nR(T?-T?)=1×8.314×200≈1662.8J，與前式一致）。（2）①可逆絕熱過程滿足T?=T?(p?/p?)^[(k-1)/k]=300×(800/100)^[(1.4-1)/1.4]=300×8^0.2857≈300×2.297≈689K。②單位質(zhì)量內(nèi)能變化Δu=c?(T?-T?)，其中c?=R/(k-1)=287/(0.4)=717.5J/(kg·K)，故Δu=717.5×(689-300)=717.5×389≈279,000J/kg。絕熱過程Q=0，由熱力學(xué)第一定律w=u?-u?=-Δu≈-279kJ/kg（負(fù)號(hào)表示外界對(duì)氣體做功）。四、水蒸氣與濕空氣1.簡答題（1）說明水蒸氣定壓發(fā)生過程的“三區(qū)五態(tài)”。（2）濕空氣的“相對(duì)濕度”與“含濕量”有何區(qū)別？參考答案（1）水蒸氣定壓發(fā)生過程分為三個(gè)區(qū)域（未飽和水區(qū)、飽和水區(qū)、過熱蒸汽區(qū)）和五個(gè)狀態(tài)：①未飽和水（溫度低于飽和溫度）；②飽和水（溫度等于飽和溫度，干度x=0）；③濕飽和蒸汽（x=0~1，氣液共存）；④干飽和蒸汽（x=1，溫度仍為飽和溫度）；⑤過熱蒸汽（溫度高于飽和溫度，x>1）。（2）相對(duì)濕度φ是濕空氣的實(shí)際水蒸氣分壓p?與同溫度下飽和水蒸氣分壓p?的比值（φ=p?/p?），反映濕空氣接近飽和的程度；含濕量d是單位質(zhì)量干空氣中含有的水蒸氣質(zhì)量（d=0.622p?/(p_b-p?)，p_b為大氣壓力），反映濕空氣中水蒸氣的絕對(duì)含量。φ越小，空氣越干燥，吸水能力越強(qiáng)；d越大，空氣中水蒸氣越多。2.計(jì)算題（1）已知壓力p=1MPa的水蒸氣，溫度t=200℃。查水蒸氣表（或h-s圖）確定其狀態(tài)參數(shù)：①飽和溫度t?；②干度x（若為濕蒸汽）；③焓h；④熵s。（2）常壓（p_b=101.325kPa）下，濕空氣溫度t=30℃，相對(duì)濕度φ=60%。查30℃時(shí)飽和水蒸氣分壓p?=4.246kPa。求：①水蒸氣分壓p?；②含濕量d；③若將該空氣冷卻至15℃（15℃時(shí)p?'=1.705kPa），是否會(huì)結(jié)露？參考答案（1）①查飽和水蒸氣表，p=1MPa時(shí)，飽和溫度t?≈179.88℃；②實(shí)際溫度t=200℃>t?，故為過熱蒸汽，x無意義（或x>1）；③查過熱蒸汽表，p=1MPa、t=200℃時(shí)，h≈2827kJ/kg；④s≈6.695kJ/(kg·K)（具體數(shù)值以教材附表為準(zhǔn)）。（2）①p?=φp?=0.6×4.246≈2.548kPa；②d=0.622p?/(p_b-p?)=0.622×2.548/(101.325-2.548)≈0.622×2.548/98.777≈0.016kg/kg（干空氣）；③冷卻至15℃時(shí)，若p?=2.548kPa>p?'=1.705kPa，水蒸氣分壓超過該溫度下的飽和分壓，會(huì)結(jié)露（多余的水蒸氣凝結(jié)為水，p?降至p?'）。五、傳熱學(xué)基礎(chǔ)1.選擇題（1）下列傳熱方式中，不需要介質(zhì)的是（）。A.導(dǎo)熱B.對(duì)流C.輻射D.以上均需要（2）平壁導(dǎo)熱熱流量與（）成正比。A.壁面面積B.壁面厚度C.導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)D.兩側(cè)溫差的倒數(shù)參考答案（1）C（解析：熱輻射通過電磁波傳遞能量，可在真空中進(jìn)行；導(dǎo)熱和對(duì)流依賴介質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)）。（2）A（解析：平壁導(dǎo)熱公式Q=λAΔt/δ，熱流量與面積A、溫差Δt、導(dǎo)熱系數(shù)λ成正比，與厚度δ成反比）。2.計(jì)算題（1）一厚度δ=0.3m的磚墻，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.8W/(m·K)，內(nèi)側(cè)溫度t?=20℃，外側(cè)溫度t?=-5℃。求：①單位面積的導(dǎo)熱熱流量q；②若墻面積A=10m2，每小時(shí)的散熱量Q。（2）某換熱器中，水流過管內(nèi)，管外為高溫?zé)煔?。已知管?nèi)水的對(duì)流換熱系數(shù)h?=5000W/(m2·K)，管外煙氣的對(duì)流換熱系數(shù)h?=100W/(m2·K)，管壁導(dǎo)熱熱阻可忽略。求：①總傳熱系數(shù)K；②若溫差Δt=100℃，