工程热力学(1)
工程热力学1(答案)
南昌大学2007年攻读硕士学位研究生入学考试试题（答案及评分标准）报考专业：______________________ 考试科目：工程热力学 ( )一、判断题（每题2分，共20分。
正确的打“√”，错误的打“×”）1. 水蒸气在定温过程中温度不变,则其热力学能也不变。
（×）2. 熵增加的过程即为不可逆过程。
（×）3. 不存在400℃的液态水。
（√）4. 湿空气的相对湿度越大，空气中水蒸气的含量就越大。
（×）5. 经不可逆循环，系统与外界均无法恢复原状态。
（×）6. 理想气体只有取定比热容，才能满足迈耶公式。
（×）7. 闭口绝热系的熵不可能减少。
（√）8. 一切不可逆循环的热效率。
（×）9. 若收缩喷管进口截面参数不变，背压提高，则喷管流量下降。
（×）10. 从热力学角度看，用电加热取暖比用煤燃烧取暖合理，因煤的不完全燃烧会带来损失，而电能可100％地转变为热量。
（×）二、选择题（每题3分，共30分。
每个题目只有一个选项最符合题意，请将其序号填在括号内）1. 闭口系统经历一可逆变化过程，系统与外界交换功量10KJ，热量-10KJ，则系统熵变。
（ B ）A．大于0 B. 小于0 C.等于0 D.无法确定2. 可逆过程一定是（ D ）A．非平衡过程 B. 存在着损耗的准静态过程C. 等温传热过程D. 准静态过程3. 质量不可能改变的系统是( A )A．闭口系统 B. 开口系统 C. 绝热系统 D.以上全部是4. 在保温良好，门窗密闭的房间内，启动一台打开门的冰箱，经过一段时间运行，则室温将（B）A．降低 B. 升高 C. 不变 D. 不确定5. 在不可逆过程中，系统的熵（D）A．增大 B. 减少 C. 不变 D.不确定6. 适用于（B）A. 理想气体、闭口系统、可逆过程B. 理想气体、定比热容、闭口系统、可逆过程C. 任意气体、闭口系统、任意过程D. 任意气体、定比热容、闭口系统、可逆过程7. 湿空气加热，从状态1变化到状态2，其相对湿度（C）A． B. C. D.8. 某理想气体自状态1经历可逆多变过程到达状态2，其温度下降、熵增大，则气体（B）A. 压力升高、比体积增大、对外做正功、多变指数n为正；B. 压力降低、比体积增大、对外做正功、多变指数n为正；C. 压力降低、比体积减小、对外做负功、多变指数n为正；；D. 压力升高、比体积减小、对外做负功、多变指数n为负；9. 未饱和湿空气是指（A）A. 湿空气中水蒸气的分压力小于与干球温度相对应的水蒸气饱和压力的空气；B. 湿空气中水蒸气的分压力小于与湿球温度相对应的水蒸气饱和压力的空气；C. 湿空气的压力达到与干球温度相对应的水蒸气饱和压力的空气；D. 湿空气的压力小于与湿球温度相对应的水蒸气饱和压力的空气。
工程热力学习题(1)
3.门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在 运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气 扑面，感到凉爽。于是有人想通过敞开 冰箱大门达到降低室内温度的目的，请 问这种方法可行吗？在门窗紧闭的房间 内安装空调后能使房间温度降低，这又 是为什么呢？
答：门窗紧闭的房间视为与外界没有热 量交换，可看作是绝热闭口系。当系统 内部电冰箱运转时，有电功输入系统， 即W为负值。因此按照闭口系能量方程 有：
0UW
因此，△U为正值，即温度升高，不能 达到降温的目的。
房间内安装空调器后，虽然门窗仍然紧
闭，但是由于空调器安装在窗上，通过 边界向大气环境散热，此时的房间不再 是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负 值。室内空调器仍旧有电功W输入系统， W为负值。
由闭口系能量方程:
QUW UQW
由于Q的绝对值大于W的绝对值，所以 △U＜0，即空气温度降低。
方程Q=△U+W，这里Q=0，W=0，
所以△U=0。即：
UAUB0
m A c V T T A m B c V T T B 0
p R AV A A TTTAp R BV B B TTTB0
TTATBpAV pA AV TB A ppB BV VB BTA
p mR m T A m B R T p A V A p B V B
答：由热力学第一定律：Q=△U+w,因为 刚性容器绝热，所以Q=0，空气自由膨 胀不作功，即w=0，因此，△U=0，即空 气的热力学能保持不变。
若隔板上开有一个小孔，取B为热力系 2 f2 g2 zm ou th 1 c 2 2 f1 g1 z m in W i
(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初 态变化到终态不能在p-v图上表示；第二 种情况是准平衡过程，所以可以用实线 在p-v图上表示。
工程热力学第一章
排入大气
压缩燃烧、膨胀
吸气排气
工作过程：
能量转换：
工作物质：
燃气
蒸汽动力装置流程简图
蒸汽动力装置流程简图
550℃
过热器
锅炉
给水泵
冷凝器
冷却水
汽轮机
发电机
Q
Q
1
2
W
20℃
高温高压蒸汽
W
p
蒸汽动力装置
1－炉子 2－炉墙 3－沸水管 4－汽锅 5－过热器6－汽轮机 7－喷嘴 8－叶片 9－叶轮 10－轴 11－发电机 12－冷凝器 13、14、16－泵 15－蓄水池
华氏温标：
1724年由德国人华氏（cabridl D Fahrenheit）提出。他把水、冰和氯化铵的混合物作为制冷剂而获得的当时可得到的最低温度作为0度，把人体的温度作为 96度，中间等分，这样的数字是由于当时广泛使用12进位法。符号tF ，单位 °F。
华氏温标与摄氏温标的换算关系为：t(℃)=0℃ = 32 oF100 ℃ = 212oF郎肯温标：
压力计 测量工质压力的仪器。常见的压力计有压力表和U型管。
由于压力计的测压元件处于某种环境压力的作用下，因此压力计所测得的压力是工质的真实压力p （或称绝对压力）与环境压力pb之差，叫做表压力pe或真空度pv
分子运动学说认为压力是大量气体分子撞击器壁的平均结果。
绝对压力、表压力、真空度及大气压力之间的关系
0.96784
1
735.559
10000
mmHg
133.322
133.322×10-5
1.31579×10-3
1.35951×10-3
1
13.5951
mmH2O
工程热力学第一章课后答案
第一章 基本概念1-1 英制系统中采用华氏温标，它规定在标准大气压（101325Pa ）下纯水的冰点是32F °，汽点是212F °，试推导华氏温度与摄氏温度的换算关系。
解：C F {}0{}32212321000t t °°−−=−−F C C 1809{}{}32{}321005t t t °°°=+=+1-2 英制系统中朗肯温度与华氏温度的关系为R F {}{}459.67T t °°=+。
已知热力学绝对温标及朗肯温标在纯水冰点的读数分别是273.15K 和491.67R °；汽点的读数分别是373.15K 和671.67R °。
（1）导出朗肯温度和开尔文温度的关系式；（2）开尔文温标上绝对零度在朗肯温标上是多少度？解：（1）若任意温度T 在朗肯温标上读数为(R)T °在热力学绝对温标上读数为T （K ）， 则671.67491.67(R)491.67373.15273.15(K)273.15T T −°−=−−解得R K{} 1.8{}T T °=（2）据上述关系K {}0T =时，R {}0T °=1-3 设一新温标，用符号N °表示温度单位（它的绝对温标是用Q °表示温度单位）。
规定纯水的冰点和汽点100N °和1000N °。
试求：（1）该新温标与摄氏温标的关系；（2）若该温标的绝对零度与热力学温标零度相同，则该温标读数为0N °时，其绝对温标读数是多少Q °？解：（1）N C {}100{}010001001000t t °°−−=−−N C {}9{}100t t °°=+（2） Q N C K {}{}9{}1009[{}273.15]100T t C t C T C °°°=+=++=−++据题意，当K {}0T =时，Q {}0T °=，解得上式中2358.35C =，代回原式得Q N {}{}2358.35T t °°=+N {}0T °=时，2358.385Q T =°。
工程热力学期末复习题(1)
1
s
2-3过程 ds
q
T
2
T
s不变
3-1过程 s
∴此循环气混合物，它们的 温度与压力分别相等，不随时间变化，试问汽水混合 物是否已处于平衡态？汽水混合物的各种参数是否到 处均匀？
答： 水和水蒸气压力相同，温度相等，均 不随时间变化，而且不受外界影响， 因此该汽水混合物已处于平衡态。
(1) 可逆过程或不可逆过程,取决于热源温度与水温 是否相等.若两者不等,则存在外部的传热不可逆 因素,便是不可逆过程. (2)对刚性容器的水作功,只可能是搅拌功,伴有摩擦 扰动,所以有内不可逆因素,为不可逆过程. (3)可逆过程或不可逆过程,取决于热源温度与空气 温度是否随时相等或随时保持无限小的温差.
29.不可逆过程可自发进行.
√
判断题
30. 孤立系的热力状态不能发生变化
×
31.湿空气的相对湿度越大，空气中水蒸气的含量 × 就越大。 32.稳定流动能量方程不适用于有摩擦的情况。 33. 工质在变截面管道中流动，管道的最小截面 即为临界截面 × ×
选择题
1.
A B C D
根据水蒸气的性质判断下列各种说法哪几点是 对的 水蒸气在定压汽化过程中温度不变 闭口热力系中，水蒸气的定温吸热量等于膨胀功 理想气体经不可逆绝热过程熵增大，而水蒸汽不 一定 温度高于临界温度的过热水蒸汽，经等温压缩过 程可以液化。
( )之比。 A.滞胀容积 B.有效吸气容积 C.活塞排气量 D.气缸总容积
答案：C
问答题
2.开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热，使
之全部转化成功而不留下其他任何变化的热力发 动机，但是理想气体等温膨胀过程热力学能(内能) 不发生变化，所以可以将所吸收的热能全部转化 为机械能，岂不违反了热力学第二定律？请解释
工程热力学第一章 基本概念
补充习题：
一容器被一刚性壁分为两部分，如图所示。 压力表D读数为175kPa，C读数为110kPa，如 大气压为97kPa，试求表A的读值。
气体初态p1=0.5MPa，v1=0.172m³/kg，按pv= 常数的规律，可逆膨胀到p1=0.1MPa，试求膨 胀工。
1-6 功和热量
一、功(work)的定义和可逆过程的功
指导改善
————>实际循环 2.分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失 的部位、大小、原因及改进方法。
35
三、动力循环（正循环）（power cycle; direct cycle ）
输出净功；
在p－v图及T－s图上顺时针进行；
膨胀线在压缩线上方；吸热线在放热线上方。
36
动力循环：工质连续不断地将高温热源取得的热量 一部分转换成对外的净工。
研究目的：合理安排循环，提高热效率。
蒸汽动力循环
蒸汽动力循环是正循环，以蒸汽为工质，将蒸汽的热能 在动力装置中转换为机械功的循环。
蒸汽的卡诺循环
1.工作原理
朗肯循环
正循环中热转换工的经济性指标
循环热效率： t
t w q10 q1q1q2
1q2 q1
其中： q1——工质从热源吸收的热量 q2——工质向冷源放出的热量 w0——循环所做的净工 w0=q1-q2
1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝
红线内 ——闭口绝热系
黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
蓝线内
——孤立系
11
1-2 工质的热力学状态和基本状态参数
一、热力学状态和状态参数
热力学状态（state of thermodynamic system） —系统宏观物理状况的综合
工程热力学第一章
（3）好处：用系统的参数来计算；可以作 好处：用系统的参数来计算； 为实际过程中能量转换效果比较的标准和极 限；可把实际过程当作可逆过程进行分析计 然后再用经验系数加以修正。 算，然后再用经验系数加以修正。 （4）热量和功量 热量和功量都是过程量， 热量和功量都是过程量，它们的大小不仅与 过程的初终状态有关， 过程的初终状态有关，而且与过程的性质有 关。 可逆过程的功量： 可逆过程的功量： w = ∫ pdv 可逆过程的热量： 可逆过程的热量： q = ∫ Tds
C B A
课后题1 课后题1-5；1-6；1-9
（c）系统内部状态参数不随时间而变化 （d）系统内部状态不发生改变 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 2.均质等截面杆的两端的温度由分别维持 t1 t2的两热源保持 t1 t2 不变，取此杆为系统， 不变，取此杆为系统， 则系统处于（ 则系统处于（B）。 平衡状态， （a）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变 非平衡状态， （b）非平衡状态，因其各截面温度不等 平衡状态， （c）平衡状态，因其各截面温度不随时间改 变，且流入系统的热量等于流出系统的热量 非平衡状态， （d）非平衡状态，因其处于重力场
4.基本状态参数：温度、压力、 4.基本状态参数：温度、压力、比体积 基本状态参数 温度： （1）温度：是热平衡的惟一判据
t = T − 273.15
（2）压力Βιβλιοθήκη p = B + pg
p = B−H
（3）比体积 二、平衡状态、状态公理及状态方程 平衡状态、 1.定义 是指在没有外界作用的情况下， 定义： 1.定义：是指在没有外界作用的情况下， 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 系统的宏观性质不随时间变化的状态。 2.实现平衡的条件： 2.实现平衡的条件：系统内部及系统与外界 实现平衡的条件 之间各种不平衡势差消失
工程热力学 第五版(1)
2.广延性参数
整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体 该广延性参数值之和，与系统质量多少有关，具 有可加性。如系统的容积、热力学能、焓和熵 在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力 学中位移的作用，称为广义位移 传递热量必然引起系统熵的变化；系统对外做 膨胀功必然引起系统容积的增加 广延性参数除以系统的总质量——比参数，如 比体积、比热力学能、比焓、比熵等——不是 强度性参数
全国高校能源类学生公认的重点专业基 础课程 抽象——是若干年来工程实践、科学实验 的高度总结，普适性强 大多不与具体设备、部件相关联，很多 设备、部件没有见过 不及格率很高！但不是必然的！能否获 得优秀、良好成绩，关键在你自己！
3
《工程热力学》知识框架
工程热力学
基础理论
基本概念 基本理论
工质的性质
46
绝对压力、相对压力和大气压力 之间的关系
当 p>B时
p B pg
当 p<B时p BH473.比体积和密度
工质所占有的空间——工质的容积 单位质量工质所占有的容积——工质的比体 积（比容） V (m3/kg) v
m
单位容积的工质所具有的质量——工质的密 度 m (kg/m3)
25
系统与外界相互作用形式
功、热和物质的交换
外界存在能够分别接受或给予系统功量、 热量和质量的功源、热力源和质量源
系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限
大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源 不会因为接受或放出热量、功量而增加其总能量 也不会因为接受或给予系统质量而改变其总质量 大小
从物质内部微观结构出发，借助物质的 原子模型及描述物质微观行为的量子力 学，利用统计方法研究大量随机运动的 粒子，从而得到物质的统计平均性质， 并得出热现象的基本规律。 可解释比热容理论、熵的物理意义、孤 立系统熵增原理
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热能间接利用
设备：蒸汽动力装置、燃气动力装置、 火箭发动机、内燃机；
——热能利用的重要方式，人类文明及 生产发展的物质基础
能源转换效率问题和环境保护问题：
32
16
能源直接利用
设备：各种工业炉窑、工业锅炉、加热 器、冷却器、蒸发器、冷凝器等
——换热效率问题
33
工程热力学的研究对象
9系统外界是大气环境，则可看作是热容量为无限 大的热源（或冷源）和质量为无限大的质源
热力学第一定律——能量守恒与转换定 律
热力学第二定律——判断过程方向性 工质的性质——理想气体、真实气体
（水蒸气、湿空气） 热力装置的工作过程——气体和蒸汽动
力循环、制冷循环、热泵循环、喷管及 扩压管、压缩机
35
能量具有量与质的双重属性
热力学第一定律从能量的数量出发—— 能量转换过程中能量的总量守恒
3. 严家騄. 工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社, 2000
4. 童钧耕等. 工程热力学总复习 —— 理论概要和习题. 上海:上海交通 大学出版社, 2001
5. 何雅玲. 工程热力学精要分析及典型题精解. 西安: 西安交通大学出版 社, 2000
6. M.C.波特尔,C.W.萨默顿.工程热力学.北京:科学出版社,2002
17
1851年，英国物理学家 Lord Kelvin (1824-l907)指出，不可能从单一热源取热使之完 全变为有用功而不产生其他影响。 这是热力学第 二定律的另一种说法。
1853年，他把能量转化与物系的内能联系起 来，给出了热力学第一定律的数学表达式。
18
9
1875 年 ， 美 国 耶 鲁 大 学 数 学物理学教授 Josiah Willard Gibbs发表了 “论多相物质之平 衡” 的论文。他在熵函数的基础 上，引出了平衡的判据；提出 热力学势的重要概念，用以处 理多组分的多相平衡问题；导 出相律，得到一般条件下多相 平衡的规律。吉布斯的工作， 把热力学和化学在理论上紧密 结合起来，奠定了化学热力学 的重要基础。
外界或环境：边界以外与系统相互作用
的物体
45
界面
外界 热 热力系统
源
外界
46
23
续4
界面
外界 热 热力系统
源
外界
47
界面
外界
热
源
热力系统
续4
外界
48
24
续4
界面
外界
热
源
热力系统
外界
49
外界
热
源
界面 热力系统
续4
外界
50
25
界面 系统
51
界面
系统
系统
52
26
界面
系统
系统
53
界面
系统
系统
54
过 热 器
Q1
550C 0 汽
高温高压蒸汽 轮 机
锅 炉 给水泵
Wp
发电机
W
Q 2
冷
却 20C
0
水
冷凝器
44
22
一、系统、边界与外界
系统：人为分隔出来的研究对象
人为作用、同一问题可存在不同系统
边界：分隔系统与外界的分界面
可实际存在、也可以虚拟存在 可以固定不动、也可以运动或变形
基本概念 基本理论
理想气体 实际气体 （水蒸气、湿空气）
压缩机、喷管 动力循环、制冷循环
24
12
绪论
内容提要 一、能源及热能利用 二、工程热力学的研究对象及主要内容 三、热力学的研究方法
25
能源及热能利用
能源定义：用来产生各种所需能量的自然资
源
能源作用：运动、供暖、烹饪、照明、通讯... 能源种类：风能、水力能、化学能、太阳
工程热力学 Engineering Thermodynamics
1
答疑
时间：每周一晚19：30-20：30 地点：济阳楼312室 作业：每章讲解后交，请准备两个作业
本
2
1
蒸汽机示意图
锅炉
汽缸 活塞
冷凝器 曲柄连杆
曲轴箱 泵
3
蒸汽动力循环装置系统简图
4
2
原子能蒸汽动力装置系统简图
载热质(重水、碱性金属蒸汽)
(
反
汽轮机
发电机
应
换
堆
热
浓
器
缩
铀
冷凝器
冷却水
泵
泵
5
)
燃气轮机装置系统简图
废
燃烧室
气
燃料泵
压
气
燃机
料
空
气
燃 气 轮 机
6
3
内
燃
机
的
工
作
原
气缸
活塞
理
图
曲柄连杆机构
7
地源热泵
8
4
各种热工装置的热力学共性内容归纳
装置名称 工作物质
热源
冷源
功
蒸汽动力装置 水蒸汽 高 温 物 体 冷却水 对外输出功 燃气轮机装置 燃 气 燃烧产物(自身) 大 气 对外输出功
7. Michael J. MORAN Howard N. SHAPIRO Fundamentals of Engineering Thermodynamics 4th. Edition JOHN WILEY & SONS, INC.2000
23
《工程热力学》知识框架
工程热力学
基础理论
工质的性质
热力循环
热力系统 工质的热力状态及其基本状态参数 平衡状态、状态公理及状态方程 准静态过程与可逆过程 热力循环
42
21
第一节 热力系统
明确研究对象——人为地分析 研究对象所包含的范围和内容 热力系统与周围事物的相互关系
建立定性和 定量的关系
43
简单蒸汽蒸汽动动力力装置装流程置简图流程简图
Joule (1818 - 1889)
16
8
根据热力学第一定律热功 可以按当量转化，而根据卡诺原理 热却不能全部变为功，当时不少人 认为二者之间存在着根本性的矛 盾 。 1850 年 ， 德 国 物 理 学 家 Rudolf J. Clausius (1822 - 1888) 进 一 步研究了热力学第一定律和克拉佩 隆转述的卡诺原理，发现二者并不 矛盾。他指出，热不可能独自地、 Clausius 不付任何代价地从冷物体转向热物 (1822 - 1888) 体，并将这个结论称为热力学第二 定律。克劳胥斯在1854年给出了热 力学第二定律的数学表达式， 1865 年提出“熵”的概念。
风 水 化核地太
力学
热阳
能 能 能能能能
燃烧 裂变 聚变 传热 传热
燃风 料车
水 车
水 力 机
热
能
光
电 池
械
热 机
温
差
二
机械能
发
次 能 源
发电机
电动机
电
电
磁
流 体 发
热 用户
反 应
电
电
能
28
14
热能发生的两种途径
直接产生（如地热能和海洋表层的温水 热能）
通过转换产生
化学能的转换 电能的转换 辐射能的转换 核能的转换 机械能的转换
能、地热能、原子能、机械能、热能、电能等 等； 能源消费水平正比于社会生产力的发展水平
26
13
能源分类
常用能源种类
煤 炭 石 油 天然气 生物质能
利用燃料燃烧释放化学能，并转换为燃烧产物的热能， 为人类所利用。
可再生能源
水利能
太阳能
风能
生物质能
海洋能 地热能
27
能量的转换和传递过程
一
次 能 源
Mayer (1814 - 1878)
14
7
1847年， 德国物理学家和生 物学家 Hermann Ludwig von Helmholtz (1821 - 1894) 发表了 “ 论力的守衡” 一文，全 面论证了能量守衡和转化定律。
Helmholtz (1821 - 1894)
15
1843-1848年， 英国酿酒 商 James Prescott Joule (1818 - 1889) 以确凿无疑的 定量实验结果为基础，论述了 能量受恒和转化定律。焦耳的 热功当量实验是热力学第一定 律的实验基础。
热力学：研究物质的热力性质，能量和能 量之间相互转换的一门基础理论学科；
工程热力学：从工程的观点出发，研究物 质的热力性质、能量转换以及热能的直接 利用等问题。
设计计算和分析各种动力装置、制冷机、 热泵空调机组、锅炉及各种热交换器的理 论基础——各个热力过程的能量变化。
34
17
主要内容
内燃机装置 燃 气 燃烧产物(自身) 大 气 对外输出功
压缩制冷装置 制冷剂 被冷却物体
大 气 消耗功
9
热力学的发展
热力学是研究能量、能量转换以及与 能量转换有关的物性间相互关系的科学。
热力学(thermodynamics)一词的意 思是热(thermo)和动力(dynamics)，既由热产 生动力，反映了热力学起源于对热机的研究。
21
本课程的主要教学环节
课堂学习(预习,听课,课后复习) 做练习题 完成课程实验,鼓励大家完成一些
研究性实验 撰写小论文,课堂讨论
22
11
参考书
1．曾丹苓等.工程热力学（第三版）.北京: 高教出版社,2002
2．朱明善，刘 颖，林兆庄，彭小峰合编．工程热力学(第一版)．北京： 清华大学出版社，1999