工程热力学概念题

绪论

工程热力学与传热学分两部分，热力学与传热学，这两部分都是与热有关的学科。

我们先讲热力学，第二部分再讲传热学。

热力学中热指的是热能，力在我们工程热力学中主要指的是用它来做功，也就是机械能，简单地理解工程热力学主要研究的是热能和机械能之间的相互转化。也就是说由热产生力，进而对物体做功的过程，所以热力学主要研究的是热能和机械能之间的相互转化。

举个例子：比如汽车的发动机（内燃机），它是利用燃料（汽油）在汽缸中燃烧，燃烧后得到高温高压的烟气，烟气此时温度高，压力高，具有热能，那么高压的燃气会推动气缸的活塞做水平往复运动，活塞又通过曲柄连杆机构把水平往复运动转化成圆周运动，进而带动汽车运动，这就是一个热力学的例子。

工程热力学的研究重点是热能与机械能之间的转化规律，那么下面我们来详细的看一下工程热力学的研究内容：

①研究热力学中的一些基本概念和基本定律。基本概念像热力学系统、热力学状态、平衡过程、可逆过程等。基本定律有热力学第一定律和热力学第二定律，第一定律和第二定律是工程热力学的理论基础，其中热力学第一定律主要研究热能与机械能之间转化时的数量关系，热力学第二定律主要研究热能和机械能转换时的方向、条件、限度问题。

②研究工质的性质。我们热能和

工程热力学总结 第一章基本概念 1.基本概念 热力系统：这种被人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统（简称系统，体系）。

边界：系统与外界之间的分界面，称为边界。 外界：与系统发生质能交换的物体称为外界。 闭口系统：一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换的系统称为闭口系统，因闭口系统内的质量保持恒定不变，所以闭口系统也称控制质量。

开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。

绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。

孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。 单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。

复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。 单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。

多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。 均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。

非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。 热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观

1.热力学是一门研究物质的能量、能量传递和转换以及能量与物质之间的普遍关系的科学。

2.工程热力学重点研究热能和其它形式的能（主要是机械能之间的转换规律及其工程应用。

3.研究内容：工质性质，基本定律，热力过程，热力循环。

4.各类热动力装置工作的共同本质：由媒介物通过吸热-膨胀做功-排热。

5.工质：人们把实现热能和机械能相互转化的媒介物质叫做工质。

6.对工质的要求：（1）膨胀性（2）流动性（3）热容量好（4）稳定性、安全性（5）对环境友善（6）价廉，易大量获取。 物质三态中气态最适宜

6.热源：把与工质进行热交换的物质系统称为热源。若细分，则把工质从中吸取热能的物系叫做热源(或称高温热源）；把接受工质排出热能的物系叫做冷源（或称低温热源）。

7.热力系统:被认为的分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统叫做热力系统。

8.外界：与系统发生智能交换的物体系统称外界。

9.边界：系统和外界之间的分界面叫做边界。

10.边界可以是：（1）刚性的或可变形的或有弹性的（2）固定的或可移动的（3）实际的或虚拟的

11.闭口系统：一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换，则该系统叫做闭口系统（又称闭口系）。

12.开口系统：如果热力系统和外界不

习题及部分解答

第一篇 工程热力学 第一章 基本概念

1. 2. 3.

指出下列各物理量中哪些是状态量，哪些是过程量： 答：压力，温度，位能，热能，热量，功量，密度。

指出下列物理量中哪些是强度量：答：体积，速度，比体积，位能，热能，热量，功量，密度。 用水银差压计测量容器中气体的压力，为防止有毒的水银蒸汽产生，在水银柱上加一段水。若水柱高

200mm，水银柱高800mm，如图2-26所示。已知大气压力为735mmHg，试求容器中气体的绝对压力为多少kPa？解：根据压力单位换算

pH2O?200?9.80665?1.961?103?1.96.kPapHg?800?133.32?1.006?105Pa?106.6kPap?pb?(pH2O?pHg)?98.0?(1.961?106.6)?206.6kPa4.

锅炉烟道中的烟气常用上部开口的斜管测量，如图2-27所示。若已知斜管倾角?使用?

?30?，压力计中

?0.8g/cm3的煤油，斜管液体长度L?200mm，当地大气压力pb?0.1MPa，求烟

p?L?gsin??200?0.8?9.81?0.5?784.8Pa?784.8?10?6MPa

气的绝对压力（用MPa表示）解：

p?pb?pv?0.1

1-3

1-4

1-8

2-4

2-5

2-6 50kg废气和75kg的空气混合。已知废气中各组成气体的质量分数为

wco2?14%,wo2?6%,w?2O?5%,wN2?75%，空气中 O2,N2的质量分数为wo2?23.2%,wN2?76.8%。混合后气体压力 p?0.3MPa，试求混合气体的： （1）质量分数；（2）折合气体常数；（3）折合摩尔质量 ；（4）摩尔分数；（5）各组成气体的德分压力。

解：（1）混合后气体的质量m?75?50?125kg，其中

mCO2?wCO2?m?0.14?50kg?7kg mH2O?wH2O?m?0.05?50kg?2.5kg

mO2?wg,O2?mg?wa,O2?ma?0.06?50kg?0.232?75kg?20.4kg mN2?wg,N2?mg?wa,N2?ma?0.75?50kg?0.768?75kg?95.1kg 因此，质量分数 wCO2?mCO2mmH2Om??7kg?0.056

50kg?75kg2.5kg?0.020

50kg?75kg wH2O?? wO2?mO2m20.4kg?0.163

50kg?75kg wN2?mN2m?95.1kg?0.761

50kg?75kg核

第一章 基本概念

思 考 题

1、 如果容器中气体压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变，对吗？

答：不对。因为压力表的读书取决于容器中气体的压力和压力表所处环境的大气压力两个因素。因此即使容器中的气体压力保持不变，当大气压力变化时，压力表的读数也会随之变化，而不能保持不变。 2、“平衡”和“均匀”有什么区别和联系

答：平衡（状态）值的是热力系在没有外界作用（意即热力、系与外界没有能、质交换，但不排除有恒定的外场如重力场作用）的情况下，宏观性质不随时间变化，即热力系在没有外界作用时的时间特征-与时间无关。所以两者是不同的。如对气-液两相平衡的状态，尽管气-液两相的温度，压力都相同，但两者的密度差别很大，是非均匀系。反之，均匀系也不一定处于平衡态。

但是在某些特殊情况下，“平衡”与“均匀”又可能是统一的。如对于处于平衡状态下的单相流体（气体或者液体）如果忽略重力的影响，又没有其他外场（电、磁场等）作用，那么内部各处的各种性质都是均匀一致的。 3、“平衡”和“过程”是矛盾的还是统一的？

答：“平衡”意味着宏观静止，无变化，而“过程”意味着变化运动，意味着平衡被破坏，所以二者是有矛盾的。对一个热力系来说，或是平衡，静止不动，

自测五

一、选择（本大题 16 分，每小题 2 分）

1、在 T － s 图上，经过同一状态点的理想气体定容过程线与定压过程线相比，（ ）过程线更陡一些。

(a) 定容 （ b ）定压 （ c ）二者一样

2、某理想气体经历一个节流过程，气体压力下降，温度（ ）。 (a) 升高 （ b ）下降 （ c ）保持不变

3、提高内燃机定容加热理想循环的压缩比，循环的热效率将（ ）。 (a) 增大 （ b ）减小 （ c ）不变

4、理想气体从初态 1 经历一绝热压缩过程到达终态 2 ，该过程的热力学能变化量为（ ）

(a) （ b ） （ c ） （ d ）

5、不可逆机与可逆机相比，其热效率（ ） (a) 一定高 （ b ）相等

(c) 一定低 （ d ）可能高，可能低，也可能相等 6、水蒸汽热力过程热力学能变化量△ u ＝（ ）

(a) （ b ） （ c ） （ d ）

7、在定压加热燃气轮机循环中，为达到提高循环热效率的目的，可采用回热技术来提高工质的（ ）

(a) 循环最高温度 （ b ）循环最低温度 （ c ）平均吸热温度 （ d ）平均放

自测九

一、名词解释（本大题 15 分，每小题 3 分）

1 绝热节流 2 马赫数 3 温度 4 工质 5 有效能 二、判断（本大题 10 分，每小题 2 分） １、气体膨胀必然对外做功。 ( )

２、热力系从 1 状态经历不可逆过程到达状态 2 ，则热力学能的变化

。 ( )

３、在实际的活塞式压气机中存在余隙容积，使得吸气量减少。导致生产同样多的高压气体耗功量减少。（ ）

４、开口系不可能是绝热系。（ ）

5、 理想气体热力学能仅仅是温度的函数（ ） 三、简答（本大题 25 分，每小题 5 分）

１、工质进行了一个吸热、升温、压力下降的多变过程，试问其多变指数的范围是什么？并在 p-v 图和T-s

图上将该过程表示出来。

２、试推导出压缩空气制冷循环的制冷系数ε与循环的压比 和

的关系？

的函数关系式，并分析ε

３、为什么在热力系中要引用准平衡过程这一概念？

４、以 1 ㎏工质为例，写出闭口系能量方程，并将可逆过程的膨胀功在 p － v 图上表示出来。

５、试画出压气机两级压缩中间冷却的 p-V 图,并表示出与单级压缩相比少消耗的功量。 四、计算题（本大题 50

自测五

一、选择（本大题 16 分，每小题 2 分）

1、在 T － s 图上，经过同一状态点的理想气体定容过程线与定压过程线相比，（ ）过程线更陡一些。

(a) 定容 （ b ）定压 （ c ）二者一样

2、某理想气体经历一个节流过程，气体压力下降，温度（ ）。 (a) 升高 （ b ）下降 （ c ）保持不变

3、提高内燃机定容加热理想循环的压缩比，循环的热效率将（ ）。 (a) 增大 （ b ）减小 （ c ）不变

4、理想气体从初态 1 经历一绝热压缩过程到达终态 2 ，该过程的热力学能变化量为（ ）

(a) （ b ） （ c ） （ d ）

5、不可逆机与可逆机相比，其热效率（ ） (a) 一定高 （ b ）相等

(c) 一定低 （ d ）可能高，可能低，也可能相等 6、水蒸汽热力过程热力学能变化量△ u ＝（ ）

(a) （ b ） （ c ） （ d ）

7、在定压加热燃气轮机循环中，为达到提高循环热效率的目的，可采用回热技术来提高工质的（ ）

(a) 循环最高温度 （ b ）循环最低温度 （ c ）平均吸热温度 （ d ）平均放

工程热力学答案

一、填空题 第一章

１．功和热量都是与 过程 有关的量。 2．热量的负值代表 工质向外放热 。 3．功的正值代表 工质膨胀对外作功 。

4．循环中各个过程功的代数和等于 循环净功 。 5．循环中作功与耗功的绝对值之差等于 循环净功 。 6、热效率ηt定义为 循环净功与消耗热量的比值 。

7．如果工质的某一热力学量的变化量与过程路径无关，而只与过程的初态和终态有关，则该热力学量必是一个 状态 参数。 8．如果可使工质沿某一过程相同的途径逆行回复到原态，并且 与之相关的外界也回复到原态、不留下任何变化 ，则该过程为可逆过程。

9．不存在任何能量的不可逆损耗的准平衡过程是 可逆 过程。

10．可逆过程是指 工质能经原过程路径逆向进行恢复到初态，并在外界不留下任何改变的过程 。

11．平衡过程是 整个过程中始终保持热和力的平衡的过程 。

１2．热力系统的平衡状态是指在 不受外界影响 的条