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2018年工程热力学考点归纳与典型题（含考研真题）详解试读：
第1章 基本概念及定义
1.1 考点归纳
一、热能和机械能相互转换的过程
1．热能动力装置（1）定义
热能动力装置是指从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。（2）分类
①蒸汽动力装置；②燃气动力装置。
2．各类热能动力装置中的能量转换情况（1）蒸汽动力装置：工作介质经历吸热、膨胀、排热过程，热力学能转变成动能。（2）燃气动力装置：燃料和助燃的气体在燃烧设备中燃烧，化学能转换成燃气的热能，燃气膨胀作功，作功后的废气排出装置同时向环境介质排热。（3）制冷装置与热泵：装置消耗外部机械功，以实现热能由低温物体向高温物体转移。
3．热能动力装置工作过程（1）工质循环从热源吸热，将其中一部分转化为机械能，并把余下部分传给低温热源。（2）在制冷装置中，工质消耗外部机械功或其他形式，使热能由低温热源向高温热源转移，所消耗的机械能也转换成热能一并排向高温热源。
二、热力系统
1．系统、边界与外界（1）热力系统（系统）
热力系统是指人为将所要研究的对象与周围环境分隔出来的研究对象。（2）边界
边界是指分隔系统与外界的分界面，其作用是确定研究对象，将系统与外界分隔开来。（3）外界
外界是指边界以外与系统相互作用的物体。
2．闭口系统与开口系统（1）闭口系统
闭口系统是指没有物质穿过边界的系统，又称为控制质量系统。（2）开口系统
开口系统是指有物质流穿过边界的系统，又称开口系统为控制体积。
3．绝热系统与孤立系统（1）绝热系统
绝热系统是指系统与外界之间没有热量传递的系统。（2）孤立系统
孤立系统是指系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。
4．系统的内部状况（1）单相系与复相系
①单相系
单相系是指由单一物相组成的系统。
②复相系
复相系是指由两个相以上组成的系统。（2）单元系与多元系
①单元系
单元系是指由一种化学成分组成的系统。
②多元系
多元系是指由两种以上不同化学成分组成的系统。（3）均匀系与非均匀系
①均匀系
均匀系是指成分和相在整个系统空间呈均匀分布的系统。
②非均匀系
非均匀系是指成分和相在整个系统空间不均匀分布的系统。
三、工质的热力状态及其基本状态参数
1．状态与状态参数（1）状态
状态是指系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况。（2）状态参数
状态参数是指描述工质状态特性的各种物理量。（3）状态参数特征
状态参数一旦确定，工质的状态也就确定了，状态参数发生变化，工质所处的状态也就发生变化，因此状态参数是热力系统状态的单值性函数。
2．基本状态参数（1）温度
①定义
温度是指描述热力平衡系统冷热状况的物理量，从微观上看，是标志物质内部大量分子热运动的强烈程度的物理量。
②热力学温度与分子平移运动平均动能的关系（2）压力（压强）
①定义
压力是指垂直作用于器壁单位面积上的力。
②表达式 （1－1）
③气体的压力（1－2）（3）绝对压力和相对压力
①绝对压力
绝对压力是指根据式（1－1）、式（1－2）计算的压力，它是气体的真正压力。
②相对压力
相对压力是指气体的绝对压力与当地大气压力的差值。
③绝对压力、相对压力和大气压力的关系，如图1-1所示图1-1 各压力间的关系（4）比体积和密度
①比体积
a．定义：比体积是指单位质量工质所占有的体积。符号v。
b．表达式
c．单位：/kg。
②密度
a．定义：密度是指单位体积的工质所具有的质量。符号ρ。
b．表达式3
c．单位：kg/m。
3．强度性参数与广延性参数（1）强度性参数
强度量是指压力和温度等与系统质量的多少无关的参数。（2）广延性参数
广延量是指体积、热力学能、焓和熵等与系统质量成正比的参数，具有可加性。
四、平衡状态、状态公理及状态方程
1．平衡状态（1）平衡状态
平衡状态是指如果在不受外界影响的条件下，热力系统的状态能够始终保持不变的状态。（2）平衡状态的充要条件
热平衡（温度平衡）、力平衡（压力平衡）、化学势平衡（包括相平衡和化学平衡）。（3）稳定系统与平衡系统地区别
①只要系统的参数不随时间而改变，即认为系统处在稳定状态。
②平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保持不变。
2．状态公理
确定纯物质系统平衡状态的独立参数＝n＋1。
3．状态方程
纯物质简单可压缩系统的状态方程F(p,V,T)＝0
4．状态参数坐标图（1）热力状态坐标图
热力状态坐标图是指由热力系状态参数所组成的坐标图。（2）常用热力状态坐标图：压容(P－v)图、温熵(T－s)图等。
五、工质的状态变化过程
1．准静态过程
准静态过程是指如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态的过程。
2．可逆过程和不可逆过程（1）定义
①可逆过程
可逆过程是指当完成了某一过程之后，可能使工质沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及的外界亦回复到原来状态，而不留下任何改变的热力过程。
②不可逆过程
不满足可逆过程条件的为不可逆过程。（2）实现可逆过程的具体条件
①过程没有势差（或势差无限小）。
②过程没有耗散效应。（3）准平衡过程和可逆过程的关系
①可逆过程首先应是准平衡过程，应满足热的和力的平衡条件，同时在过程中不应有任何耗散效应。可逆过程必然是准平衡过程，而准平衡过程只是可逆过程的必要条件。
②准平衡过程只着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，准平衡过程进行时可能发生能量耗散。
③可逆过程是分析工质与外界作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且要求工质与外界的作用可以无条件的逆复，过程进行时不存在任何能量的耗散。
六、过程功和热量
1．可逆过程的膨胀功（容积功）（1）定义
可逆过程的膨胀功是指系统容积发生变化而通过界面向外传递的机械功。（2）表达式
其中，1和2表示工质从状态l到状态2的膨胀。规定系统对外做功为正，外界对系统作功为负。
2．可逆过程的热量（1）定义
可逆过程的热量是指系统与外界之间依靠温差传递的能量。（2）表达式
其中，1和2表示工质从状态l到状态2的膨胀。通常规定系统吸热为正，放热为负。
3．功和热量的异同点（1）相同点
①从对功和热量的定义可以看出，热量和功都是能量传递的度量，它们是过程量。
②说物系在某一状态下有多少功或多少热量是错误的，因为功和热量都不是状态参数。（2）不同点
①功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随着能量形态的转化。
②热量是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化。③功转变成热量是无条件的而热转变成功是有条件的。
七、热力循环
1．定义
热力循环是指工质从某一初态开始，经历一系列状态变化，最后由回复到初态的过程。
2．热力循环过程（1）正循环
①定义
如图1-2中1－2－3－4－1所示的循环图1-2 正循环
②循环净功:工质沿一个循环过程所作功的代数和，即
③正向循环热效率
其中，等于循环过程中工质与热源及冷源换热量的代数和，。（2）逆循环
①定义
如图1-3中1－4－3－2－1所示的循环图1-3 逆循环
②循环过程
a．逆向循环时，工质在吸热前可先进行膨胀降温过程(如绝热膨胀)，使工质的温度降低到能自低温热源吸取热量。
b．在放热过程前进行压缩升温过程(如绝热压缩)，使其温度升高到能向高温热源放热。
③制冷系数ε和热泵系数(供热系数)
与热效率η1一样，制冷系数ε和热泵系数愈大，表明循环经济性愈好。
1.2 典型题（含考研真题）详解
一、选择题
1．准静态过程是（ ）。[南京航空航天大学2008研]
A．平衡过程
B．可逆过程
C．不可逆过程
D．无限接近平衡的过程【答案】D
2．若已知工质的表压力，环境压力。则工质的绝对压力为（ ）[宁波大学2008研]
A．0.03Mpa
B．0.17Mpa
C．0.07MPa
D．0.1MPa【答案】B【解析】工质的绝对压力＝环境压力＋表压力，故答案选择0.17MPa。
3．下列系统中与外界不发生能量交换的系统是（ ）。[南京航空航天大学2008研]
A．绝热系统
B．孤立系统
C．闭口系统
D．A＋B【答案】B【解析】绝热系可以发生质量交换，闭口系可以发生热量交换，而孤立系与外界既不发生质量交换，也不发生能量交换。
4．开口系统的质量是（ ）。[南京航空航天大学2008研]
A．不变的
B．变化的
C．B或A
D．在理想过程中是不变的【答案】C【解析】开口系是指与外界有物质交换的系统，但是系统内的质量可以变化，也可以不变，如稳定流动开口系。
5．（ ）过程是可逆过程。
A．可以从终态回复到初态的
B．没有摩擦的
C．没有摩擦的准静态过程
D．没有温差的【答案】C
6．系统在可逆过程中与外界传递的热量，其数值大小取决于（ ）。
A．系统的初、终态
B．系统所经历的过程
C．A和B
D．系统的熵变【答案】A
7．可逆过程与准静态过程的主要区别是（ ）。
A．可逆过程比准静态过程进行得陕得多
B．准静态过程是进行得无限慢的过程
C．可逆过程不但是内部平衡，而且与外界平衡
D．可逆过程中工质可以恢复为初态【答案】C
8．（多选）在所列的压力中哪个不是状态参数（ ）。
A．绝对压力
B．分压力
C．表压力【答案】B、C
9．（多选）不可逆损失来源于（ ）。
A．运动摩擦
B．不等温传热
C．任何耗散效应【答案】A、B、C
10．（多选）下面属于不可逆过程的有（ ）。
A．温差传热
B．混合
C．节流
D．绝热膨胀【答案】A、B、C
11．（多选）下面属于假想的理想化概念有（ ）。
A．平衡状态
B．理想气体
C．可逆过程
D．准静态过程
E．稳定状态【答案】B、C、D
二、填空题
1．状态参数中的直接测量量有______，不可测量量有______，与热力学第二定律有关的一个状态参数是______。[天津大学2005研]【答案】p、T、V；V、H、S；熵
2．当大气环境的压力为0.1013MPa时，测得一容器内气体的表压力读数为0.3012MPa，则容器内气体的绝对压力为______MPa；若此时测得另一容器内气体的真空度读数为0.031MPa，那么该容器内气体的真实压力为______MPa。[北京理工大学2006研]【答案】0.4025；0.0703【解析】表压力＝绝对压力－环境压力，真空度＝环境压力－绝对压力。
3．孤立系统是指______；简单热力系统是指______。[北京理工大学2004研]【答案】系统与外界之间没有任何联系（没有能量、质量交换）；系统与外界只交换体积功（膨胀功，容积功）。
三、判断题
1．经不可逆循环后，系统与外界均无法完全恢复原态。（ ）[南京航空航天大学2008研]【答案】错【解析】经不可逆循环后，系统与外界无法同时完全恢复原态，而不引起其他变化，但是不可逆循环系统或者外界可以单独回到原态，同时引起其他变化。
2．准静态过程就是可逆过程。（ ）[天津大学2004研]【答案】错【解析】可逆过程包含准静态过程和无耗散过程两个条件。
3．不可逆过程可以在p－V图、T－S图上表示出来。（ ）[同济大学2005研]【答案】错【解析】准静态过程才可以在p－V图、T－S图上表示出来，但是不可逆过程不一定是准静态过程。
4．状态方程是状态参数之间的关系式。（ ）[东南大学2002研]【答案】错【解析】状态方程是平衡状态下，状态参数之间的关系式。
5．不可逆过程必然导致熵增加。（ ）[南京航空航天大学2006研]【答案】错【解析】不可逆过程中熵也可能减小。
6．描述理想气体受压的状态参数仅仅是气体的绝对压力。（ ）[湖南大学2007研]【答案】对
7．设一系统的任意状态参数为x，则对任意的可逆或不可逆循环均满足。（ ）[湖南大学2007研]【答案】对【解析】经过一个循环后，状态参数都会恢复到初始值，也即满足。
8．系统的平衡状态是指系统在无外界影响的条件下，不考虑外力场作用，宏观热力性质不随时间而变化的状态。（ ）【答案】对
9．在研究热力系统能量平衡时，存在下列关系式：＝恒量，△S＋△S＝恒量。（ ）syssur【答案】错
10．容器中气体的压力不变，则压力表的读数也绝对不会改变。（ ）【答案】错
11．对所研究的各种热力现象都可以按闭口系统、开口系统或孤立系统进行分析，其结果与所取系统的形式无关。（ ）【答案】对
12．稳定状态不一定是均匀状态。（ ）【答案】对
13．可逆过程一定是准静态过程。（ ）【答案】对【解析】因为一个可逆过程，首先应该是准平衡过程。
四、名词解释题
1．闭口系统与开口系统。[中科院-中科大2007研]
答：物质不能透过边界，即与外界与质量交换只能有能量交换的热力系统，称为闭口系统。物质可以透过外界，即与外界既可有质量交换又可有能量交换的热力系统，称为开口系统。闭口系统控制质量，开口系统控制空间范围。
2．热能（热力学能或内能）与热量。[天津大学2005研]
答：（1）热能是系统的一种储存能，它的大小取决于物质的种类以及其温度和物质的数量，通常热能就是内能。（2）热量是系统与外界之间，穿越边界而传递的一种能量形式。热量传递的动力是二者的温度差。
3．可逆过程与不可逆过程。
答：可逆过程是指热力学系统在状态变化时经历的一种理想过程。热力学系统由某一状态出发，经过某一过程到达另一状态后，如果存在另一过程，它能使系统和外界完全复原，既使系统回到原来状态，同时又完全消除原来过程对外界所产生的一切影响，则原来的过程称为可逆过程。反之，如果无论采用何种办法都不能使系统和外界完全复原，则原来的过程称为不可逆过程。可逆过程沿原路反向进行使系统恢复到原状态之后，给系统和外界均没有留下任何影响；不可逆过程沿原路反向进行使系统恢复到原状态之后将给外界留下某种不可消除的影响。
五、问答题
1．给出“热”和“功”的定义，并分析其异同。[北京航空航天大学2005、2006研]
答：（1）热量是热力系和外界之间仅由于温度不同而通过边界传递的能量。（2）功是热力系流通过边界而传递的能量，而全部效果可表现为举起重物。（3）相同点：二者均为过程量，都通过边界传递。（4）不同点：功是有规则的宏观运动能量的传递，在作功过程中往往伴随着能量形式的转化；热则是大量的微观粒子杂乱热运动的能量传递，传热过程中不出现能量形式变化，功转变成热是无条件的，而热转变成功是有条件的。
2．有一类热力学系统被称作控制质量，也称作封闭系统（或闭口系统）。试给出这种热力学系统的具体定义，并解释两种不同称呼的一致性。[华中科技大学2004研]
答：（1）控制质量（也即封闭系统、闭口系统）指的是特定的某一部分物质。（2）封闭系统（或闭口系统）指的是系统的边界不对物质流开放，即在分析的过程中，没有物质流穿越系统的边界。（3）控制质量的特点是在整个研究分析过程中，系统始终由同一部分物质构成，不作更替。所以两种名称的实质是一样的。
3．试述可逆过程的特征及实现可逆过程的条件。[西安交通大学2004研]
答：（1）可逆过程的特征是使得系统与外界同时复原为初始状态。（2）实现可逆过程的充要条件包括：
①过程进行中，系统内部以及系统与外界之间不存在不平衡势差，或过程应为准静态；②过程中不存在耗散效应。
4．试述下列各项中两个概念之间的区别：（1）闭口系统和孤立系统。（2）绝热过程和定熵过程。（3）可逆循环和逆向循环。[哈尔滨工业大学2000研]
答：（1）闭口系是指系统与外界没有物质交换；而孤立系统是指系统与外界之间既无物质交换也无能量交换的系统。（2）绝热过程指过程中，系统与外届没有热量交换；而定熵过程是指过程中系统的熵不变。可逆的绝热过程一定是定熵过程，但不可逆的绝热过程不是定熵过程。（3）可逆过程是指系统经过一个过程后，可以使得系统和外界同时恢复到初始状态，而不引起变化的过程，而逆向过程是指过程的方向在p－V图或T－s图上是逆时针。
5．什么是准静态过程？什么是可逆过程？他们之间有什么关系？[大连理工大学2003研]
答：（1）若过程进行相对缓慢，一切不平衡势差无限小，使得系统在任一时刻无限接近于平衡态，这时工质被破坏所需的时间远大于恢复平衡所需要的时间，工质有足够的时间来恢复平衡，随时都不致显著偏离平衡的状态即为准静态过程。（2）可逆过程是指当完成某过程后，如果有可能使工质沿相同的路径逆行回复到原来状态并使相互作用中所涉及到的外界回复到原来的状态而不引起其他变化。（3）准平衡过程着眼于工质内部的平衡，有无外部机械摩擦对工质内部的平衡并无关系，可能有耗散效应；可逆过程主要分析工质与外界的作用所产生的总效果，不仅要求工质内部是平衡的，而且需求工质与外界可以无条件地逆复，不存在任何能量的耗散。
6．什么是可逆过程？经历一个不可逆过程后，系统是否还能恢复原来的状态？为什么？[华中科技大学2005研]
答：（1）若系统在完成某一过程后，能够沿着该路径逆行而使系统及外界都回复到原来的状态，没有其他任何变化，则称此过程为可逆过程，否则则为不可逆过程。（2）经历一个不可逆过程后，系统是能够恢复到原来的状态的。（3）所谓不可逆过程，是指完成一个过程后，系统和外界不可能同时恢复到原来的状态，所以只有系统本身恢复到原来的状态是可能的，只是包括系统和外界在内的整个系统则一定不能恢复到原来的状态。
7．对于简单可压缩系，系统只与外界交换哪一种形式的功？可逆时这种功如何计算？[西安交通大学2004研]
答：（1）在简单可压缩系统中，系统只与外界交换膨胀功或压缩功。（2）可逆时，这种功的计算式为。
8．状态量（参数）与过程量有什么不同？常用的状态参数哪些是可以直接测定的？哪些又是不可直接测定的？[西安交通大学2003研]
答：（1）状态参数是单值地取决于状态的，过程中状态参数的变化只取决于初、终状态，与过程经过的路径无关。相反的，过程量是指过程中表现出来的量，过程量的变化不仅取决于初、终状态，还与过程经过的路径有关。（2）在常用的状态参数中，有温度T、压力p和比体积v是可以直接测定的。（3）热力学能u、焓值h和熵值s是不可直接测定的。
9．简要描述热力学平衡状态与稳定状态的区别。[北京航空航天大学2004研]
答：当一个系统具备了热、利和化学平衡时，该系统就处于热力平衡状态。平衡状态是指系统内任一物理参量既不随时间变化，又不随空间变化，而稳定状态则是指系统内任一物理参量不随时间变化，但在空间上可能是变化的。因此处于平衡状态的系统一定处于稳定状态，反之则不然。
10．试述准静态过程与可逆过程的区别。[同济大学2007研]
答：（1）定义不同。准静态过程是一系列平衡态所组成的过程；可逆过程是如果系统完成某一热力过程后，再沿原路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化的过程。（2）要求条件不同。可逆过程要求系统与外界随时保持力平衡和热平衡，且不存在任何耗散损失，在过程中没有任何能量的不可逆损失；准静态过程的条件仅限于系统内部的力平衡和热平衡，在进行中系统与外界可以有不平衡势差，也可能有耗散现象发生，只要系统内部能及时恢复平衡，其状态变化还是准静态的。（3）可逆过程是针对过程中所引起的外部效果而言的，准静态过程是针对系统内部状态变化而言的。（4）可逆过程一定是准静态过程，准静态过程不一定是可逆过程。（5）实际过程总是在温差、压差作用下变化的，实际过程是偏离可逆过程的准静态。
相同点：对于热力系统而言，两个过程都是由一系列平衡态所组成的，在p－V图上都能用连续曲线表示，都可用确定的状态参数变化描述过程。
11．什么是热力系统？热力系统可分为几类？[大连理工大学2004研]
答：（1）通常根据研究问题的需要，人为地划定一个或多个任意几何面所围成的空间作为热力学研究对象，这种空间内的物质的总和称为热力学系统，简称系统或体系。（2）可分为闭口系统和开口系统；简单系统、绝热系统和孤立系统；均匀系统和非均匀系统；单元系统和多元系统等。
12．在导体中通有限大小电流的过程是可逆的吗？为什么？[中科院-中科大2006研]
答：不可逆，因为有导体电阻引起的耗散效应存在，其必然会带来熵产，因而是不可逆过程。
13．若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，若其初态、终态相同，问两过程中工质与外界交换的热量是否相同？说明原由。[南京航空航天大学2008研]
答：若工质经历一可逆过程和一不可逆过程，若其初态、终态相同，两过程中工质与外界交换的热量不一定相同。
因为，根据热力学第一定律，由于内能是状态量，相同初态、终态意味着相同，即不同过程的是相同的，但不同过程的Q和W是可以不同的。
六、综合分析题
1．某容器被一个刚性壁分为两个部分，在容器的不同部位安装有压力表，如图1-4所示，压力表B上的读数为75kPa，压力表C上的计数为0.11MPa。如果大气压力为97kPa，试确定压力表A上的读数以及容器两部分内气体的绝对压力。[南京航空航天大学2006研]
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