2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——工程熱力學(xué)中的能量守恒定律考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題3分，共15分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列關(guān)于熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達式ΔU=Q-W的表述中，正確的是（）。A.系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量B.系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)對外界所做的功C.系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)從外界吸收的熱量減去系統(tǒng)對外界所做的功D.系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)對外界所做的功加上外界對系統(tǒng)所做的功2.對于一個定質(zhì)量的理想氣體系統(tǒng)，經(jīng)歷一個體積增大的過程，如果系統(tǒng)吸熱，那么系統(tǒng)的內(nèi)能變化ΔU和焓變ΔH的關(guān)系是（）。A.ΔU>0,ΔH<0B.ΔU<0,ΔH>0C.ΔU>0,ΔH>0D.ΔU<0,ΔH<03.下列過程中，系統(tǒng)的焓變ΔH總是等于系統(tǒng)吸收的熱量的是（）。A.理想氣體定溫膨脹過程B.理想氣體定壓膨脹過程C.理想氣體絕熱膨脹過程D.任何可逆絕熱過程4.一個系統(tǒng)從狀態(tài)A變化到狀態(tài)B，無論經(jīng)歷什么過程，其內(nèi)能的變化量總是確定的。這主要依據(jù)的是（）。A.熱力學(xué)第一定律B.熱力學(xué)第二定律C.系統(tǒng)的狀態(tài)方程D.系統(tǒng)的可逆性5.對于穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)，熱力學(xué)第一定律的穩(wěn)定流動形式為ΔH=Q-Ws+(ke+pe)2/2。在分析蒸汽輪機工作時，式中的Q通常近似為（）。A.0B.蒸汽進入時的焓減去蒸汽流出時的焓C.蒸汽進入時的焓D.蒸汽流出時的焓二、填空題（每小題4分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）6.熱力學(xué)第一定律的物理基礎(chǔ)是________定律，它表明能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體傳遞給另一個物體，在轉(zhuǎn)化或傳遞過程中能量的總量保持不變。7.在熱力學(xué)中，系統(tǒng)因體積變化而對外界所做的功稱為________功，其表達式為W=∫PdV。在可逆定溫過程中，此功的表達式可簡化為W=nRTln(V2/V1)。8.對于定比熱容的物體，其內(nèi)能的變化量ΔU與其溫度變化量ΔT的關(guān)系為ΔU=mcΔT，其中c是________，m是物體的質(zhì)量。9.在熱力學(xué)第一定律的表達式ΔU=Q-W中，Q表示系統(tǒng)與外界之間的________傳遞的熱量，W表示系統(tǒng)與外界之間因________而傳遞的能量。10.焓H是一個狀態(tài)函數(shù)，其定義為H=U+PV。引入焓這個狀態(tài)函數(shù)的主要原因是方便分析________過程中的能量交換。三、計算題（共65分）11.（10分）一定量的空氣在壓強為1.013×105Pa，體積為10m3的氣缸中，被可逆地壓縮到體積為5m3。設(shè)空氣的比熱容比γ=1.4，定容比熱容cv=0.718kJ/(kg·K)，空氣的摩爾質(zhì)量為29g/mol。假設(shè)空氣的質(zhì)量保持不變，且過程開始時空氣的溫度為300K。試計算此壓縮過程空氣內(nèi)能的變化量ΔU和外界對空氣所做的功W。取空氣為理想氣體。12.（15分）一個質(zhì)量為2kg的鋼塊，初始溫度為500°C，將其放入盛有10kg冷水（初溫為20°C）的絕熱容器中，鋼塊與水充分混合后達到熱平衡。假設(shè)過程沒有熱量損失到外界，鋼的比熱容為0.46kJ/(kg·K)。試求：（1）達到熱平衡時的最終溫度T_f；（2）在此過程中，鋼塊放出的熱量Q_鋼和水吸收的熱量Q_水（請說明正負）。13.（15分）某開口系統(tǒng)經(jīng)歷一個穩(wěn)定流動過程，工質(zhì)為水。在入口處，水的焓為3500kJ/kg，比動能和比勢能均可忽略不計；在出口處，水的焓為2800kJ/kg，出口流速為50m/s，出口處相對于入口處的高度差為10m。假設(shè)過程對外不做軸功，忽略水流的摩擦阻力，試求此穩(wěn)定流動過程中，單位質(zhì)量工質(zhì)流經(jīng)系統(tǒng)時：（1）系統(tǒng)對外界所做的凈功W_net；（2）若過程向系統(tǒng)加入的熱量為500kJ/kg，則單位質(zhì)量工質(zhì)的內(nèi)能變化量ΔU是多少？14.（25分）一個體積為0.5m3的氣罐內(nèi)裝有1kg的空氣，開始時壓強為5×10?Pa，溫度為27°C?，F(xiàn)對該氣罐進行定壓加熱，使氣罐內(nèi)空氣的體積膨脹到1m3。假設(shè)空氣可視為理想氣體，其定壓比熱容cp=1.005kJ/(kg·K)。試求：（1）此過程中空氣吸收的熱量Q；（2）空氣內(nèi)能的變化量ΔU；（3）空氣對外界所做的功W。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.B4.A5.A二、填空題6.獨立7.體積8.定容比熱容9.熱力學(xué)，體積變化10.定壓三、計算題11.解析思路：首先根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和過程特性確定末態(tài)參數(shù)。定熵壓縮過程需要利用絕熱過程關(guān)系式P1V1^γ=P2V2^γ和T1V1^(γ-1)=T2V2^(γ-1)求解末態(tài)溫度T2。然后利用ΔU=m(c_v(T2-T1))和W=ΔU-Q(定熵過程Q=0)求解內(nèi)能變化和功?；蛘咧苯永枚剡^程的能量關(guān)系W=m(c_p(T1-T2))。解：取空氣為系統(tǒng)，過程為定熵壓縮。初態(tài)：P1=1.013×10?Pa,V1=10m3,T1=300K。摩爾數(shù)n=P1V1/(RT1)=(1.013×10?×10)/(8.314×300)≈408.3mol。質(zhì)量m=nM=408.3×0.029kg≈11.84kg。末態(tài)：V2=5m3。由P1V1^γ=P2V2^γ，得P2=P1(V1/V2)^γ=1.013×10?(10/5)^1.4≈2.533×10?Pa。由T1V1^(γ-1)=T2V2^(γ-1)，得T2=T1(V2/V1)^(γ-1)=300(5/10)^0.4≈237.6K。定熵過程Q=0。cv=0.718kJ/(kg·K),γ=1.4,c_p=cv+R=0.718+8.314/29≈1.003kJ/(kg·K)。ΔU=mcv(T2-T1)=11.84×0.718×(237.6-300)≈-2999.5J≈-3.00kJ。W=ΔU-Q=-3.00kJ-0=-3.00kJ。(注意：此結(jié)果為系統(tǒng)內(nèi)能減少，外界對系統(tǒng)做功為3.00kJ)12.解析思路：應(yīng)用熱力學(xué)第一定律的絕熱系統(tǒng)形式Q_系統(tǒng)=0。對于絕熱系統(tǒng)，鋼塊放出的熱量等于水吸收的熱量，但符號相反。利用Q=mcΔT求解。注意初始條件和物質(zhì)比熱容。解：設(shè)最終平衡溫度為T_fK。對鋼塊：Q_鋼=m_鋼c_鋼(T_f-T_鋼初)=2×0.46(T_f-873)。對水：Q_水=m_水c_水(T_f-T_水初)=10×4.18(T_f-293)。絕熱系統(tǒng)：Q_鋼+Q_水=0。2×0.46(T_f-873)+10×4.18(T_f-293)=0。0.92(T_f-873)+41.8(T_f-293)=0。0.92T_f-807.66+41.8T_f-12213.4=0。42.72T_f=13021.06。T_f≈304.2K=31.2°C。Q_鋼=2×0.46(31.2-873)=2×0.46×(-841.8)≈-773.6J(鋼塊放熱)。Q_水=10×4.18(31.2-293)=10×4.18×31.2≈13021J(水吸熱)。（注意：計算中比熱容和溫度需使用一致單位，這里K與°C差值不影響結(jié)果）13.解析思路：應(yīng)用穩(wěn)定流動能量方程ΔH=Q-Ws+(ke2+pe2)-(ke1+pe1)。由于ke1≈pe1≈0，ke2和pe2需要根據(jù)動能和勢能公式計算。Ws為軸功，題目給定Q=0。單位質(zhì)量分析。解：取單位質(zhì)量工質(zhì)為系統(tǒng)，過程為穩(wěn)定流動。穩(wěn)定流動能量方程：ΔH=Q-Ws+(ke2+pe2)-(ke1+pe1)。已知：H1=3500kJ/kg,H2=2800kJ/kg。Q=0。ke1≈pe1≈0。ke2=(1/2)u2=(1/2)×502=1250J/kg=1.25kJ/kg。pe2=gz2=g×h2=9.81×10=98.1J/kg≈0.098kJ/kg。ke1+pe1≈0,ke2+pe2≈1.25+0.098=1.348kJ/kg。ΔH=H2-H1=2800-3500=-700kJ/kg。0-Ws+1.348=-700。Ws=701.348kJ/kg。(Ws為系統(tǒng)對外界做的功)（1）單位質(zhì)量凈功W_net=-Ws=-701.348kJ/kg。（2）ΔU=ΔH-Q+(ke2+pe2)-(ke1+pe1)=-700-0+1.348=-698.652kJ/kg。14.解析思路：首先根據(jù)初態(tài)和末態(tài)參數(shù)（定壓過程），確定末態(tài)溫度T2。然后利用定壓過程的熱力學(xué)關(guān)系求解。定壓過程W=P(V2-V1)，Q=mcp(T2-T1)，ΔU=mc(T2-T1)。注意單位的統(tǒng)一。解：取氣罐內(nèi)空氣為系統(tǒng)，過程為定壓加熱。初態(tài)：P1=5×10?Pa,V1=0.5m3,T1=300K。m=1kg。末態(tài)：P2=P1=5×10?Pa,V2=1m3。由理想氣體狀態(tài)方程P1V1=mRT1和P2V2=mRT2，得T2/T1=V2/V1。T2=T1(V2/V1)=300×(1/0.5)=600K。cp=1.