上海理工大学工程热力学五套试卷及答案.pdf

1 工程热力学工程热力学 模拟模拟试卷试卷 一一 一、一、 问答题：（每题问答题：（每题4分分, ,共共4040分）分） 1工质从同一初态绝热膨胀到相同容积，其中之一是可逆过程，另一为不可逆过程， 则 可逆过程的终温与不可逆过程的终温何者高？为什么？ 答答：不可逆过程终温高，从 T-S 图上可以看到， T2实T2，由于不可逆摩阻产生热量使其 终温上升。 2试判别下列说法是否正确，并说明为什么? 不可逆过程无法在Ts图上表示，但能计算其熵变量。 由于工质经历一不可逆循环，所以 ds必大于零。 答答： （1）正确。不可逆过程只能在T-S图示意出初终二态，但是能根据初终二态计 算其熵变量。 （2）不正确。经历一循环，ds=0，因为熵是状态参数。 3试在P-V图和TS图上画出四种基本热力过程的过程曲线的位置，画出自点1出发的 下述过程的过程曲线，并用斜线画出其变化的范围: (1)工质膨胀、升压；（2）工质压缩、降温、降压。 4、某闭口系经历一过程后，其熵变为30KJ/K，在此过程中系统从300K的热源吸取热 量 8000KJ，问此过程是否可逆?为什么？ 答答：因为经历一过程，Sf = 8000 26.67/ 300 Q kJ k T = ， 30/ fg SSSkJK= += ， 则 3026.673.33/0 g SkJ k= ，所以属不可逆过程。 2 5 用热力学能和温度作为独立变量来描述气体状态，是否适用于任何气体？为什么？ 答答：不适用。用u、T作为独立变量适用于实际气华，对理想气体，则u=f(t)是依变函 数，所以不适用于理想气体。 6何为动力循环热效率？写出用状态参数表示 的蒸汽朗肯循环热效率计算式。 答：答：动力循环热效率 t = 净功 吸热量 ， 124312 1413 ()() t hhhhhh hhhh = （忽略泵功，h3=h4） 7在给出的TS图中，用面积表示出不可逆空气压缩制冷循环1-2-3-4的吸热、放热 和耗功。 答答：吸热量 4-1-c-b-4 T 放热量 2-3-a-d-2 2 耗功量=放热量吸热量 =两面积之差 3 1 4 S a b c d 8已知湿空气中水蒸汽处于过热蒸汽状态点a,试在T-S图上示意出表示对应状态点a的 水蒸汽饱和分压力PS和露点td。 9卡诺逆循环是制冷循环与热泵供热循环的理想循环。试在TS图上把两者表示出 来，并写出供暖系数和制冷系数的表达式。 答：答： T T1 T环 T2 S 3 制冷系数： 2 2 -T T T = 环 ； 热泵供热系数： 1 1 T TT = 环 10说明影响物体受潮的因素是空气的相对湿度还是绝对湿度？ 答：答：是空气的相对湿度，越大则越潮湿。 二、二、 计算题（每题计算题（每题15分分, ,共共6060分）分） 1温度为20，压力为1105Pa的空气在一绝热压气机中压缩至3105Pa，其流率为 2kg/s，测得出口气温为147，试计算压缩机的理论耗功率、实际耗功率及压气机 的绝热效率，并将压缩过程表示在T-s图上,用面积表示出该压缩过程所引起的作功 能力损失（火用损失）。(空气Cp=1.004kJ/kg.k，K=1.4,.环境温度T0293K ) 解解：理论耗功率： 1 0.2857 2 21 1 3 ()293 ( )401 1 k k TTk = ， 21 =()2 1.004 (401 293)216.9 cp WmC TTkw= 理 ， 实际耗功率： =.0-= c W 实 2 1 04（420 293 ）255kw ， 压缩机热效率： 216.9 =0.85 255 c cs c W W = 理 实 2. 水蒸汽进入一缩放喷管作等熵流动,其进口参数p1=2010 5Pa，t 1=260，出口截面 水蒸汽压力p2= 4105Pa，流经喷管的质量流量m=1kg/s。若忽略进口流速，试确定喷 管的出口流速和出口截面积。 由水蒸汽表可查得h1=2927.9kJ/kg，s1=6.5941kJ/kg。亦可查得压力为 4105Pa时饱和水和饱和蒸汽参数ts=143.62，v=0.001084m3/kg，v“=0.46242m3/kg， h=604.7kJ/kg，h“=2738.5kJ/kg，s=1.7764kJ/kg.K，s“=6.8966kJ/kg.K。 解解: 33 212 2() 102 (2927.92610.5) 10797 f m chh s = ， h2 由(1 ) “x hxh+ 得， 其中 6.5941 1.7764 0.94 6.8966 1.7764 x = ， 即： 2 (1 0.94) 604.70.94 2738.52610.5kJh kg =+= ， 3 2 (1) “0.06 0.0010840.940.462420.43474mxx kg =+=+= ， 则有： -422 2 2 2 0.43474 5.45 10=5.45 797 f m Amcm C = 3.某绝热容器被不占有容积的绝热隔板分成充有空气的A、B两部分，已知VA=5m3， VB=2m3，tA=70，tB=50，PA=7105Pa，PB=10105Pa。先抽出隔板使A、B 4 两部分空气混合；然后拿去绝热层，允许容器内空气和环境换热。试计算容器内最 终压力及整个过程引起的熵产。(Rg=0.287kJ/kg.K，Cp=1.004kJ/kg.K, t环境=20) 解解： 5 7 105 35.55 287 (70273) AA A A PV mkg RT = + ， 5 10 102 21.57 287 (50273) B mkg = + ， 绝热混合： B =0(- )(- )=0 AAB umttmtt+ 混混 ， ， 解得t绝热混合=62.45； =RTp Vm 终终终终 ， 5 AB .5 +.7 P =6.86 10 V +V5+2 Pa AB环境 终 （m +m ）RT（35 5 21 5）287 293 ； A1 S=ln T v BB TpTpQ pTpT 终终终终 ApBp孤立 环境 m (C ln-Rln)+m (C-Rln)+ A1 =ln T BB TpTp pTpT ABv终终终终绝热混合环境 ApBp 环境 （m +m ）C (T-T) m (C ln-Rln)+m (C-Rln)+ 2936.862936.86 =35.55.0.2 34375.48132310 0.717 293 (1 04 ln-0 87 ln)+21.57 (1.004 ln-0.287 ln)+ （35.55+21.57）(62.45-20) =0.738kJ/k (气体不需计算分压力) 可用能损失： =293 0.783=216.2kJ 4. 空气进入压缩机的温度为263K，进入膨胀机的温度为303K。该制冷机的制冷系数 为工作于上述两个温度之间卡诺制冷机的制冷系数的三分之一。现用该制冷机将 25的水制成15的冰，每小时制冰1000kg。试问该制冷机所需功率为多少？ （冰的融解热=335kJ/kg，比热为2.01kJ/kg.K；水的比热为4.18kJ/kg.K） 解解： 263 6.575 303263 c = ； 0 1 =2.129 3 c c Q W = ； 0 ()1000 (1.004 25+335+2.01 15) p Qm CTC T=+= =469800 130.5130.5 kJkJ kw hs = 0 130.5 59.5 2.129 c Q Wkw = AB 绝 热 隔 板 绝热层 工程热力学工程热力学 模拟卷模拟卷二二 一、一、 问答题：（每题问答题：（每题4分分,共共40分）分） 1图所示从 a 点开始有两个可逆过程，定容过程 ab P b 和定压过程 ac,且 bc 两点在同一条定温线上，试问吸 热量 qab与 qac哪个大？uab,与 uac, sab与sac哪 V T 个大？ a P c 答答：将相应过程表示在 T-S 图可得 V ,() abacvp qqCC 可行（熵流=0），为不可逆过程。 3空气经喷管作定熵运动，已知进口截面上空气参数为 p1=7105Pa,t1=947， 出口处压力 p2为 5105Pa。质量流量 qm=0.5kg/s,试选择喷管外形，计算出口截面 上的流速，及出口截面积。 设 Cp0=1.004kJ/(kg.k),R=0.287 kJ/(kg.k),k=1.4。Vcr=0.528 解解（1）pcr=0.5287105=3.696105pa ， 从图可看到，前者 1 T最高， 2 T最低，最大 8试在T-s图上表示出水蒸气理想朗肯循环，并 以热力学状态参数焓h表达该循环的净功w， 吸热量Q1，放热量Q2以及热效率t。 答答：114 ()Qm hh=， 223 ()Qm hh=， 1243 114 ()() t w hhhh Qhh = 忽略泵功： 12 113 () t w hh Qhh = 9. 压气机采用什么压缩过程最为经济？为了达到这一目的应该采取什么措施？ 答答：采用等温压缩最为经济；可采用多级压缩、中间冷却的措施。 10.湿空气中的水蒸气处于状态A。试在p-v图及Ts图上标出该湿空气的露点td及等 温加湿达到的饱和点S。 答答：由图所示td点和s点。 二、计算题（每题二、计算题（每题1515分分, ,共共6060分）分） 1. 初态为410 5Pa，250的空气绝热流过一个喷管。已知背压为1105Pa，质量流 量为4kg/s，喷管效率为0.96。试求：(1)喷管的类型；(2)出口流速;(3)喷管出口 截面积。 (空气Cp= 1004 Jkg.K, Rg0.287 kJ/kg.K, K=1.4，临界压比cr=0.528) 解解：由,选用缩放管； , 实际速度, 代入流速公式解得 ， , 。 2. 1kg空气由P11105Pa，T1400K定温压缩到终态，P2=10105Pa，过程中气 缸壁和T0300K的环境换热。在下述两种情况下，计算气体的熵变、环境的熵变、气 体和环境组成的系统的总熵变化以及作功能力损失： 、气体经历了一个可逆等温压缩过程； 、气体经历了一个不可逆等温压缩过程，该过程中实际消耗的功比可逆等温 压缩的耗功多25。（已知空气的Rg0.287 kJ/kg.K）。 解解：(1) 可逆等温膨胀终压：, , 气体的熵变， 环境的熵变 ， ; (2) , , 。 3.有人声称设计了一整套热设备，可将65的热水的20变成100的高温水，其余80 的热水由于将热量传给温度为15的大气，最终水温也降到15。你认为这种方案 在热力学原理上能不能实现？为什么？若能实现，那么65热水变成100的高温水的 极限比率为多少？（水的Cp=4.18kJ/kg.k） 解解： =0.0823-0.5353+0.4789=0.029kJ/k 0,则方案可能； 设极限比率为x，令 ， , 解得x=0.3。即极限可将65热水的30变成100的高温水。 4.某氨蒸汽压缩制冷系统，已知进压缩机时为饱和干蒸汽，其焓值h1=1570KJ/kg，经绝 热压缩后h2=1725kJ/kg，经冷凝器放热为饱和液体，其焓值h3=450kJ/kg，制冷量为1.5 10 5kJ/h。试求:（1）.氨的循环流量,（2）.制冷系数,（3）.冷却水流量（已知冷却 水经氨冷凝器后温度升高10，水的定压比热CP=4.18KJ/kg.k）（4）.将过程表示在 lgp-h图。 解解：(1)单位工质吸热量q0=h1-h3=1570-450=1120kJ/kg (2)制冷系数 , (3), =4085kg/h=4.085m 3/h 。 (4)如右图所示。 工程热力学模拟试卷四工程热力学模拟试卷四 一、一、问答题问答题（每题每题 4 4分，共分，共4040分）分） 1.PdV和-VdP各表示什么功量？若系统的过程方程式为PV n=C,则上述两者之间存在什么 定量关系？ 答：PdV表示可逆膨胀功W，-VdP可逆技术功Wt。若，则-VdP=nPdV。 2.亚音速空气流流过渐缩喷管，如果初压、背压和喷管尺寸均无变化，只是提高了初温， 试问喷管出口的气流速度有无变化？为什么？ 答：气流速度有变化，将增大，提高初压，相应地提高了其作功能力。 3.水蒸气的定温过程中，加入的热量是否等于膨胀功？而定容过程中的加热量是否等于其 热力学能的增量？为什么？ 答：由：。水蒸气传递过程， 加入热量不等于膨胀功， 而：定容过程，则，加入热量等于热力学能的增量。 4.图示由三直线构成的循环需几个恒温热源？试与同 温限下的卡诺循环热效率作比较.。 答：2-3过程温度变化，可逆换热需要无穷多热源。 3-1为等温发热过程，需要一个恒温热源。 。 。 或 。 5.熵增大的过程必为不可逆过程，熵增大的过程必为吸热过程。这两种提法是否正确？为 什么？ 答： 不一定，熵增大也可以是可逆吸热过程。 不一定，熵增大也可以是不可逆绝热过程。 6过热蒸汽的温度一定高于湿蒸汽的温度，对吗？为什么？ 答：不一定，t大于相应压力p下的饱和温度ts为过热蒸汽。若P1较低则ts1较低，此时大 于ts1的过热蒸汽温度可以小于相应压力P2较高的湿饱和蒸汽温度ts2。 1 2 3 T s 7.若含湿量一定时，湿空气的温度愈高，则相对 湿度也愈大。这种说法是否正确？为什么？ 答：若含湿量d一定，温度越高相对湿度就越小， 从h-d图上可以看到。 8.空气在绝热管道内流动，若已知截面a处和截面b处空气的压力和温度，能否判断气体是 由a流向b，还是由b流向a？为什么？ 答：可通过设ab，计算，若，则假设成立，若， 则应从ba，因为是不可能过程，熵增原理也可以说是方向性规律。 9.工质经历不可逆循环后，是否,为什么？ 答：不可逆循环，克劳修斯不等式，所以，状态参数闭路积分等于零。 10.活塞式压气机采用多级压缩、中间冷却的优点 是什么？试在 Ts图上示意画出二级压缩中间 冷却压气机的过程曲线。 答：可降低功耗和排气参数，提高压气机容积效率， 1-2,3-4为压气机二级压缩，2-3为中间冷却过程。 二、计算题（每题二、计算题（每题1515分，共分，共6060分）分） 1、某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的焓值h1=290kJ/kg，经压缩 后，空气升温使焓值增为h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以C2=20m/s的速度 进入燃烧室，在定压下燃烧，使每公斤空气吸入热量q=670kJ/kg，燃烧后燃气进入喷管绝 热膨胀到状态3，h3=800kJ/kg烟气，流速增加到C3此燃气推动转轮回转作功，最后离 开燃气轮机的速度C4=100m/s。求： 若空气流量为100kg/s,则压气机消耗 的功率为多少？ 若燃料的发热值q=43960kJ/kg，燃料 的耗量为多少？ 燃气在喷管出口处的速度C3是多 少？ 燃气轮机的功率为多少？（假设在叶轮中无压降） 燃气轮机装置的总功率为多少？ 解： （1） （2） （3） （4） （5） 2. 0.5kg空气初态P1=510 5Pa, T 1=340K, 在闭口系统中进行绝热自由膨胀，其容积变为原 来的3倍。试：(1)在T-s图上示意出该过程；(2)求P2，T2，W，U，H，和S。(空气Cp= 1004 Jkg.K, Cv= 717 Jkg.K, R= 287Jkg.K) 解：。 看理想气体 （或） 3. 初态为410 5Pa，250的空气绝热流过一个喷管。已知背压为1105Pa，质量流量为 4kg/s，喷管效率为0.96。试求：(1)喷管的类型；(2) 出口流速；(3) 喷管出口截面积。 (空气Cp= 1004 Jkg.K,K=1.4，临界压比cr=0.528) 1 2 3 3 4 解：(1) 采用缩放喷管， (2) (4) 4. 某蒸汽动力循环由绝热膨胀，等压放热、绝热压缩、等压加热等过程构成，其各点的 状态和参数列于附表。试求：（1）在Ts图上画出该循环并标上状态点编号；(2 ) 计 算各项功量、热量及循环效率； （3） 说明该循环是否理想朗肯循环，为什么？ 点 状态 t p 105Pa h kJ/kg s kJ/kg.K 1 过热蒸汽 500 70 3408.9 6.7934 2 湿蒸汽 41.5 0.08 2297.8 7.3415 3 饱和水 41.5 0.08 173.9 0.5926 4 未饱和水 42.2 70 182.8 0.5983 解：（1） （2） （放热） （3）不是的，绝热膨胀和绝热压缩均为不可逆过程熵增大。 1 工程热力学工程热力学模拟模拟试卷试卷五五 一问答题（每题一问答题（每题 4 4分，共分，共4040分）分） 1定容过程中的热量等于过程终态和初态的内能差值。这个结论适用于什么工质？与 过程的可逆与否有无关系？为什么？ 答：适用任何工质，与过程可逆与否无关，因为是从能量方程直接求得。 2选择渐缩或缩放喷管的原则是什么？ 答：当 时，采用渐缩喷管。 当 时，采用渐缩渐放喷管。 3工质经历一可逆过程和一不可逆过程，均从同一初态出发，且两过程中工质从同一 热源吸收相同热量，可逆过程的终态熵将大于、等于还是小于不可逆过程的终态熵？为 什么？ 答： 。 4.过热蒸汽区为何没有定干度线，湿饱和蒸汽区为何没有标出定温线？若已知湿蒸汽的 压力为P，如何查得它的温度t？ 答：过热蒸汽区水蒸气全部为干蒸汽，所以没有干度x线，湿蒸汽区域定压线即为定温 线，这时湿饱和压力与饱和温度为依变函数，所以没有标定温线。 若已知湿蒸汽p对应的饱和温度 即为所查的温度t 。可直接查饱和水蒸气和饱和水表， 或查h-s图，湿定压线交于x=1的干饱和蒸汽处对应的等温线即为所查温度 。 5蒸汽再热循环中，蒸汽再过热的主要作用是什么？是否任何条件下再过热都有好 处？为什么？并将此循环表示在Ts上。 答：蒸汽再过热主要目的是提高汽轮机出 口乏汽干度，并非任何条件下再过热都有 好处，当压力取得过低，使附加循环 的平均吸热温度小于原朗肯循环平均吸 热温度，则反而下降。 题5图 2 6如图所示，12、43为等容过程，23、14为等压过程，则此时q123、q143何者为大？ 答：将过程表示在T-S图，可得,1-2-3下所围面积为吸热量 大于 1-4-3所围面积的吸热量 7某闭口系统经历一过程后，其熵变化为30kJ/K，在此过程中，系统从300K的恒温热 源得到热量7200kJ，问该过程是否可逆？为什么？ 答： 8试述影响理想气体比热容的因素及如何应用平均比热容计算换热量。 答： 9.用T-S图来说明蒸发温度的高低对蒸汽 压缩式制冷循环制冷系数的影响。 答：由T-S图可知，随着温度的下降， 也随之下降。由卡诺循环， 随 10湿空气被冷却到露点温度,空气为饱和状态,若继 续冷却,将有水蒸汽凝结析出,达到冷却去湿的目的。 请将该过程示意在湿空气的h-d图上。 答：湿空气板冷却到露点温度，空气为饱和状态，若继 续冷却，将有水蒸汽凝结析出，达到冷却除湿的目的。 h-d图上所表示的1-2过程为冷却除湿过程。 p v 2 3 1 4 题 6 图 3 二、计算题（每题二、计算题（每题1515分分, ,共共6060分）分） 1有一个容器，用隔板将其分为A、B两部分。A的容积为3m3，其中有压力为 7105Pa，温度为17的空气，B的容积为1m3，内为真空。现将隔板抽去，使A、B连 通。若整个过程中空气和外界不发生热交换，试计算过程前后