工程热力学期末复习题1答案

1、一、判断题： 1. 平衡状态一定稳定状态。 2. 热力学第一定律的实质是能量守恒定律； 3 .公式d u = cv d t适用理想气体的任何过程。 4 容器中气体的压力不变则压力表的读数也绝对不会改变。 5. 在TS图上，任意二条可逆绝热过程线不能相交。 6. 膨胀功与流动功都是过程的函数。 7. 当把一定量的从相同的初始状态压缩到相同的终状态时，以可逆定温压缩过 程最为省功。 8. 可逆过程是指工质有可能沿原过程逆向进行，并能恢复到初始状态的过程。 dq c 9. 根据比热容的定义式dT ,可知理想气体的Cp为一过程量； 10. 自发过程为不可逆过程，非自发过程必为可逆过程； 11. 在管道

2、内作定熵流动时，各点的滞止参数都相同。 12. 孤立系统的熵与能量都是守恒的。 13. 闭口绝热系的熵不可能减少。 14. 闭口系统进行了一个过程，如果熵增加了，则一定是从外界吸收了热量。 15. 理想气体的比焓、比熵和比定压热容都仅仅取决与温度。 16. 实际气体绝热节流后温度一定下降。 17. 任何不可逆过程工质的熵总是增加的，而任何可逆过程工质的熵总是不变的。 18. 不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率； 19. 混合气体中质量成分较大的组分，其摩尔成分也一定大。 20. 热力学恒等式du=Tds-pdv与过程可逆与否无关。 21. 当热源和冷源温度一定，热机内工质能够做出的最大

3、功就是在两热源间可逆 热机对外输出的功。 22. 从饱和液体状态汽化成饱和蒸汽状态，因为气化过程温度未变，所以焓的变 化量 h=(p A T=0 23. 定压过程的换热量qp=/pdT仅适用于理想气体，不能用于实际气体。 24. 在p v图上，通过同一状态点的定熵过程的斜率大于定温过程的斜率。 25. 压缩过程耗功是体积膨胀功，压气机耗功是技术功; 26. 供热量一定，用电炉取暖与用热泵式空气取暖耗电量一样多。 27. 渐缩喷管出口截面参数不变，背压提高，则喷管流量下降。 28. 工质在变截面管道内流动，管道的最小截面即为临界截面。 29. 对于渐放型喷管，当进口流速为亚音速时，可是气流压力升

4、高。 30. 对于未饱和空气，干球温度湿球温度露点温度。 31. 湿空气的相对湿度愈大，则其水蒸气分压力愈大。 32. 相对湿度越大则空气的含湿量越高； 33. 已知湿蒸汽的压力与温度就可以确定湿蒸汽的状态。 34. 滞止参数是工质经定熵滞止后得到的状态参数。 35. 露点温度等于空气中水蒸气分压力对应的饱和温度。 二、图示题： 1. 试在T s图上定性的表示出n=1.2的理想气体的压缩过程，并在图上用面积表 示所耗过程功w或技术功w。 解法1：过桂线如图3 22中的I-2脯示由能量方程得 - 血 ng -%叶亠你円 上1 -2 -c-b- 2- 1面和（见图3_22艺所 = % - AA =

5、知- TJ - 巧 一 丁二 g 5 6 8. 对于闭口系统，弓I起系统熵变的因素有哪些？开口系统呢？ 8答：闭口系统，由于没有物质的流动，引起熵变的主要因素为传热引起的熵流， 以及不可逆过程而产生的熵产。对于开口系，除了熵产和熵流之外还有因为物质 流动所引起的熵的变化 9 是否一切熵增过程都是自发过程？可逆过程的熵增必须为零？ 9答：不是一切熵增过程都是自发过程，例如气体的不可逆绝热压缩过程，过程 中气体的熵增大，但是这个过程不是自发过程。可逆过称的熵增不一定为零，可 逆过程的熵产为零，但熵流不一定就业为零。例如可逆定温吸热过程的熵增就大 于零。 10气体在喷管中流动，欲使超音速气流加速，应

6、采用什么形式的喷管？为什么？ 10答：愈使超音速气流加速，应选用渐扩管，因为超音速气流在减缩喷管中有 压缩的效应，只有在渐扩喷管中才能膨胀加速 11 简述制冷循环和热泵循环的异同点。 11答：相同点：原理为逆卡诺循环，将热量从低温带到高温 不同点：热泵为产热，热为有效，制冷循环要的是冷量 12.在内燃机混合加热理想循环、 定容加热理想循环及定压加热理想循环中， 提 高压缩比三都可使循环热效率提高，试从第二定律分析其原因。 12答：根据热力学第二定律，循环热效率为 t 1 T2，其中T1为循环平均吸 T1 热温度，T2为循环平均放热温度。在这三个循环中提高压缩比，均可以提高循 环平均吸热温度，而

7、平均放热温度要么不变，要么减小，所以均可使循环热效率 13蒸汽动力装置采用再热的根本目的是提高循环的热效率吗？ 13答：不是，采用再热循环的目的是为了在提高初态压力时，不引起乏气的干 度的降低，即通过提高初态压力提高热效率，而再热循环较基本循环的热效率并 不一定提高。 14. 画图分析新蒸汽参数对基本朗肯循环的热效率有和影响？ 14 答:初温对热效率的影响：初温由T1提高到T1a的Ts图。初压山和背压P2 不变，由图看到，提高初温可提高循环的平均吸热温度（由T1提高到T1a），从而提 高循环的热效率。 蒸汽初压的影响：图为保持背压 P2、初温T1不变而升高初压P1的循环T- s图。 显然，提高

8、P1可以提高平均吸热温度T1，从而提高循环的热效率。 *c丁 15. 压缩蒸汽制冷循环采用节流阀代替膨胀机， 压缩空气制冷循环是否也可以采 用这种方法？为什么？ 15答：不可以。因为空气的比热容较小，且增压比增大循环制冷系数讲减小， 故每千克空气的吸热量不多，为了提高制冷能力，空气的流量就就要很大，而节 流阀不能满足大流量的要求。 16. 如果选取燃气轮机装置理想循环的最佳增压比，是否意味着可获得最高的循 环热效率，为什么？ 16答：不是，最佳增压比是针对循环净功而言，即循环净功最大。而循环热效 t 1召 率k ，即随增压比的增高而递增的。 17简述干球温度、湿球温度、露点之间的区别。 17答

9、：干球温度：为温度计测湿空气的实际温度 湿球温度：是湿空气流过湿球时与湿球建立了热平衡后的温度 露点温度：为湿空气沿等压线 P=Pv降温至有液态水析出的温度 18.当湿空气的相对湿度 固定不变时，湿空气的温度增高，湿空气的含湿量d、 露点温度tD、湿球温度tw如何变化？ 18.答：含湿量d、露点温度tD、湿球温度tw都提高。因为Ps，而温度提高 时相应的饱和压力Ps提高，当相对湿度不变，水蒸气分压力提高，则露点温度， 含湿量提高。 计算题 1. 1kg N2在一热力过程中从初态 0.2MPa、157C变化到0.1 MPa、27C,过程 的技术功为34.94kJ/kg,周围环境温度T0=300K

10、 ；试问过程是否为可逆过程？过 程有无不可逆损失？若有不可逆损失，不可逆损失为多少？（视 N2为定比热理 R 想气体，定压比热容 Cp=1.038kJ/kg.k,气体常数 g =0.297kJ/kg.k）。 1. 解：q h Wt Cp t Wtq -100 kJ/kg 取系统与环境组成孤立系，则SisoS工质S热源 s工质=cp In 殳 Rg I-0.1678, T1p1 s热源=0.3333,则Sisos工质s热源=0.16540所以不可逆。 TTo I TSg Tg Sis。 49.64 kJ/kg。 2. 将一根即m 0.36 kg的金属投入mw 9 kg的水中，初始时金属棒的温度

11、Tm,i 1060 K，水的温度Tw 295 K，比热容分别为缶 0.42kJ/ kg K 和 Cw 0.4187kJ/ kg K，试求终温Tf和金属棒、水以及它们组成的孤立系的熵变。 设容器绝热。 2.解：由闭口系能量方程 W，取容器内水和金属棒为热力系，绝热, 不作外功，所以Q 0, U 0 , Uw Um 0 mwCw TfTwmmCm Tf Tm0 9 4.187 Tf 2950.36 0.42 Tf 10600Tf298.1。 由金属棒和水组成的是孤立系，孤立系的熵变为金属棒熵变和水熵变之和, Siso SmSW Tf |298 1 Sm mmCm In0.36 0.42 In =

12、-0.1918kJ/K Tm1060 Sw mwCwln 土 9.0 4.187 ln 298.1 = 0.3939kJ/K Tw295 SisoSmSW = 0.2021 kJ/K 3.在两个恒温热源间工作的某动力循环系统，其高温热源温度q =1000K低温热 源温度匕=300K。循环中工质吸热过程的熵变As1=1.0kJ/(kg K)-,吸热量 =980kJ/kg；工质放热过程的熵变 As2= -.02kJ/(kg K)；放热量q： =600kJ/kg。环境 温度,=300K，试求：(1)循环的热效率(2)吸热过程和放热过程的熵流和熵产; 判断该过程能否实现。 3解：(1)循环净功为 Wn

13、et qnet q1 q2980 600 =380 K 循环热效率为 wnet 380, t=38.8% q1980 (2) I、工质吸热过程 熵流为 sf1 史-980 =0.98 kJ/(kg - K) T11000 该过程熵变为S1 Sfi Sgi =1.0 kJ/(kg - K) 则熵产为Sg1S1 Sf1 1.0 0.98=0.02 kJ/(kg - K) U、工质放热过程 熵流为Sf2兰 600 = 2 kJ/(kg - K) 300 该过程熵变为 S2 Sf2 Sg2 = -.02 kJ/(kg - K) 则熵产为Sg2 S2 Sf21.02 ( 2) =0.98 kJ/(kg

14、- K) (3)由上面结果得 (可任选I、U之一进行判断，) I、工质吸热过程有 S1彳，既能实现 T1 工质放热过程有S2 笑，既能实现 T 2 U、也可以用循环熵增 s qs1.0 1.02 0.02 0 即还是能实现 4. p。= l.OMPa, to =20oC的空气可逆绝热流经渐缩喷管，在喷管截面F为0.003平 方米处的气流马赫数为0.7,若背压为0.25MPa，试求F截面处空气的温度及流速， 喷管出口截面积A2及空气出口流速，空气比定压热容为 c p=1004J /(kg K)。 4.解：在截面F处，面积AF=0.003m2，由题意可逆绝热流动，得截面F处的气 流速度为: .2(

15、h。 hF).,2Cp(T0 Tf) 当地音速为： C 、k尺Tf 由马赫数的概念: Ma c； JAC： 1) Cf,F 因此 Tf To293 2 k 12 1.4 1 八 (Ma 1)(0.71) 267K 因此，截面F处的气流速度为: Cf,F c Ma . kRgTF Ma 0.7 J.4 287(J/kg.k) 267 229.3m/s T 267 出 由可逆绝热流动过程得: pF p0(芒1 1 (-)1.4 1 0.722MPa Vf RTf Pf 287(J/kg.K) 0.722MPa 0.106m3/kg 因此流量为：qm 2 0.003m229.3m/s 0.106m3

16、/kg 考虑出口截面参数: 293 (哼 1 1.4 1 1.4 244K 6.49kg/ s Pcr 0.528 P00.528MPa0.25MPa 因此，在出口处的参数为：p2 pcr 0.528MPa 0.133m3/kg 313.7m/s 0.0027m2 v2 RgT2 287(J/kg.K) 244K vP0.528MPa C f,2 ,2(ho h2)2Cp(To T2) 由连续性方程可知各截面流量应相等，因此 3 A q26.49kg/s 0.133m /kg Cf,2313.7m/ s 5 活塞压缩机每分钟转速360转，从环境吸进21 T的空气14厂将之压缩到0.52 MPa

17、输出。设压缩过程为可逆多变过程，多变指数为1.3,压缩机容积效率n=0.95。 求:(1)所需输入压缩机的功率；(2)余隙容积比及活塞排量。空气作理想气体 ， 比热容取定值；空气气体常数 ；=287J/(kg K)、=1005J/(kg K)、环境大气压 pb=0.1013 MPa。 n 1 wc RgT1(-P)_1 n 1p1 1.3 1.3 1 0.287 (273 21)( 1.3 1 0.52) 1.3 0.1013， 1 =167.8 kJ/kg 5解：(1)由压缩机多变过程压缩功计算公式得 压缩机空气质量流量为 V nr g- v1 60 p1V nr g RgT1 60 O.1

18、013 14 360=1.0085 kJ/kg 0.287 (27321) 60 压缩机的功率为 ? P mgwc 1.0085 168.7=169.1 kJ/kg (2)由余隙容积比与容积效率的公式 1 Vh Vc p2 1 J(R)n p1 Vh 1 得余隙容积比 Vc1 v Vhp2 (分1 P1 活塞排量为 1 0.95 (0.52 十 (0.1013) -=0.02 1 Vh 出=14.74 m3 V 0.95 6空气初始状态，p仁O.IMPa , t1= 20C，经三级压缩，压力达到1OMPa,设进 入各级汽缸时的空气温度相等，多变指数均为1.3,各级中间压力按压气机耗功 最小原则

19、设计。如果产气量为每小时200kg，求： （1）各级排气温度及压气机的最小功率； （2）多级改为单级，多变指数不变，求压气机耗功和排气温度。 6.解：由题意得，压气机耗功最小原则设计情况下，各级压力比应该相等，且 3P1 3 10MPa 0.1MPa 4.64 循环的放热量：q2 cv T4 T1420.22KJ /kg 由进入各级汽缸时的空气温度相等，得 n 1n 1 T2 T3 T4 T (昔尸 T1( i 尸 P 1.3 1 (273 20)(4.64严 417.7K 各级耗功相等，因此压气机耗功等于各级耗功之和: PC zFC,jzqmWc,jzqm 25.8kW 单级压缩排气温度：

20、10MPa 0.1MPa n 1 n 100 848K Pc qm7RgT1(1 n 1 予 2001.3 0.287 293 (1 3600 1.3 1 1 31 100)38.4kW 1.3 7 某定容加热活塞式内燃机理想循环的p-v曲线如图所示。设其工质为空气， 质量为1kg，已知p1=1bar,t1=25C， =vV2=5,定容过程中加入热量 q1=800kJ/kg， 空气的气体常数为 Rg=0.287kJ/（kg K），比定容热容Cv=0.718 kJ/（kg K），等熵 指数丫 =1.4。（1）在T s图上表示该循环；（2）求出点2、3、4的p、v、T参 数；（3）求循环的净功量和

21、循环热效率。 因为Vl 5 ,所以v2=vi/5=0.17105m3/kg,因为1-2过程为绝热压缩，所以有: V2 P2 Pi V1 V 9.518* 105pa , T2 堅 567.27K Rg V2=v3=0.17105m3/kg,定容过程的吸热量 q1=cv(T3-T2), T2=1681.48K, P3 V3 28.213*105 pa 5 2.964 10 pa v1 v4 0.85526m3/kg, 3-4 为等熵过程，P4P3 3 v4 T4 罟 883.27K 循环的净功量：w=qi-q2=379.78kJ/kg, 循环热效率：t 0.475 qi 8. 内燃机混合加热理想

22、循环的p V如图所示。已知 pi=97kPa, ti=28C, Vi=0.084m3,压缩比 S2 0.64907kJ/(kg.K), S2“8.1481 kJ/(kg.K)，所以 2点位于湿蒸汽区，则X2邑仝0.843 S2 S2 同理 x7S7 S5 = 0.979，贝U h2x2h2 (1 x2)h2，= 2302.38 kJ/kg, S7 S5 h7x7h7 (1 x7)h5 = 2704.3 kJ/kg ,3 点：h3h2191.76 kJ/kg , s3s20.64907kJ/(kg.K) dh4 1 h7h511 h5h314 = 0.1785 h7 h4 5 点：P01 0.5 MPa, h5 640.35 kJ/kg; 7 点：p010.5MPa,2704.3 kJ/kg 则循环吸热量q1 h1 h5二 二 3300.9-191.76= 2660.55 kJ/kg 循环放热量 q21 1 ( h2 h2) 1733.87 kJ/kg 净功量Wnet q net h1 h2 3657-2276= 1381 kJ/kg 循环热效率：t 1亚40% Q1 10. 一简单朗肯循环，已知新蒸汽的参数为p1 6 MPa , t1600 C , s h13657 kJ/kg, q 7.161kJ/ kg K，冷凝