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。dqc 二9. 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. 在管道内作定熵流动时，各点的

2、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功就是在两热源间可逆 热机对外输出的功。2

3、2. 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=(pA T=023. 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，可是气流压力升高。30. 对于未饱和空气，干球温度湿球温度露点温度。31.

4、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wt解法过程线如图3 22中的1-2所示°由能量方程得W 务 _ 担Cv（ 7 2 - 丁 J =-C （ T2 - T ）=叶 _才-Cb a-2-l 面积（见图 3 - 22a 所示）把严 - M = qtI - °门

5、_）二 £ _ 勺丁3 _ 门）二 £ _ t 二1-2-/-2-1面积（见图3 曲所示）定容线2. 试将满足以下要求的多变过程表示在 p-V图和T-s图上（先标出四个典型过 程）：（1） 工质膨胀、放热；（2）工质压缩、放热且升温丹=上科=8W = QQ3. 将满足下列要求的理想气体的多变过程表示在 pv图、Ts图上1) 工质升温、升压、放热；2) 工质膨胀、降温、放热。4.在p-v图及T-s图上画出空气的n=1.2的膨胀过程1-2和n=1.6的压缩过程1-3,并确定过程1-2和1-3中功和热量的正负号及初终态热力学能的大小1-2过程功为正，热量为负，初态热力学能大于终态

6、热力学能1-3过程功伟负，热量为正，初态热力学能小于终态热力学能5 .在T-s图上画出下面两各热力过程：1) k=1.4的空气，多变压缩过程 n=1.325;2) n= 0.92的吸热过程。ii6. 画出单级活塞式压缩机将空气由相同初态，分别经定温压缩、定熵压缩和多变 压缩过程达到相同的终态压力的 p-v，T-s图，并说明其耗功量的大小关系。wswnwTrlii7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图混合加热:7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图定容加热:7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、T

7、s图定压加热:7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图8.在T-s图上画出采用再热的郎肯循环循环图，并定性说明再热循环对循环热效 率的影响。答：如果附加部分的效率高，则再热循环效率会提高，中间压力p提高，会使t提高，但此时对干度X2的改善较小9.画出蒸汽压缩制冷系统的T-s图，并说明各个过程是在哪个设备中完成的。答：1-2过程，压气机中完成；2-3过程，冷凝器中完成；3-4过程，节流阀中 完成；4-1过程，蒸发器中完成。三、简答题：1 绝热刚性容器用隔板分成 A、B相同的两部分， A侧充满空气，B侧为真空，分析突然抽掉隔板 后气体的状态参数（热力

8、学能、焓、熵）如何变 化？2.平衡状态与稳定状态有何区别和联系， 平衡状态与均匀状态有何区别和联系？3 绝热过程是定熵过程吗？多变过程是任意过程吗？4如图所示的电加热装置，容器中盛有空气，并设有电阻丝，试问取什么为系 统，系统与外界交换的是热量；取什么为系统，系统与外界交换的是电功；取什么为系统，系统与外界没有任何能量交换。日舂c5热量与功有什么相同的特征，两者的区别是什么？5. 答：热量和功都是能量传递的度量，它们都是过程量。只有在能量传递过程中 才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程也就没有功和热量。区别：功是有规则的宏观运动能量的传递，在做功过程中往往伴随着能量形 态的变化，热量则是大量

9、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。功转化成热量是无条件的，而热转变成功是有条件的。6为什么T-s图上过同一点的气体的定容线要比定压线陡一些？6. 答：在定容线上dT ，而在定压线上dT ds CVds CP7. 工质在压力pl下被吸入气缸，可逆压缩至p2(p1vp2)，然后排出气缸，试在 p v图上表示出此工作过程的膨胀功和技术功，并说明技术功和膨胀功之间的 关系。7答：其1-2-3-4-1为技术功wt1-2-5-6-1为膨胀功w (pv) = S w- S Wt8. 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

10、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

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.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=1L，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

12、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T1对热效率的影响：初温由T1提高到T1a的Ts图。初压5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P1可以提高平均吸热温度T1，从而提高循环的热效率。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

13、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1rzr二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：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

14、高，湿空气的含湿量d、露点温度tD、湿球温度tw如何变化？pv18.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 ；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 二

15、h Wt 二 Cp ：t Wt = q =-100 kJ/kg取系统与环境组成孤立系，则-Sis。-工质；=S热源T2p2：s工质=cp ln Rg In - =-0.1678,T1p1's热源= 半= 0.3333,则LSjso =：s工质"=s热源=0.1654>0所以不可逆。I - TqSg - T-Siso - 49.64 kJ/kg。2. 将一根即m= 0.36 kg的金属投入m9 kg的水中，初始时金属棒的温度Tm,i =1060 K，水的温度Tw = 295 K，比热容分别为cm二0.42kJ/ kg K 和Cw =0.4187kJ/ kg K，试求终温T

16、f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U二Q-W，取容器内水和金属棒为热力系，绝热，不作外功，所以Q = 0，W =0则厶U =0，厶Uw =Um "mwCwTf-TwmmCmTf-Tmi=09 4.187 Tf -2950.36 0.42 Tf -1060 =0= Tf =298.1。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 =上Sm ' LSwT298 1Sm 二mmCmln=0.36 0.42 In -0.1918kJ/KTm1060Sw =mwCwln土 =9.0 4.187 In 29

17、8.1 = 0.3939kJ/KTw295:Sis。m Sm：SW = 0.2021 kJ/K3. 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=1000K低温热源温度- =300K0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)；放热量阴=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； (3)判断该过程能否实现。3解：(1)循环净功为Wnet = qnet = q1 q2 =980 -600 =380 K循环热效率为Wnetq1

18、380980=38.8%(2)I、工质吸热过程熵流为 sf1 =史二-980 =0.98 kJ/(kg - K)T11000该过程熵变为 g 中1 sg1=1.0 kJ/(kg - K)则熵产为 知=$ - Sf1 =1.0 -0.98=0.02 kJ/(kg - K)u、工质放热过程-q2600熵流为Sf2=2 kJ/(kg - K)T2300该过程熵变为 g 二 Sf 2 +Sg2 = -.02 kJ/(kg - K)则熵产为 Sg2 = ；S2 _Sf2 二T.02 _(_2)=0.98 kJ/(kg - K)(3)由上面结果得(可任选I、U之一进行判断，)I、工质吸热过程有彳，既能实现

19、T1工质放热过程有=s，既能实现T 2U、也可以用循环熵增二s - ：$ :二勺=1.0 一 1.02 二 0.02 ： 0即还是能实现4. P0 = 1.0MPa，t0 =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)。2凳（T。-Tf）k 一14. 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：Cf,F 二,2（h。- hF）二,2Cp （T0 -Tf ）二当地音

20、速为：C = JkRjFc由马赫数的概念：Ma 兰k -1 Tf因此TF二Tq293（Ma2 宁 1） （0.72 号 1）1.4因此流量为：qm二v学二邂匕屮乜低口彳PF0.722MPaAFcf,F0.003m2 229.3m/sVF0.106m3/kg- 6.49kg/s因此，截面F处的气流速度为:Cf,F 二 c MakRJF Ma =0.7 x 1.4 287（J/kg.k） 267 = 229.3m/sT 267 T。由可逆绝热流动过程得：PF洱日一 1 (莎产“722考虑出 口截面参数：Per =0.528 Po =0.528MPa 0.25MPa因此，在出口处的参数为：p2 =p

21、cr =0.528MPak 40 528 1.4-1k -293 H5-） 1.4 =244Kv2=RT2/87(J/kg.K) 244K“133m3/kgP20.528MPaC f ,22(h)h)2Cp (T。-"T?) = 313.7m/s由连续性方程可知各截面流量应相等，因此3.q26.49kg/sx0.133m /kg2A 20.0027m2Cf ,2313.7m/ s5 活塞压缩机每分钟转速360转，从环境吸进21 T的空气14：；将之压缩到0.52MPa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

22、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/(kgK)、. =1005J/(kg K)、环境大气压島Ifpb=0.1013 MPa。5解：(1)由压缩机多变过程压缩功计算公式得n彳C1.3wc 二丄Rg( 土)-1-0.287 (273 21)( 0.2 )市-1=167.8 kJ/kgn 1p11.3 10.1013压缩机空气质量流量为V I nrp1Vv I nr mv1 60空 O.1013 14 360=1.0085 kJ/kgRgT1 600.287 (27321) 60压缩机的功率为P =mjwc =1.0085 168.7=169.1 kJ/kg(2

23、)由余隙容积比与容积效率的公式1加 VVcp2 -V1()n -1Vh Vhp1得余隙容积比Vc _1 - VVh p2 -(分-1P11-0.95? =0.02 (°52 产 0.1013活塞排量为Vh 丄 14nv=14.74 m30.956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

24、计情况下，各级压力比应该相等，且:i3 P4=3 p10.1MPa10MPa =4.64循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg由进入各级汽缸时的空气温度相等，得nn .1T2二T3二T4订（£尸订（门尸P1.3 J= (273 20)(4.64)417.7K循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg各级耗功相等，因此压气机耗功等于各级耗功之和:n-1Pzjzqmwczqm石 Rg(J25.8kW单级压缩排气温度：咤=10。0.

25、1MPan =848Kn2001 3131Pc =qmRgTM1-二 n）0.287 293 （1 -100） =38.4kWn -13600 1.3-11.37 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=25°C，£ =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）求循环的净功量和循环热效率。循

26、环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg7解:(2)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:V2P2 二 Pi= 9.518* 105pa ,T2 二空=567.27KRg循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kg循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kgV2=V3=0.17105m3/kg,定容过程的吸热量 q1=Cv(T3-T2),T2=1681.48K, pRgT3 =28.213*105 pa5= 2.964 10 paV3v1 =v4 =0.85526m3/kg，3-4

27、为等熵过程, 老=883.27K循环的净功量：w=qi-q2=379.78kJ/kg,循环热效率：t=W =0.475qi8. 内燃机混合加热理想循环的p V如图所示。已知 pi=97kPa, ti=28°C,Vi=0.084m3,压缩比 & =15, p3=6.2MPa, t4=1320C,工质视为空气。试计算：(1) 循环中各过程端点的压力、温度和体积； 循环热效率；(3)同温度范围的卡诺 循环热效率。已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg K)，比定容热容 6=0.718kJ/(kg K)，等熵指数 丫 =1.4。V8答：有状态方程可得m =空 =0.094kg

28、RgT1由题得 1 点：口 =97kPa T1 -301K 由 pv' p&T) pV n&Tv ° =const得2占：V1P2 =() P1V2=151.4*97 =4.3MPaTT1(-L/-889KV3占：p3 = 6.2MPaT3 二旦T2 =1282KP24占. 八、T4 =1593Km Fg Tjv40 . 0 0t7p循环的放热量：q2 二 cv T4=420.22KJ /kgT5P5V5594.7K mRg5 点：P5 =(Vlf Jp0.191MPa v?吸热量Q1和放热量Q2如下:Qi =Cv(T3 -T?) Cp(T4 -丁3)= 59

29、43.73kJQ2 -Cv(Ts -飞)=210.9kJ=1=64.5% Q?相同温限间卡诺循环热效率为:k = 1 丄=80% kT?9. 某蒸汽动力装置采用一级抽气回热循环， 已知新蒸汽的参数为P1=6MPa, t 450 C, h =3300.9kJ/kg, q =6.7179kJ/ kg K 抽气压力为 P01 =0.5MPa,冷 凝器内压力为P2=10kPa,忽略水泵功，相应的水蒸气参数如表 1所示。(1) 定性地画出该循环的T-s图；(2) 求循环的抽气量：1(3) 循环的吸热量、放热量、净功量及循环热效率。表1饱和水和干饱和蒸汽表(节录)pMPa& Cv' m3/

30、kgv" m3/kgh' kJ/kgh" kJ/kgs'kJ/(kg K )s"kJ/(kg K )0.00532.8790.001005328.191137.722560.550.4768.3830.0145.7980.001010314.673191.762583.720.6498.1480.2120.240.0010605+0.88585504.782706.531.5307.1220.5151.860.00109250.37486640.352748.591.8616.8211.0179.910.00112720.19438762.8427

31、77.672.1386.585:解：1 点：p,=6 MPa, t, =450 °C, h, =3300.9 kJ/kg,S =6.7179kJ/ kg K ;2 点：s2=s=6.7179kJ/(kg.K), 而S2' -0.64907kJ/(kg.K), S2“ =8.1481 kJ/(kg.K)，所以2点位于湿蒸汽区，则X2注也=0.843S2” 一 S2'同理 x76 7 = 0.979，贝U h2 =x2h2" (1-x2)h2'= 2302.38 kJ/kg,S7" sh7 =x7h7“ (1 -x7)h5 = 2704.3 kJ/kg ,3 点：h3 二 h2，= 191.76 kJ/kg ,S3 = s2' = 0.64907kJ/(kg.K)d h4爲1 h7 - h5= 1-：» h5 h3 ! ,* O.1785h7 -h