工程热力学习题集(含答案)

工程热力学习题集(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.闭口系统经历一可逆定温吸热过程，其熵变ΔSA.一定大于零  B.一定等于零  C.一定小于零  D.无法确定答案：A2.理想气体绝热自由膨胀后，若忽略动能与位能变化，则A.温度升高  B.温度降低  C.温度不变  D.压力升高答案：C3.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若过程不可逆，则出口干度A.高于可逆膨胀  B.低于可逆膨胀  C.等于可逆膨胀  D.与初压无关答案：B4.卡诺热泵的供热系数COP与制冷系数COP′的关系为A.COP=COP′  B.COP=COP′+1  C.COP=COP′−1  D.COP=1/COP′答案：B5.湿空气固定含湿量d，若温度升高，其相对湿度φA.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：B6.理想气体多变过程指数n=0，则过程为A.定压  B.定温  C.定容  D.绝热答案：A7.朗肯循环中提高初压而保持初温、背压不变，则A.汽耗率下降，热效率下降  B.汽耗率下降，热效率提高C.汽耗率提高，热效率提高  D.汽耗率提高，热效率下降答案：B8.水在4°C时受热，其A.比体积一定增大  B.比体积一定减小  C.比体积可能增大或减小  D.密度一定增大答案：A9.理想气体两状态1、2的熵差s2−s1仅与下列哪组参数有关A.p1、p2  B.T1、T2  C.p1、T1、p2、T2  D.v1、v2答案：C10.对于R134a，若已知饱和温度T，则饱和压力pA.可由理想气体状态方程计算  B.必须查表或查图C.可用克劳修斯—克拉贝龙方程精确计算  D.与干度有关答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列措施可同时提高朗肯循环热效率并降低汽轮机出口干度的是A.提高初温  B.提高初压  C.降低背压  D.采用再热答案：A、D12.理想气体可逆过程，技术功wt与膨胀功w关系正确的有A.定压过程wt=0  B.定温过程wt=w  C.绝热过程wt=Δh  D.多变过程wt=nw答案：A、C13.湿空气下列参数中，与干空气质量无关的强度量是A.含湿量d  B.相对湿度φ  C.湿球温度tw  D.露点温度td答案：B、C、D14.关于熵的性质，正确的有A.熵是状态参数  B.可逆绝热过程熵变为零C.孤立系统熵增原理适用于可逆与不可逆过程  D.系统放热熵一定减少答案：A、B、C15.水蒸气hs图上，下列叙述正确的有A.等压线在高温区趋于水平  B.等温线在过热区斜率为TC.干度x=1线即为饱和蒸汽线  D.临界点处等压线斜率不连续答案：A、B、C三、填空题（每空2分，共20分）16.1kg空气（Rg=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹）从300K定压加热到600K，吸热量q=________kJ，熵增Δs=________kJ·kg⁻¹·K⁻¹。答案：q=Rg·(600−300)=86.1；Δs=Rg·ln(600/300)=0.19917.某卡诺热机工作在800K与300K之间，吸热100kJ，则循环净功W=________kJ，排热Q2=________kJ。答案：η=1−300/800=0.625，W=62.5；Q2=37.518.理想气体绝热指数k=1.4，则其定压比热cp与定容比热cv之比为________，cv=________kJ·kg⁻¹·K⁻¹（已知Rg=0.287）。答案：1.4；cv=Rg/(k−1)=0.717519.水在200°C下饱和压力为1.5538MPa，若测得某容器中水蒸气压力为1.2MPa、温度为200°C，则其处于________区，过热度为________K。答案：过热；200−200=0（注：实际200°C对应饱和压1.5538MPa，1.2MPa<1.5538MPa，故为过热区，过热度=200−对应饱和温度，需反查表得1.2MPa下饱和温度约187°C，故过热度13K，评分取13）20.压缩因子Z的定义式为________，对于理想气体Z=________。答案：Z=pv/(RgT)；1四、简答题（每题6分，共30分）21.封闭系统经历一不可逆过程，已知系统放热50kJ，外界对系统做功30kJ，问系统内能变化ΔU是多少？熵变ΔS能否确定？说明理由。答案：ΔU=Q−W=−50−(−30)=−20kJ。熵变ΔS不能仅由Q、W确定，因为熵是状态参数，但不可逆过程路径未知，需知初终态参数方可计算。22.为什么实际气体节流后温度可能升高、降低或不变？结合焦耳—汤姆逊系数说明。答案：焦耳—汤姆逊系数μJT=(∂T/∂p)h。若μJT>0，节流降温；μJT<0，节流升温；μJT=0，对应转回温度，温度不变。实际气体状态方程偏离理想气体，μJT符号取决于工质状态。23.简述再热循环对朗肯循环热效率及汽轮机安全性的影响。答案：再热可提高平均吸热温度，从而提高热效率；同时使汽轮机低压段蒸汽干度显著提高，减少叶片侵蚀，提高安全性。24.湿空气冷却到露点以下为何会出现凝结？说明“雾”与“云”形成的热力学共性。答案：冷却至露点td后，φ=100%，继续冷却则水蒸气分压超过饱和压力，气相过剩水蒸气凝结成液滴。雾为近地面湿空气冷却凝结，云为上升湿空气绝热膨胀冷却凝结，均为达到饱和并存在凝结核。25.理想气体可逆绝热过程方程式pv^k=常数，试问该式是否适用于不可逆绝热过程？并解释。答案：不适用。pv^k=常数源于可逆绝热熵不变ds=0，不可逆绝热熵产大于零，状态参数关系不再满足该式。五、计算题（共65分）26.封闭气缸内0.5kg空气，初态p1=0.1MPa，T1=300K，经可逆多变压缩至p2=1.0MPa，T2=450K。已知空气k=1.4，Rg=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹。求：(1)多变指数n；(2)压缩功W；(3)热量Q；(4)熵变ΔS。答案：(1)n=ln(p2/p1)/ln(v1/v2)，先求v1=RgT1/p1=0.861m³·kg⁻¹，v2=RgT2/p2=0.129kg⁻¹，n=ln10/ln6.67≈1.30(2)W=m·Rg(T2−T1)/(1−n)=0.5·0.287·150/(1−1.30)=−71.75kJ（负号表示耗功）(3)Q=m·cv·(T2−T1)+W，cv=0.7175，Q=0.5·0.7175·150−71.75=−17.9kJ(4)ΔS=m[cp·ln(T2/T1)−Rg·ln(p2/p1)]=0.5[1.005·ln1.5−0.287·ln10]=0.5(0.406−0.661)=−0.1275kJ·K⁻¹27.某朗肯循环以水蒸气为工质，参数如下：初压p1=15MPa，初温t1=600°C，背压p2=5kPa，忽略泵功。汽轮机相对内效率ηT=0.85。试求：(1)汽轮机出口干度x2；(2)循环热效率ηt；(3)汽耗率d（kg·kWh⁻¹）。已知：h1=3582kJ·kg⁻¹，s1=6.679kJ·kg⁻¹·K⁻¹；p2=5kPa时，h′=137.8kJ·kg⁻¹，h″=2561kJ·kg⁻¹，s′=0.476kJ·kg⁻¹·K⁻¹，s″=8.395kJ·kg⁻¹·K⁻¹。答案：(1)可逆膨胀s2s=s1=6.679，x2s=(6.679−0.476)/(8.395−0.476)=0.792h2s=137.8+0.792(2561−137.8)=2056kJ·kg⁻¹实际h2=h1−ηT(h1−h2s)=3582−0.85(3582−2056)=2285kJ·kg⁻¹x2=(2285−137.8)/2423.2=0.886(2)忽略泵功，ηt=(h1−h2)/(h1−h3)，h3=h′=137.8ηt=(3582−2285)/(3582−137.8)=1297/3444.2=0.377(3)d=3600/(h1−h2)=3600/1297=2.78kg·kWh⁻¹28.某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口为干饱和蒸气，冷凝器出口为饱和液。已知氨物性：h1=1420kJ·kg⁻¹，h2s=1680kJ·kg⁻¹（等熵压缩终点），h3=372kJ·kg⁻¹，h4=h3，压缩机绝热效率ηc=0.80。求：(1)单位质量制冷量qL；(2)单位质量压缩功wc；(3)制冷系数COP；(4)若采用过冷至35°C，h3′=320kJ·kg⁻¹，求COP提高百分比。答案：(1)qL=h1−h4=1420−372=1048kJ·kg⁻¹(2)实际h2=h1+(h2s−h1)/ηc=1420+260/0.8=1745kJ·kg⁻¹wc=h2−h1=325kJ·kg⁻¹(3)COP=qL/wc=1048/325=3.22(4)新qL′=h1−h3′=1420−320=1100，COP′=1100/325=3.38，提高(3.38−3.22)/3.22=4.9%29.某空气标准布雷顿循环，压比π=8，初温T1=300K，最高温度T3=1200K，k=1.4，cp=1.005kJ·kg⁻¹·K⁻¹。求：(1)循环热效率η；(2)单位质量净功wnet；(3)若采用理想回热，求ηreg；(4)说明实际燃气轮机为何难以实现理想回热。答案：(1)η=1−1/π^(k−1)/k=1−1/8^0.286=0.448(2)T2=T1·π^(k−1)/k=300·8^0.286=543KT4=T3/π^(k−1)/k=1200/8^0.286=662Kwnet=cp[(T3−T4)−(T2−T1)]=1.005(538−243)=298kJ·kg⁻¹(3)理想回热ηreg=1−(T1/T3)·π^(k−1)/k=1−(300/1200)·8^0.286=0.672(4)实际回热器需巨大换热面积，且接近温差小，难以制造；同时压损大，导致净功下降，故只能部分回热。30.某企业需用0.8MPa的饱和蒸汽2t·h⁻¹，现有1.6MPa饱和蒸汽及−20°C、干度0.95的R22两相流体。拟采用蒸汽喷射式升压器，引射R22，将2t·h⁻¹低压蒸汽升压至0.8MPa。已知：饱和水参数：1.6MPa：h=2793kJ·kg⁻¹0.8MPa：h=2768kJ·kg⁻¹R22：−20°C，x=0.95，h=380kJ·kg⁻¹，0.8MPa饱和蒸气h=410kJ·kg⁻¹假设混合过程绝热，忽略动能，求：(1)引射所需R22质量流量mr；(2)若改用机械压缩，将同量低压蒸汽自0.2MPa压缩至0.8MPa，绝热效率0.75，求电功率kW。答案：(1)能量守恒：ms(h0.8−h0.2)=mr(hR22,out−hR22,in)查0.2MPa饱和蒸气h=2716kJ·kg⁻¹，0.8MPah=2768kJ·kg⁻¹2(2768−2716)=mr(410−380)⇒104=30mr⇒mr=3.47t·h⁻¹(2)可逆绝热压缩s=const，查hs图得h2s=2860kJ·kg⁻¹实际h2=2716+(2860−2716)/0.75=2908kJ·kg⁻¹功率P=ms(h2−h1)/3600=2000·192/3600=106.7kW六、综合分析题（共30分）31.某联合循环如图：顶部燃气轮机（布雷顿）排气（600°C）进入底部余热锅炉，产生500°C、8MPa蒸汽，供汽轮机发电。已知：燃气侧：空气流量200kg·s⁻¹，cp=1.1kJ·kg⁻¹·K⁻¹，排气降至120°C。蒸汽侧：给水45°C，汽轮机背压5kPa，ηT=0.88，忽略泵功。求：(1)余热锅炉热平衡求蒸汽流量ms；(2)汽轮机功率Ps；(3)联合循环总功率若燃气轮机功率PGT=120MW，求总效率ηcc；(4)若采用天然气低热值LHV=50MJ·kg⁻¹，燃料流量mf；(5)从热力学角度说明联合循环效率高于单一循环的原因。答案：(1)燃气放热Q=200·1.1