(完整版)工程热力学习题集附答案

(完整版)工程热力学习题集附答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1理想气体在可逆定温过程中，技术功wt与膨胀功w的关系为A.wt=w  B.wt=0  C.wt=w+q  D.wt=w–q答案：A（定温可逆，技术功等于膨胀功）1.2水蒸气在临界点的比容与饱和液相比容之比为A.1  B.0  C.∞  D.3.14答案：C（临界点液相比容趋近于气相，比值趋于无穷）1.3卡诺热机效率仅取决于A.工质种类  B.高温热源与低温热源温度  C.循环净功  D.循环时间答案：B1.4对于理想气体，下列偏导数恒为零的是A.(∂u/∂T)p  B.(∂h/∂p)T  C.(∂s/∂v)T  D.(∂u/∂v)T答案：D（理想气体内能仅与温度有关）1.5湿空气含湿量d的单位是A.kg/kg干空气  B.kg/m³  C.kJ/kg  D.kg/s答案：A1.6朗肯循环中再热的主要目的是A.提高平均吸热温度  B.降低排汽干度  C.减少给水泵功  D.提高冷凝压力答案：B1.7若某气体的焦耳汤姆逊系数μJT>0，则该气体经节流后A.温度升高  B.温度降低  C.温度不变  D.压力升高答案：B1.8在Ts图上，两条等压线之间的水平距离表示A.比焓差  B.比熵差  C.比容差  D.比内能差答案：B1.9空气在喷管中作等熵膨胀，若入口马赫数Ma1=0.3，则出口马赫数Ma2A.<0.3  B.=0.3  C.>0.3  D.无法判断答案：C（面积减小，速度增加）1.10某制冷循环的COP为4.0，若向高温热源排热量为5kW，则其制冷量为A.1kW  B.4kW  C.5kW  D.6kW答案：B（COP=QL/W，QH=QL+W⇒QL=4kW）2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列哪些过程在理想气体模型中必然伴随温度变化A.绝热节流  B.可逆绝热膨胀  C.定压吸热  D.定容放热答案：B、C、D2.2关于回热循环的正确说法A.可提高热效率  B.降低锅炉排烟温度  C.增加汽轮机排汽干度  D.减少冷凝器热负荷答案：A、B、D2.3使压缩蒸气制冷循环COP下降的因素A.冷凝温度升高  B.蒸发温度降低  C.过冷度增大  D.压缩机绝热效率降低答案：A、B、D2.4下列参数中属于湿空气状态参数的有A.露点温度td  B.相对湿度φ  C.含湿量d  D.干球温度t答案：A、B、C、D2.5理想气体可逆过程在pv图上呈双曲线形状的有A.等温  B.等熵  C.等压  D.等容答案：A（pv=常数）3.填空题（每空2分，共20分）3.1某理想气体常数R=0.287kJ/(kg·K)，定压比热cp=1.005kJ/(kg·K)，则其定容比热cv=______kJ/(kg·K)。答案：0.7183.2水在150°C时的饱和压力为______MPa（查表）。答案：0.47623.3卡诺循环高温热源527°C，低温热源27°C，其热效率为______%。答案：62.53.41kg空气由状态1（p1=0.1MPa，T1=300K）经等熵压缩至p2=1MPa，则终温T2=______K（k=1.4）。答案：579.23.5某汽轮机入口焓h1=3400kJ/kg，出口焓h2=2200kJ/kg，绝热效率η=0.88，则实际出口焓为______kJ/kg。答案：23443.6湿空气温度30°C，露点20°C，其相对湿度φ≈______%（查饱和蒸汽表，ps@30°C=4.247kPa，ps@20°C=2.339kPa）。答案：55.13.7理想气体绝热指数k=1.4，则其摩尔热容差cp–cv=______kJ/(kmol·K)。答案：8.3143.8某制冷剂在蒸发器内吸热180kJ/kg，压缩机耗功40kJ/kg，则COP=______。答案：4.53.9空气在缩放喷管临界截面上的马赫数为______。答案：13.10若某系统经历不可逆绝热过程，其熵产______零（填“>”、“=”、“<”）。答案：>4.简答题（每题6分，共30分）4.1封闭系统热力学第一定律表达式是什么？并说明各项物理意义。答案：ΔU=Q–W。ΔU为系统内能增量；Q为系统吸热量；W为系统对外做功量。4.2写出理想气体熵变计算式（以T、p为变量），并指出适用条件。答案：Δs=cpln(T2/T1)–Rln(p2/p1)，适用于理想气体、比热恒定的可逆或不可逆过程。4.3何谓“干度”？湿蒸汽干度x=0.8表示什么？答案：干度为气相质量与总质量之比；x=0.8表示1kg湿蒸汽中含0.8kg饱和蒸汽、0.2kg饱和液。4.4朗肯循环与卡诺循环在Ts图上的主要区别是什么？答案：朗肯循环吸热过程沿饱和液线→等压加热→过热，非等温；卡诺循环吸热完全等温。朗肯放热沿饱和汽线→等压冷凝，亦接近等温，但平均吸热温度低于卡诺。4.5说明“焦耳汤姆逊系数”定义及其在制冷技术中的意义。答案：μJT=(∂T/∂p)h；若μJT>0，节流后降温，可用于气体液化与制冷。5.计算题（共65分）5.1理想气体状态变化（10分）0.5kg空气由状态1（0.1MPa，27°C）经定压加热至127°C，求：(1)吸热量Q；(2)对外做功W；(3)熵变ΔS。已知：cp=1.005kJ/(kg·K)，R=0.287kJ/(kg·K)。答案：(1)Q=mcpΔT=0.5×1.005×100=50.25kJ(2)W=mRΔT=0.5×0.287×100=14.35kJ(3)ΔS=mcpln(T2/T1)=0.5×1.005×ln(400/300)=0.144kJ/K5.2卡诺热机（10分）某卡诺热机每分钟完成300次循环，每次循环吸热50kJ，高温热源327°C，低温热源27°C。求：(1)循环净功；(2)平均功率；(3)若改用相同温度限的理想回热循环，净功增加多少？答案：(1)η=1–300/600=0.5，W=ηQ1=25kJ(2)P=25kJ×300/60=125kW(3)回热不改变卡诺效率，净功不变⇒增加0kJ5.3水蒸气定压过程（12分）1kg水蒸气由状态1（p=2MPa，x1=0.9）定压加热至t2=450°C，求：(1)初态h1、s1；(2)终态h2、s2；(3)吸热量q；(4)熵产Δsgen（环境T0=300K）。查表得：饱和液hf=908.5kJ/kg，hfg=1888.6kJ/kg；饱和液sf=2.447kJ/(kg·K)，sfg=3.893kJ/(kg·K)；过热蒸汽450°C：h=3357kJ/kg，s=7.286kJ/(kg·K)。答案：(1)h1=hf+x1hfg=908.5+0.9×1888.6=2608.2kJ/kgs1=sf+x1sfg=2.447+0.9×3.893=5.9507kJ/(kg·K)(2)h2=3357，s2=7.286(3)q=h2–h1=748.8kJ/kg(4)Δsgen=s2–s1–q/Treservoir=7.286–5.9507–748.8/873=0.274kJ/(kg·K)5.4朗肯循环分析（15分）某蒸汽动力厂按基本朗肯循环运行：p1=10MPa，t1=550°C；p2=10kPa；忽略泵功。求：(1)汽轮机出口干度x2；(2)循环热效率；(3)若采用一次再热至550°C，再热压力1MPa，求新效率。查表：h1=3500kJ/kg，s1=6.756kJ/(kg·K)；p2=10kPa：sf=0.649，sfg=7.501；hf=191.8，hfg=2392.8；再热后h3=3580kJ/kg，s3=8.036kJ/(kg·K)。答案：(1)s2=s1=6.756⇒x2=(6.756–0.649)/7.501=0.814h2=hf+x2hfg=191.8+0.814×2392.8=2139kJ/kg(2)qin=h1–hf@10kPa=3500–191.8=3308.2kJ/kgwT=h1–h2=1361kJ/kgη=wT/qin=1361/3308.2=41.1%(3)再热后s4=s3=8.036⇒x4=(8.036–0.649)/7.501=0.985h4=191.8+0.985×2392.8=2548kJ/kgqin,new=(h1–191.8)+(h3–h2)=3308.2+(3580–2139)=4749.2kJ/kgwT,new=(h1–h2)+(h3–h4)=1361+1032=2393kJ/kgηnew=2393/4749.2=50.4%5.5压缩空气制冷循环（10分）某空气制冷循环，冷库温度–20°C，环境温度25°C，压比π=4，空气cp=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4。求：(1)理论COP；(2)若压缩机效率0.85，膨胀机效率0.9，求实际COP。答案：(1)T2/T1=π^((k–1)/k)=4^0.286=1.486⇒T2=253×1.486=376KT4/T3=1/1.486⇒T4=298/1.486=200.5KCOPideal=(T1–T4)/[(T2–T1)–(T3–T4)]=52.5/(123–97.5)=2.06(2)实际T2'=T1+(T2–T1)/ηc=253+123/0.85=397.8K实际T4'=T3–ηe(T3–T4)=298–0.9×97.5=210.3KCOPactual=(253–210.3)/[(397.8–253)–(298–210.3)]=42.7/(144.8–87.7)=0.755.6湿空气混合（8分）两股湿空气稳定绝热混合：流A：干空气1kg/s，t=35°C，φ=60%；流B：干空气0.5kg/s，t=15°C，φ=80%。求混合后含湿量d3与焓h3（用近似式h=1.005t+d(2501+1.86t)）。查ps：35°C=5.628kPa，15°C=1.705kPa。答案：dA=0.622×0.6×5.628/(100–0.6×5.628)=0.0215kg/kgdB=0.622×0.8×1.705/(100–0.8×1.705)=0.0086kg/kghA=1.005×35+0.0215×(2501+1.86×35)=89.6kJ/kghB=1.005×15+0.0086×(2501+1.86×15)=37.0kJ/kg混合比mA:mB=2:1⇒d3=(2×0.0215+1×0.0086)/3=0.0172kg/kgh3=(2×89.6+1×37.0)/3=72.1kJ/kg6.综合分析题（20分）6.1某联合循环（燃气蒸汽）如图：燃气轮机排气温度580°C，经余热锅炉产生p=6MPa、450°C过热蒸汽，汽轮机排汽10kPa，凝汽后由给水泵返回。燃气侧可视为空气标准布雷顿循环，压比16，进气25°C，最高温度1250°C。已知：空气cp=1.005，k=1.4；蒸汽侧数据同5.4；忽略泵功。求：(1)燃气轮机净功wGT；(2)蒸汽轮机净功wST；(3)联合循环总效率；(4)若余热锅炉节点温差ΔTpinch=20°C，求所需燃气质量流量与蒸汽质量流量之比。答案：(1)布雷顿：T2=298×16^0.286=650K；T4=1523/16^0.286=698KwGT=cp[(1523–650)–(698–298)]=1.005×(873–400)=475kJ/kg(空气)(2)蒸汽侧：h1=3301kJ/kg，s1=6.719kJ/(kg·K)x2=(6.719–0.649)/7.501=0.809⇒h2=2136kJ/kgwST=h1–h2=1165kJ/kg(蒸汽)(3)燃气放热qair=cp(1523–698)=829kJ/kg(空气)蒸汽吸热qst=h1–191.8=3109kJ/kg(蒸汽)设mair、mst，能量平衡：mair×829×0.95=mst×3109⇒mst/mair=0.253总功w