《工程热力学》期末考试卷及答案

《工程热力学》期末考试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项的字母填在括号内）1.理想气体在可逆绝热过程中，若比热容为常数，则其技术功与焓变的关系为（）A.w_t=ΔhB.w_t=ΔhC.w_t=ΔuD.w_t=Δu2.对于闭口系统，经历一个循环后，下列状态量中变化量不为零的是（）A.内能B.焓C.熵D.热量3.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，则其做功量等于（）A.焓降B.内能降C.熵增D.温度降4.卡诺循环的热效率只与（）A.工质种类有关B.高温热源与低温热源温度有关C.循环净功有关D.循环吸热量有关5.湿空气相对湿度φ=0表示（）A.干空气B.饱和湿空气C.水蒸气分压为零D.含湿量为零6.理想气体在定温过程中，其容积比与压力比的关系为（）A.V₂/V₁=(p₁/p₂)^(1/k)B.V₂/V₁=p₁/p₂C.V₂/V₁=(p₂/p₁)^(1/k)D.V₂/V₁=p₂/p₁7.朗肯循环中提高初压对循环热效率的影响是（）A.提高B.降低C.不变D.先提高后降低8.若某气体的焦耳汤姆逊系数μ_JT>0，则该气体节流后（）A.温度升高B.温度降低C.温度不变D.压力升高9.理想气体混合气体中，某组分的分压力等于（）A.总压乘以该组分的摩尔分数B.总压乘以该组分的质量分数C.总压乘以该组分的容积分数D.总压乘以该组分的分容积10.在Ts图上，理想气体可逆绝热过程表现为（）A.水平线B.铅垂线C.对数曲线D.垂直于s轴的直线答案：1.A2.D3.A4.B5.A6.B7.A8.B9.A10.B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项的字母填在括号内，漏选、错选均不得分）11.下列哪些措施可以提高简单燃气轮机循环的热效率（）A.提高压气机增压比B.采用回热C.降低透平入口温度D.采用中间冷却12.关于水蒸气的定压汽化过程，下列说法正确的是（）A.温度保持不变B.熵不断增加C.焓不断增加D.干度不断减小13.理想气体在多变过程中，若1<n<k，则下列判断正确的是（）A.过程线位于定温线与绝热线之间B.气体对外做功同时放热C.气体对外做功同时吸热D.过程热容为负值14.下列哪些因素会导致实际朗肯循环热效率低于理想朗肯循环（）A.汽轮机不可逆膨胀B.泵功增大C.锅炉排烟热损失D.凝汽器端差增大15.湿空气在绝热加湿过程中，下列参数保持不变的是（）A.干球温度B.湿球温度C.含湿量D.焓答案：11.ABD12.ABC13.AB14.ABCD15.BD三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程的表达式为________，其中R为________。答案：pv=R_gT，气体常数17.卡诺循环由两个________过程和两个________过程组成。答案：可逆绝热，可逆定温18.水蒸气在临界点的温度为________℃，压力为________MPa。答案：374.15，22.06419.对于理想气体，定压比热容c_p与定容比热容c_v满足迈耶公式：________。答案：c_pc_v=R_g20.湿空气的含湿量d定义为________质量与________质量之比。答案：水蒸气，干空气21.理想气体绝热指数k=________。答案：c_p/c_v22.朗肯循环中，给水泵出口水温________（高于/低于）饱和温度。答案：低于23.焦耳汤姆逊系数μ_JT=________。答案：(∂T/∂p)_h24.理想气体在定压过程中，技术功w_t=________。答案：025.燃气轮机循环的回热度σ定义为________与________之比。答案：实际回热量，理论最大回热量四、简答题（共25分）26.（6分）封闭气缸内1kg空气由状态1（p₁=0.1MPa，T₁=300K）经可逆绝热压缩到状态2（p₂=1.0MPa）。已知空气k=1.4，R_g=0.287kJ/(kg·K)。求终态温度T₂，并说明在Ts图上如何表示该过程。答案：由可逆绝热关系：T₂/T₁=(p₂/p₁)^((k1)/k)T₂=300×(10)^(0.4/1.4)=300×10^0.2857=579K在Ts图上为一条垂直向上的线段，熵不变，温度升高。27.（6分）简述提高蒸汽朗肯循环热效率的三种工程措施，并说明其热力学依据。答案：(1)提高初温：增大循环平均吸热温度，由η_t=1T_L/T_H可知效率提高；(2)提高初压：对应饱和温度升高，平均吸热温度升高；(3)降低背压：凝汽器压力下降，循环平均放热温度降低，效率提高。28.（6分）何谓“湿空气的露点温度”？若湿空气干球温度30℃，露点温度20℃，试判断当该空气流经10℃冷表面时，表面是否结露？说明理由。答案：露点温度是水蒸气分压力对应的饱和温度，当表面温度低于露点即结露。本题表面10℃<露点20℃，故会结露。29.（7分）理想气体在定温过程中内能不变，但系统仍可与外界交换热量。这是否违反热力学第一定律？请结合公式分析。答案：不违反。由Δu=c_vΔT，定温过程ΔT=0，故Δu=0。第一定律：q=Δu+w，因Δu=0，故q=w。系统吸热全部用于对外做功，能量守恒，符合第一定律。五、计算题（共70分）30.（15分）某理想气体（k=1.4，R_g=0.287kJ/(kg·K)）在活塞气缸内经历以下可逆循环：1→2：定压吸热，p₁=0.1MPa，T₁=300K，T₂=900K；2→3：绝热膨胀到p₃=0.1MPa；3→1：定压放热回到初态。(1)画出循环pv图与Ts图；(2)求循环热效率；(3)求1→2单位质量吸热量。答案：(1)图略：1→2水平线向右，2→3向右下陡峭曲线，3→1水平线向左。(2)η_t=1(T₃T₁)/(T₂T₁)先求T₃：由2→3可逆绝热，T₃/T₂=(p₃/p₂)^((k1)/k)=(0.1/0.1)^…=1，故T₃=T₂=900K，与题意矛盾，需修正：p₂=p₁=0.1MPa，故2→3为绝热膨胀到p₃=0.1MPa，即p₃=p₂，故T₃=T₂，循环退化为一条线，效率为零，题设压力需调整。修正：设2→3膨胀到p₃=0.01MPa，则T₃=900×(0.01/0.1)^0.2857=900×0.518=466Kη_t=1(466300)/(900300)=1166/600=0.723(3)q_in=c_p(T₂T₁)=(kR_g/(k1))×600=1.4×0.287/0.4×600=1.0045×600=602.7kJ/kg31.（15分）某蒸汽动力厂采用再热回热朗肯循环，参数如下：主蒸汽：p₁=15MPa，t₁=600℃；再热：高压缸排汽p_b=4MPa，再热到600℃；凝汽器：p_cond=5kPa；采用一级混合式回热器，抽汽压力p_e=0.5MPa。忽略泵功，设汽轮机内相对内效率η_oi=0.85（高、低压缸相同）。(1)求循环吸热量q_in（kJ/kg）；(2)求循环放热量q_out；(3)求循环净功w_net；(4)求循环热效率。答案：查表得：h₁=3582kJ/kg，s₁=6.68kJ/(kg·K)高压缸理想膨胀到4MPa，s₂s=s₁=6.68，得h₂s=3150kJ/kg实际h₂=h₁η_oi(h₁h₂s)=35820.85×432=3215kJ/kg再热后h₃=3674kJ/kg，s₃=7.37kJ/(kg·K)低压缸理想膨胀到0.5MPa，s₄s=s₃=7.37，得h₄s=3090kJ/kg实际h₄=h₃0.85(36743090)=3178kJ/kg继续理想膨胀到5kPa，s₅s=7.37，得h₅s=2180kJ/kg，x₅s=0.825实际h₅=h₄0.85(31782180)=2330kJ/kg凝汽器饱和水h₆=137.8kJ/kg回热器能量平衡：设抽汽份额α，αh₄+(1α)h₆=h₇，h₇为0.5MPa饱和水，h₇=640.2kJ/kg解得α=(640.2137.8)/(3178137.8)=0.171(1)q_in=(h₁h₇)+(1α)(h₃h₂)=(3582640.2)+0.829×(36743215)=2941.8+380.6=3322.4kJ/kg(2)q_out=(1α)(h₅h₆)=0.829×(2330137.8)=1818.5kJ/kg(3)w_net=q_inq_out=1503.9kJ/kg(4)η_t=w_net/q_in=45.3%32.（20分）某空气压缩制冷循环，冷库温度20℃，环境温度25℃，空气视为理想气体（k=1.4，R_g=0.287kJ/(kg·K)）。压气机、膨胀机均为可逆绝热，循环压力比π=4。(1)画出循环Ts图；(2)求单位质量制冷量q_L；(3)求循环耗功w_net；(4)求制冷系数COP；(5)若实际压气机绝热效率η_c=0.85，膨胀机η_t=0.88，求实际COP。答案：T₁=253K，T₃=298K可逆绝热：T₂=T₁π^((k1)/k)=253×4^0.2857=253×1.486=376KT₄=T₃/π^((k1)/k)=298/1.486=200.5K(2)q_L=c_p(T₁T₄)=1.0045×(253200.5)=52.7kJ/kg(3)w_net=c_p[(T₂T₁)(T₃T₄)]=1.0045×(12397.5)=25.6kJ/kg(4)COP=q_L/w_net=2.06(5)实际：T₂'=T₁+(T₂T₁)/η_c=253+123/0.85=397.8KT₄'=T₃η_t(T₃T₄)=2980.88×97.5=212.2Kq_L'=c_p(T₁T₄')=1.0045×(253212.2)=41.0kJ/kgw_net'=c_p[(T₂'T₁)(T₃T₄')]=1.0045×(144.885.8)=59.3kJ/kgCOP'=0.6933.（20分）某刚性绝热容器被隔板分成A、B两室，A室装有1kg氮气（N₂），初态0.5MPa，400K；B室为真空。抽去隔板后气体自由膨胀至整个容器，最终压力0.2MPa。视氮气为理想气体，R_g=0.297kJ/(kg·K)，c_v=0.743kJ/(kg·K)。(1)求终态温度T₂；(2)求熵产ΔS_gen；(3)该过程是否违反热力学第二定律？说明理由；(4)若改用可逆绝热膨胀到相同压力，求终温T₂s及对外做功W_s。答案：(1)自