《工程热力学》思考题及答案

《工程热力学》思考题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.理想气体在可逆绝热过程中，若比热容为常数，则其技术功与焓降的关系为（）A.技术功等于焓降B.技术功等于焓增C.技术功等于热力学能降D.技术功等于热力学能增答案：A2.水蒸气在汽轮机内经历不可逆绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，则出口焓值相对于可逆膨胀时（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A3.对于闭口系统，下列哪一项不是状态参数（）A.温度B.压力C.热量D.比熵答案：C4.卡诺循环的热效率只与（）有关A.工质种类B.高温热源与低温热源的绝对温度C.循环净功D.工质流量答案：B5.湿空气相对湿度φ=0表示（）A.干空气B.饱和湿空气C.水蒸气分压力为零D.含湿量为零答案：A6.若理想气体经历一等温压缩过程，则其熵变（）A.大于零B.等于零C.小于零D.无法确定答案：C7.朗肯循环中提高初压对热效率的影响是（）A.总是降低B.总是提高C.先提高后降低D.无影响答案：B8.水蒸气hs图上，等压线随熵增大而（）A.向上倾斜B.向下倾斜C.水平D.垂直答案：A9.空气压缩制冷循环中，采用回热后，制冷系数（）A.一定增大B.一定减小C.可能增大也可能减小D.不变答案：C10.若某气体服从范德瓦尔斯方程，则其内能（）A.仅为温度函数B.与温度、比容均有关C.仅为比容函数D.与压力、温度均无关答案：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，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）11.下列措施可提高朗肯循环热效率的有（）A.提高蒸汽初温B.降低背压C.提高给水泵出口压力D.采用再热答案：ABD12.理想气体在下列过程中可能熵减的有（）A.可逆放热B.不可逆绝热膨胀C.可逆等温压缩D.不可逆等温压缩答案：ACD13.关于湿空气，下列说法正确的有（）A.露点温度随含湿量增大而升高B.相对湿度100%时干球温度等于湿球温度C.含湿量单位是kg水蒸气/kg干空气D.焓值计算基准通常取0°C饱和水焓为零答案：ABC14.下列关于火用（exergy）的表述正确的有（）A.环境状态火用值为零B.热量火用与热源温度成正比C.闭口系统工质火用与压力、温度均有关D.不可逆过程总火用守恒答案：AC15.下列关于蒸气压缩制冷循环的叙述正确的有（）A.蒸发温度越低，制冷系数越小B.冷凝温度越高，制冷系数越小C.采用过冷可提高制冷量D.压缩机绝热效率降低会导致制冷系数下降答案：ABCD三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程pv=RgT中，Rg的单位是________。答案：J/(kg·K)17.水在0.1MPa下的饱和温度为________°C。答案：99.6318.卡诺热泵的供热系数COP与制冷系数ε的关系为COP=________。答案：1+ε19.湿空气焓h=1.005t+d(2501+1.86t)中，d的单位是________。答案：kg/kg干空气20.朗肯循环中，汽轮机出口干度若低于________，将危及汽轮机安全。答案：0.8821.对于理想气体，定压比热cp与定容比热cv满足cp−cv=________。答案：Rg22.水蒸气临界压力为________MPa。答案：22.06423.空气气体常数Rg≈________J/(kg·K)。答案：28724.蒸气压缩制冷循环中，节流过程近似为________过程。答案：等焓25.火用效率定义为收益火用与________火用之比。答案：支付四、简答题（共25分）26.（6分）闭口系统经历一不可逆过程，从状态1到状态2，已知Q=−50kJ，W=100kJ，环境温度T0=300K，求该过程系统熵产并说明符号意义。答案：由闭口系统能量方程ΔU=Q−W=−50−100=−150kJ；熵方程ΔS=Q/T0+Sg。因ΔS未知，但可借环境换热熵流Q/T0=−50/300=−0.167kJ/K。由于不可逆，Sg>0，故Sg=ΔS−Q/T0。虽然ΔS无法直接得，但可指出：无论路径如何，Sg必大于零，其值等于系统熵变减去熵流，符号为正，代表熵产，量纲kJ/K，反映不可逆损失。27.（6分）说明朗肯循环采用再热的主要目的，并绘Ts示意图标出关键状态点。答案：再热目的：1.提高平均吸热温度，从而提升循环热效率；2.降低汽轮机末级蒸汽湿度，避免叶片水蚀。Ts图：1→2泵压缩，2→3锅炉加热，3→4高压缸膨胀，4→5再热器加热，5→6低压缸膨胀，6→1凝汽器放热。图中3→4与5→6两条膨胀线分开，4→5为再热线。28.（6分）何谓“湿球温度”？给出其测量原理并说明为何湿球温度不高于干球温度。答案：湿球温度是大量水蒸发至空气达到饱和绝热稳定时的温度。测量：将温度计感温包裹以湿纱布，置于通风处，水分蒸发带走潜热，使温度下降至平衡值。因蒸发需吸热，空气显热减少，温度下降，故tw≤td，当φ=100%时相等。29.（7分）理想气体绝热自由膨胀为一典型不可逆过程，试从熵与火用角度分析其能量品质变化。答案：绝热自由膨胀Q=0，W=0，ΔU=0，故T不变。但体积增大，由ds=cvdT/T+Rgdv/v，dT=0，故Δs=Rgln(v2/v1)>0，熵增加。火用：E=m[(u−u0)−T0(s−s0)+p0(v−v0)]，因T=T0，u=u0，但s>s0，v>v0，故E=−T0Δs+p0Δv<0，即系统火用减少，减少量等于T0Δs，表现为火用损，能量品质退化。五、计算题（共60分）30.（10分）某刚性绝热容器被隔板分成两部分，左侧1kg空气300K、0.2MPa，右侧2kg空气400K、0.1MPa。抽去隔板后达到平衡，求终态温度、压力及熵产。（空气cv=0.718kJ/(kg·K)，Rg=0.287kJ/(kg·K)）答案：总体积：V1=m1RgT1/p1=1×0.287×300/200=0.4305m³；V2=2×0.287×400/100=2.296m³；V=V1+V2=2.7265m³。能量守恒：U1+U2=U→m1cvT1+m2cvT2=(m1+m2)cvT→T=(1×300+2×400)/3=366.7K。终压：p=(m1+m2)RgT/V=3×0.287×366.7/2.7265=0.1156MPa。熵产：ΔS=m1cvln(T/T1)+m1Rgln(V/V1)+m2cvln(T/T2)+m2Rgln(V/V2)=1×0.718ln(366.7/300)+1×0.287ln(2.7265/0.4305)+2×0.718ln(366.7/400)+2×0.287ln(2.7265/2.296)=0.718×0.200+0.287×1.840+2×0.718×(−0.087)+2×0.287×0.171=0.1436+0.528−0.125+0.098=0.645kJ/K。31.（12分）某朗肯循环蒸汽初压10MPa、初温600°C，背压5kPa，再热压力2MPa，再热至600°C，汽轮机绝热效率0.85，给水泵绝热效率0.75，求循环净功、热效率及汽轮机出口干度。（查表得：h1=3625kJ/kg，s1=6.902kJ/(kg·K)，再热前h3s=3110kJ/kg，再热后h4=3690kJ/kg，s4=7.420kJ/(kg·K)，背压下饱和液h5=137.8kJ/kg，sg=8.395kJ/(kg·K)，sf=0.476kJ/(kg·K)）答案：高压缸实际焓降：ηT=(h1−h3)/(h1−h3s)→h3=h1−ηT(h1−h3s)=3625−0.85(3625−3110)=3187kJ/kg。低压缸理想膨胀终点s5s=s4=7.420，背压5kPa下sf=0.476，sg=8.395，干度x5s=(7.420−0.476)/(8.395−0.476)=0.878，h5s=137.8+0.878×2423=2266kJ/kg。实际h5=h4−ηT(h4−h5s)=3690−0.85(3690−2266)=2478kJ/kg。泵功：wp=vΔp/ηp=0.001005×(10−0.05)×1000/0.75=13.3kJ/kg，h2=137.8+13.3=151.1kJ/kg。净功：wnet=(h1−h3)+(h4−h5)−wp=(3625−3187)+(3690−2478)−13.3=438+1212−13.3=1636.7kJ/kg。吸热：qin=(h1−h2)+(h4−h3)=(3625−151.1)+(3690−3187)=3473.9+503=3976.9kJ/kg。热效率：η=wnet/qin=1636.7/3976.9=41.2%。出口干度：x5=(2478−137.8)/2423=0.967。32.（12分）某空气标准布雷顿循环，压比18，初温300K，最高温度1400K，压缩机绝热效率0.85，燃气轮机绝热效率0.88，求循环净功、热效率及第二定律效率。（空气cp=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4，T0=300K）答案：理想压缩出口T2s=T1π^((k−1)/k)=300×18^0.286=643.5K，实际T2=T1+(T2s−T1)/ηc=300+(643.5−300)/0.85=704K。理想膨胀出口T4s=T3/π^((k−1)/k)=1400/18^0.286=652.5K，实际T4=T3−ηT(T3−T4s)=1400−0.88(1400−652.5)=742K。净功：wnet=cp[(T3−T4)−(T2−T1)]=1.005[(1400−742)−(704−300)]=1.005(658−404)=255kJ/kg。吸热：qin=cp(T3−T2)=1.005(1400−704)=699kJ/kg。热效率：η=255/699=36.5%。火用输入：ein=qin(1−T0/Tavg)，取平均吸热温度Tavg=(1400−704)/ln(1400/704)=1020K，ein=699(1−300/1020)=493kJ/kg。第二定律效率：ηII=wnet/ein=255/493=51.7%。33.（13分）某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机绝热效率0.80，过冷至35°C，求制冷系数、单位质量制冷量及压缩机出口温度。（查氨表：−20°C饱和h1=1420kJ/kg，s1=5.620kJ/(kg·K)；40°C饱和h3=390kJ/kg，sg=4.830kJ/(kg·K)，sf=1.050kJ/(kg·K)；35°C饱和液h3'=346kJ/kg；压缩机理想出口s2s=s1=5.620，对应压力1.555MPa，h2s=1680kJ/kg）答案：单位制冷量：qL=h1−h3'=1420−346=1074kJ/kg。实际压缩机焓升：ηc=(h2s−h1)/(h2−h1)→h2=h1+(h2s−h1)/ηc=1420+(1680−1420)/0.8=1745kJ/kg。冷凝器放热：qH=h2−h3=1745−390=1355kJ/kg。压缩机功：w=h2−h1=1745−1420=325kJ/kg。制冷系数：COP=qL/w=1074/325=3.30。出口温度：由h2=1745kJ/kg，p2=1.555MPa，查表得T2≈85°C。34.（13分）某企业需将2kg/s、80°C热水降温至50°C，拟用环境空气（20°C）进行绝热逆流冷却塔，求：1.最小空气流量（kg/s）；2.若实际空气流量为最小值1.5倍，求出口空气温度及水的蒸发损失率。（空气cp=1.005kJ/(kg·K)，水cp=4.18kJ/(kg·K)，汽化潜热r=2400kJ/kg，忽略空气含湿量变化对热容影响）答案：水放热：Q=2×4