工程热力学期末试卷及答案

工程热力学期末试卷及答案一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内）1.在热力学中，系统与外界发生能量传递的两种基本方式是（）。A.热量与功B.热量与物质C.功与物质D.内能与动能2.工质经历一个不可逆过程后，其熵的变化量（）。A.一定大于零B.一定小于零C.等于零D.可能大于、小于或等于零，取决于过程的具体情况3.理想气体的比热容是（）。A.常数，与温度无关B.仅与压力有关C.仅与温度有关D.与温度和压力都有关4.卡诺循环的热效率仅取决于（）。A.工质的性质B.循环的平均吸热温度和平均放热温度C.高温热源温度和低温热源温度D.循环所做的净功5.关于绝热过程，下列说法正确的是（）。A.绝热过程就是等熵过程B.绝热过程中系统与外界无热量交换，温度一定不变C.绝热过程中系统与外界无热量交换，但熵可能增加D.绝热过程一定是定压过程6.某闭口系统经历一个热力过程，对外做功10kJ，放热5kJ，则系统内能的变化量为（）。A.增加15kJB.减少15kJC.增加5kJD.减少5kJ7.水蒸气的干度x定义为（）。A.饱和水的质量与湿蒸汽总质量之比B.饱和蒸汽的质量与湿蒸汽总质量之比C.饱和蒸汽的体积与湿蒸汽总体积之比D.饱和水的焓与湿蒸汽总焓之比8.压力表测得的压力是（）。A.绝对压力B.真空压力C.相对压力（表压力）D.大气压力9.理想气体在定温过程中，下列关系式成立的是（）。A.ΔB.ΔC.QD.以上三者都成立10.某喷管进口气流速度极低，出口流速很高，若忽略散热，该过程可近似看作（）。A.定温过程B.定压过程C.绝热过程D.定容过程11.提高朗肯循环热效率的有效措施是（）。A.提高初温、初压，降低终压B.降低初温、初压，提高终压C.提高初温，降低初压D.降低初温，提高初压12.湿空气中的水蒸气分压达到对应温度下的饱和压力时，相对湿度φ为（）。A.0%B.50%C.100%D.无法确定13.逆向卡诺循环的制冷系数与热源温度（高温）、冷源温度（低温）的关系是（）。A.B.C.D.14.热力学第二定律的开尔文-普朗克表述主要揭示了（）。A.能量守恒原理B.热量传递的方向性C.单热源热机的不可能性D.熵增原理15.理想气体混合物中，某组分的分压力等于（）。A.总压力乘以该组分的摩尔分数B.总压力乘以该组分的质量分数C.总压力除以该组分的摩尔分数D.该组分单独占据混合物体积时的压力二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题列出的五个备选项中至少有两个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选、少选均不得分）1.下列各项中，属于状态参数的有（）。A.熵(S)B.热量(Q)C.焓(H)D.功(W)E.吉布斯函数(G)2.下列关于不可逆过程的描述，正确的有（）。A.不可逆过程所产生的熵变无法通过反向过程完全消除B.凡是有摩擦的过程都是不可逆过程C.不可逆过程一定伴随着功的损失D.自然界中实际发生的过程都是不可逆过程E.不可逆过程的熵产一定大于零3.理想气体的内能和焓具有以下特性（）。A.仅仅是温度的函数B.仅仅是压力的函数C.温度不变，内能和焓也不变D.在定容过程中，ΔE.在定压过程中，Δ4.压缩机耗功的影响因素包括（）。A.进气温度B.进气压力C.排气压力D.压缩过程的多变指数E.气体的种类5.水蒸气的汽化潜热在临界点处（）。A.等于零B.趋于无穷大C.等于临界温度D.等于临界压力E.饱和水和干饱和蒸汽的参数相等三、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。请在每小题的空格中填上正确答案）1.热力学第一定律的实质是__________。2.系统的熵变dS可以分为两部分，一部分是熵流d3.已知理想气体的气体常数R=287J/(kg·K4.1kg理想气体在定温下从状态1膨胀到状态2，若压力从变为，则该过程的技术功=________（用,,R,5.马赫数M是指__________与当地声速之比。6.在湿空气中，对应于水蒸气分压力下的饱和温度称为__________。7.某热机从高温热源吸热2000kJ，向低温热源放热1200kJ，则该热机的热效率为__________%。8.渐缩喷管中，若背压低于喷管的临界压力，则喷管出口截面压力=________。9.热力学第三定律的一种表述是：纯物质的完美晶体在__________时，其熵值为零。10.朗肯循环主要由四个过程组成：锅炉中的定压吸热过程、汽轮机中的__________过程、冷凝器中的定压放热过程和水泵中的__________过程。四、简答题（本大题共4小题，每小题6分，共24分）1.简述热力系统、外界、边界的定义，并举例说明闭口系统与开口系统的区别。2.什么是热力学第二定律？请写出克劳修斯表述和开尔文-普朗克表述，并说明其实质意义。3.试述绝热节流过程的基本特性。对于理想气体和实际气体，绝热节流前后温度分别如何变化？4.简述提高蒸汽动力循环（朗肯循环）热效率的主要途径，并指出这些途径可能受到的限制或带来的负面影响。五、计算题（本大题共4小题，共61分。要求写出必要的计算公式、计算过程、结果和单位）1.（本题15分）有一刚性容器（定容），其容积为0.5，内部装有氮气。初始状态时，氮气的温度=C，压力=2b已知氮气的气体常数=296.8J/求：(1)容器内氮气的质量；(2)加热过程中氮气吸收的热量；(3)加热前后氮气熵的变化量。2.（本题15分）空气（视为理想气体）初始状态为=1bar,已知空气的气体常数=287J/求：(1)压缩终了的温度和容积；(2)压缩过程消耗的功W（过程功）；(3)过程中放出的热量Q。3.（本题15分）某蒸汽动力装置按简单朗肯循环工作。蒸汽进入汽轮机的参数为=3MP设汽轮机和水泵的过程均为等熵过程（可逆绝热）。查得水蒸气表数据如下：=3MP=0.005MPa时：饱和水焓=137.77kJ=0.005MP忽略泵功（或计算泵功）。求：(1)汽轮机排汽的干度和比焓；(2)汽轮机对外做的比功；(3)循环的吸热量和热效率（计算泵功时需考虑泵功对效率的影响，若忽略泵功请说明）。4.（本题16分）一台制冷机工作在环境温度=C和冷库温度=−C之间。已知制冷机从冷库中吸取的热量=(1)计算该制冷机的实际制冷系数ε；(2)计算在相同温度界限下，逆向卡诺循环的制冷系数；(3)计算该制冷机每秒钟产生的不可逆损失（有效能损失或做功能力损失），设环境温度为。一、单项选择题答案1.A2.D3.C4.C5.C6.B7.B8.C9.D10.C11.A12.C13.B14.C15.A二、多项选择题答案1.ACE2.ABDE3.ACDE4.ABCDE5.AE三、填空题答案1.能量守恒与转换定律2.熵产(d)3.717,1.44.R5.气流速度6.露点温度7.408.临界压力()9.绝对零度(0K)10.绝热膨胀，绝热压缩四、简答题答案1.答：热力系统：在热力学研究中，人为选取的作为研究对象的边界范围内的物质集合或空间区域。外界：系统以外，与系统发生相互作用的物质或空间。边界：分隔系统与外界的界面，可以是真实的，也可以是假想的；可以是固定的，也可以是移动的。闭口系统与开口系统的区别：闭口系统：与外界无物质交换的系统，只有能量交换。例如：密封气缸内的气体。开口系统：与外界有物质交换的系统，通常也有能量交换。例如：正在运行的水泵、透平机，流体不断流进和流出。2.答：热力学第二定律：揭示热力过程方向性和条件的定律，说明自发过程是不可逆的，能量转换具有方向性。克劳修斯表述：热量不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。开尔文-普朗克表述：不可能制造出从单一热源吸热并使之全部转变为有用功而不产生其他影响的循环发动机（第二类永动机是不可能制成的）。实质意义：说明了自然界中热力过程进行的方向、条件和限度，指出了能量的品质（火用）差异，即热能不可能无条件地全部转化为机械能。3.答：基本特性：绝热节流过程是指流体在管道中流经阀门、孔板等缩口时，压力降低，且与外界无热量交换、不做外功的过程。其基本特征是节流前后工质的焓值保持不变，即=。但节流过程是不可逆过程，熵增加，压力降低，有效能损失。温度变化：对于理想气体：焓仅是温度的函数，既然焓不变，则节流前后温度也保持不变，即=。对于实际气体：焓是温度和压力的函数。节流前后温度可能降低（致冷效应）、升高（致热效应）或保持不变（转化点）。这取决于气体的焦耳-汤姆逊系数及所处的状态。通常在常温常压下，大多数气体节流后温度会降低。4.答：主要途径：1.提高蒸汽的初参数（初温和初压）：可以提高平均吸热温度，从而提高热效率。2.降低蒸汽的终参数（背压）：可以降低平均放热温度，从而提高热效率。3.采用再热循环：在高压膨胀后引出蒸汽，再次加热，然后继续膨胀。这可以提高排汽干度，同时提高平均吸热温度。4.采用回热循环（抽汽回热）：利用汽轮机抽汽加热给水，减少冷源损失，提高平均吸热温度，显著提高热效率。限制或负面影响：提高初温受金属材料耐热强度的限制。提高初温受金属材料耐热强度的限制。提高初压会导致排汽干度下降，侵蚀汽轮机末级叶片，影响安全性。提高初压会导致排汽干度下降，侵蚀汽轮机末级叶片，影响安全性。降低背压受冷凝器冷却介质温度（环境温度）的限制，且过低会导致排汽比容急剧增大，排汽管道和末级叶片尺寸难以制造，且真空维持成本增加。降低背压受冷凝器冷却介质温度（环境温度）的限制，且过低会导致排汽比容急剧增大，排汽管道和末级叶片尺寸难以制造，且真空维持成本增加。五、计算题答案1.解：(1)求氮气质量将温度转换为开尔文：=根据理想气体状态方程pVm注意单位换算：=m(2)求吸收热量对于定容过程，W=0。根据热力学第一定律Q==QQQQ(3)求熵的变化量理想气体熵变公式（定容过程）：ΔΔΔΔ答：氮气质量为1.149kg；吸收热量为153.3kJ；熵增加量为408.4J/K。2.解：(1)求终态温度和容积根据多变过程状态参数关系：==≈≈由状态方程求质量m：m求：=或者直接用过程方程：=(2)求压缩功W多变过程技术功公式（适用于闭口系统容积功或开口系统稳流技术功，此处为闭口系统膨胀/压缩功）：WWW（负号表示外界对气体做功）(3)求放热量Q先求ΔU。需知。由=，且=（或直接计算）。=ΔΔ根据第一定律Q=Q（负号表示放热）答：终态温度为454.7K，容积为0.019；压缩功为20.8kJ；放热量为7.92kJ。3.解：(1)求汽轮机排汽干度和比焓过程1-2为等熵过程，故==在=0.005MP6.9196.919=排汽比焓：===≈(2)求汽轮机比功==(3)求吸热量和热效率首先计算水泵功（忽略泵功时≈，现计算泵功）：过程3-4（水泵）等熵压缩。≈==注意压力单位：=3=给水焓=+循环吸热量（过程4-1）：=循环净功：=热效率：=即38.1%。答：排汽干度0.813，焓2108.0kJ/kg；汽轮机比功1215kJ/kg；循环热效率约38.1