工程熱力學(xué)期末試題及答案【第五版】【建環(huán)專業(yè)適用】講解

1、工程熱力學(xué)期末試卷建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)適用(閉卷,150分鐘一、簡答題(每小題5分,共40分1. 什么是熱力過程?可逆過程的主要特征是什么?答:熱力系統(tǒng)從一個平衡態(tài)到另一個平衡態(tài),稱為熱力過程。可逆過程的主要特征是驅(qū)動過程進(jìn)行的勢差無限小,即準(zhǔn)靜過程,且無耗散。2. 溫度為500°C 的熱源向熱機工質(zhì)放出500 kJ 的熱量,設(shè)環(huán)境溫度為30°C ,試問這部分熱量的火用(yong 值(最大可用能為多少?答: = +-3. 兩個不同溫度(T 1,T 2的恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆熱機,從高溫?zé)嵩碩 1吸收熱量Q 1向低溫?zé)嵩碩 2放出熱量Q 2,證明:由高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩础釞C和

2、功源四個子系統(tǒng)構(gòu)成的孤立系統(tǒng)熵增 。假設(shè)功源的熵變SW =0。 證明:四個子系統(tǒng)構(gòu)成的孤立系統(tǒng)熵增為(1分對熱機循環(huán)子系統(tǒng): 1分 1分根據(jù)卡諾定理及推論:1 4. A 中存有高壓空氣,B 中保持真空,如右圖所示。若將隔板抽去,試分析容器中空氣的狀態(tài)參數(shù)(T 、P 、u 、s 、v 如何變化,并簡述為什么。答:u 、T 不變,P 減小,v 增大,s 增大。5. 試由開口系能量方程一般表達(dá)式出發(fā),證明絕熱節(jié)流過程中,節(jié)流前后工質(zhì)的焓值不變。(絕熱節(jié)流過程可看作穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程,宏觀動能和重力位能的變化可忽略不計 答:開口系一般能量方程表達(dá)式為自由膨脹12iso T T R S S S S S =+W

3、121200ISO Q Q S T T -=+R 0S =iso 0S = 絕熱節(jié)流過程是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程,因此有如下簡化條件, 則上式可以簡化為: 根據(jù)質(zhì)量守恒,有代入能量方程,有 6. 什么是理想混合氣體中某組元的分壓力?試按分壓力給出第i 組元的狀態(tài)方程。答:在混合氣體的溫度之下,當(dāng)i 組元單獨占有整個混合氣體的容積(中容積時對容器壁面所形成的壓力,稱為該組元的分壓力;若表為P i ,則該組元的狀態(tài)方程可寫成:P i V = m i R i T 。 7. 高、低溫?zé)嵩吹臏夭钣?卡諾制冷機的制冷系數(shù)是否就愈大,愈有利?試證明你的結(jié)論。 答:否,溫差愈大,卡諾制冷機的制冷系數(shù)愈小,耗功越大。(

4、2分證明:TTw q T T T R=-=22212,當(dāng)2q 不變,T 時,w 、R 。即在同樣2q 下(說明得到的收益相同,溫差愈大,需耗費更多的外界有用功量,制冷系數(shù)下降。(3分8. 一個控制質(zhì)量由初始狀態(tài)A 分別經(jīng)可逆與不可逆等溫吸熱過程到達(dá)狀態(tài)B ,若兩過程中熱源溫度均為r T 。試證明系統(tǒng)在可逆過程中吸收的熱量多,對外做出的膨脹功也大。答:經(jīng)歷可逆或不可逆定溫過程后,按題給兩種情況下過程的初、終狀態(tài)相同,因而系統(tǒng)的熵變相同。由系統(tǒng)的熵方程g f s s s+=,對于可逆過程其熵產(chǎn)為零,故熱熵流將大于不可逆過程。可見,可逆過程的熱量將大于不可逆過程;(3分 由熱力學(xué)第一定律,w u q

5、+=,因過程的初、終狀態(tài)相同,熱力學(xué)能變化u 相同,故可逆與不可逆兩種情況相比,可逆過程的過程功亦較大。(2分二、作圖題:(每小題5分,共10分1. 試在所給參數(shù)坐標(biāo)圖上定性地畫出理想氣體過點1的下述過程,分別指出該過程的過程指數(shù)n 應(yīng)當(dāng)在什么數(shù)值范圍內(nèi) (圖中請標(biāo)明四個基本過程線: 1壓縮、升溫、吸熱的過程 2膨脹、降溫、吸熱的過程。p vT s p v Ts 答: (1k n > (2 k n <<1評分:四條基本線(2分兩條曲線(2分n 取值(1分2. 如圖所示T -s 圖上理想氣體任意可逆過程1-2的熱量如何表示?熱力學(xué)能變化量、焓變化量如何表示?若過程1-2是不可逆

6、的,上述各量是否相同?(請寫出簡明的作圖方法。答:對可逆過程,熱量為面積1-m-k-2-1,熱力學(xué)能變化量為面積1-m-n-2v -1,焓變化量為1-m-g-2p -1。 對不可逆過程,熱量無法表示,熱力學(xué)能和焓變化量相同 TsT 三、計算題:(共50分1. 壓氣機在95 kPa 、25 的狀態(tài)下穩(wěn)定地以340 m 3/min 的容積流率吸入空氣,進(jìn)口處的空氣流速可以忽略不計;壓氣機排口處的截面積為0.025 m 2,排出的壓縮空氣的參數(shù)為200 kPa 、120 。壓氣機的散熱量為60 kJ/min 。已知空氣的氣體常數(shù)Rg=0.287 kJ/(kg.K,比定熱容c V =0.717 kJ/

7、(kg.K,求壓氣機所消耗的功率。(16分 解:以壓氣機中空氣為研究對象,其穩(wěn)定工況的能量方程為02(2(22221211=+-+-m gz c h m gz c h W Q sh即+-+=m gz c h m gz c h Q W sh2(2(22221211 (a 其中:/(10006010603s J Q -=-=/(2944.66034025273(2871095311s kg T R V p m g =+=mz s m c 0/01=/(0.9538025120(717273(/(99.141025 將以上數(shù)據(jù)代入式(a ,可得壓氣機所消耗的功率為:/(10648.62s J W s

8、h -=-+-=2. 在高溫環(huán)境中有一容器,A 側(cè)裝有2 kg 氮氣,壓力為0.07 MPa ,溫度為67; B 側(cè)裝有8 kg 氮氣,壓力為0.1 MPa ,溫度為17,。A 和B 的壁面均為透熱壁面,它們之間用管道和閥門相連,見附圖。現(xiàn)打開閥門,氮氣由B 流向A 。氮氣可視為理想氣體,已知氣體常數(shù)R g,N2 = 297 J/(kg·K,過程中的平均定容比熱容c v = 0.742 kJ/( kg·K,若壓力平衡時容器中氣體溫度為t 2 = 40,試求:平衡時終壓力P 2;吸熱量Q ;氣體的熵變。(18分 解:容器A 和B 的容積分別為36=P T R m V 361B

9、 1P T R m V (4分 取A+B 中的氣體為系統(tǒng)(CM ,N 2 8 kg 0.1 MPa 17 N 22 kg 0.07MPa 67m = m A + m B = 2 +8 =10 kgV = V A + V B = 2.8851 + 6.8904 = 9.7755 m 3(2分終態(tài)時的氣體壓力MPa 0951.07755.9313297102g 2=VT mR P (2分按題給,系統(tǒng)不對外作功,有kJ(B1B A1A v 2v =-=+-=+-=T m T m c T mc U Q (5分 原在A 中的氮氣熵變(2分kJ/K 3540.007.00951.0297ln .06727340273039ln .1(2P P ln R T T lnc (m S A 2g A 2p A A -=-+=-= 原在B 中的氮氣熵變(2分kJ/K 7538.01c (m S B 2g B 2p B B =-+=-= 全部氮氣的熵變3. 將100 kg 溫度為30 的水與200 kg 溫度為80 的水在絕熱容器中混合,假定容器內(nèi)壁與水之間也是絕熱的,且水的比熱容為定值,取KkJ/(kg 187.4=c ,環(huán)境溫度為17 。求混合過程導(dǎo)致的可用能損失?(16分解:以絕熱熔器內(nèi)水為研究對象,由其能量方程可得cT m m cT m cT m (212211+=+