工程熱力學(xué)期末復(fù)習(xí)題答案

PAGE33工程熱力學(xué)期末復(fù)習(xí)題答案江蘇科技大學(xué)《工程熱力學(xué)》練習(xí)題參考答案第一單元一、判斷正誤并說明理由：1.給理想氣體加熱，其熱力學(xué)能總是增加的。錯(cuò)。理想氣體的熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，如果理想氣體是定溫吸熱，那么其熱力學(xué)能不變。測(cè)量容器中氣體壓力的壓力表讀數(shù)發(fā)生變化一定是氣體熱力狀態(tài)發(fā)生了變化。錯(cuò)。壓力表讀數(shù)等于容器中氣體的壓力加上大氣壓力。所以壓力表讀數(shù)發(fā)生變化可以是氣體的發(fā)生了變化，也可以是大氣壓力發(fā)生了變化。在開口系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)、出口截面狀態(tài)參數(shù)不變時(shí)，而單位時(shí)間內(nèi)流入與流出的質(zhì)量相等，單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量與功量不變，則該系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)。錯(cuò)。系統(tǒng)處在穩(wěn)定狀態(tài)，而平衡狀態(tài)要求在沒有外界影響的前提下，系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化。熱力系統(tǒng)經(jīng)過任意可逆過程后，終態(tài)B的比容為vB大于初態(tài)A的比容vA，外界一定獲得了技術(shù)功。錯(cuò)。外界獲得的技術(shù)功可以是正，、零或負(fù)。在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上實(shí)行再熱，可以提高循環(huán)熱效率。錯(cuò)。在郎肯循環(huán)基礎(chǔ)上實(shí)行再熱的主要好處是可以提高乏汽的干度，如果中間壓力選的過低，會(huì)使熱效率降低。6．水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量等于膨脹功。錯(cuò)。因?yàn)樗羝臒崃W(xué)能不是溫度的單值函數(shù)，所以水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量并不是全部用與膨脹做功，還使水蒸汽的熱力學(xué)能增加。余隙容積是必需的但又是有害的，設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的時(shí)候應(yīng)盡可能降低余隙比。對(duì)。余隙容積的存在降低了容積效率，避免了活塞和氣門缸頭的碰撞，保證了設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的時(shí)候應(yīng)盡可能降低余容比。8．內(nèi)燃機(jī)定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率高。錯(cuò)。在循環(huán)增壓比相同吸熱量相同的情況下，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率高；但是在循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時(shí)，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率低。9．不可逆過程工質(zhì)的熵總是增加的，而可逆過程工質(zhì)的熵總是不變的。錯(cuò)。熵是狀態(tài)參數(shù)，工質(zhì)熵的變化量?jī)H與初始和終了狀態(tài)相關(guān)，而與過程可逆不可逆無(wú)關(guān)。10．已知濕空氣的壓力和溫度，就可以確定其狀態(tài)。錯(cuò)。濕空氣是干空氣與水蒸汽的混合物，據(jù)狀態(tài)公理，確定濕空氣的狀態(tài)需要三個(gè)狀態(tài)參數(shù)。二、簡(jiǎn)答題：熱力學(xué)第二定律可否表示為：機(jī)械能能完全轉(zhuǎn)換為熱能，而熱能不能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。不可以。機(jī)械能可以無(wú)條件地轉(zhuǎn)化為熱能，熱能在一定條件下也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。試畫出蒸汽壓縮制冷簡(jiǎn)單循環(huán)的T-s圖，并指出各熱力過程以及與過程相對(duì)應(yīng)的設(shè)備名稱。TsTs12340用蒸汽作循環(huán)工質(zhì)，其放熱過程為定溫過程，而我們又常說定溫吸熱和定溫放熱最為有利，可是為什么蒸汽動(dòng)力循環(huán)反較柴油機(jī)循環(huán)的熱效率低？考察蒸汽動(dòng)力循環(huán)和柴油機(jī)循環(huán)的熱效率時(shí)，根據(jù)熱效率的定義知道，熱效率的大小與平均吸熱溫度和平均放熱溫度有關(guān)。平均吸熱溫度越高，熱效率越高。蒸汽動(dòng)力循環(huán)由于受到工質(zhì)和材料的限制，其平均吸熱溫度是600℃左右；而柴油機(jī)循環(huán)的平均吸熱溫度是1300℃左右，所以蒸汽動(dòng)力循環(huán)反較柴油機(jī)循環(huán)的熱效率低。壓氣機(jī)按定溫壓縮時(shí)氣體對(duì)外放出熱量，而按絕熱壓縮時(shí)不向外放熱，為什么定溫壓縮反較絕熱壓縮更為經(jīng)濟(jì)？pvpv0P1P212T2s定溫壓縮的技術(shù)功是P1-1-2T-p2-p1的面積，絕熱壓縮的技術(shù)功是P1-1-2s-p2-p1的面積。顯然定溫壓縮的技術(shù)功比絕熱壓縮的技術(shù)功小。三.計(jì)算題：1.1kg氧氣置于圖所示的氣缸內(nèi)，缸壁能充分導(dǎo)熱，且活塞與缸壁無(wú)摩擦。初始時(shí)氧氣壓力為0.5Mpa、溫度為27℃。如果氣缸長(zhǎng)度為2L，活塞質(zhì)量為10kg，試計(jì)算拔除銷釘后，活塞可能達(dá)到的最大速度。氧氣的比熱容，k=1.395，l2l2l銷釘p0=0.1Mpat0=27℃p=0.5Mpat=27℃解：取氣缸內(nèi)的氧氣為研究對(duì)象。根據(jù)熱力學(xué)第一定律知道，加入系統(tǒng)的熱量一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能，一部分用于對(duì)外做功。根據(jù)題意：活塞如果要達(dá)到最大速度，那么氧氣膨脹過程中吸入的熱量全部用于對(duì)外做功，所以氧氣的熱力學(xué)能不發(fā)生變化。由于氧氣可以看作理想氣體，而理想氣體的熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，所以氧氣膨脹過程為可逆定溫膨脹過程。設(shè)環(huán)境溫度為T0，環(huán)境壓力為P0，氧氣的質(zhì)量為m，活塞的質(zhì)量為M，活塞最大速度為Vmax。氧氣初始狀態(tài)的壓力為P1，溫度為T1，容積為V1，氧氣膨脹后的容積為V2，膨脹過程的膨脹功為W。所以有：代入數(shù)據(jù)：2.空氣等熵流經(jīng)一縮放噴管，進(jìn)口截面上的壓力和溫度分別是0.58Mpa、440K，出口截面上的壓力。已知噴管進(jìn)口截面面積為2.6×10-3m2，空氣的質(zhì)量流量為1.5kg/s，試求噴管喉部面積及出口截面的面積和出口流速?？諝獾谋葻崛?，k=1.4，解：根據(jù)題意知道，進(jìn)口參數(shù)為，。出口截面上的壓力。噴管進(jìn)口截面A1面積2.6×10-3m2，空氣的質(zhì)量流量Q為1.5kg/s。噴管喉部面積出口流速出口截面的面積3.汽油機(jī)定容加熱理想循環(huán)進(jìn)氣參數(shù)為,，若循環(huán)壓縮比，定容增壓比。假設(shè)工質(zhì)是空氣，比熱可取定值，，Rg=287，(1)畫出循環(huán)p-v圖及T-s圖；(2)求循環(huán)的最高溫度和最高壓力；(3)計(jì)算循環(huán)的放熱量、循環(huán)凈功及循環(huán)的熱效率。解：（1）pT3324421100vs(2)T3、p3為循環(huán)的最高溫度和壓力(3)4.兩個(gè)質(zhì)量為m的比熱容為定值的相同物體，處于同一溫度T，將兩物體作為制冷機(jī)的冷、熱源，使熱從一物體傳出并交給另一物體，其結(jié)果是一個(gè)物體溫度升高，一個(gè)物體溫度降低。證明當(dāng)被冷卻物體溫度降到（）時(shí)所需最小功證明：要使得整個(gè)系統(tǒng)完成這一過程所需功量最小，則必須有一可逆制冷機(jī)在此工作，保證所構(gòu)成的孤立系統(tǒng)有所以有得到式中Tt為另一物體在過程終了所具有的溫度。由于過程中冷源傳出熱量熱源吸收熱量所以有第二單元一、判斷正誤并說明理由：1、穩(wěn)定流動(dòng)熱力系必為平衡熱力系;錯(cuò)。穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)部雖有確定的狀態(tài)參數(shù)，但其是靠外界的影響來維持的。2、技術(shù)功是流體的宏觀動(dòng)能，宏觀位能及所作出的軸功三者之和定義的;對(duì)。技術(shù)功包括宏觀動(dòng)能，宏觀位能及所作出的軸功。3、物質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)定溫變化過程以后，其熱力學(xué)能變化位零;錯(cuò)。對(duì)任意一非理想氣體來說，其熱力學(xué)能都是內(nèi)未能內(nèi)位能與內(nèi)動(dòng)能之和，而溫度僅是內(nèi)動(dòng)能的表征。使系統(tǒng)熵增加的過程一定是不可逆過程;錯(cuò)。過程的熵變包括熵產(chǎn)和熵流兩部分，過程可逆與否主要看熵產(chǎn)是大于還是等于零。如果某一過程的熵增加，該過程可以是在熵產(chǎn)等于等于零的情況下，熵流大于零。因此這句話不正確。在初壓不變時(shí)，背壓愈低，氣體通過拉閥爾噴管出口截面上流速和流量都愈大;錯(cuò)。對(duì)縮放噴管來說，當(dāng)背壓降到臨界壓力時(shí)，氣體流速達(dá)到音速。若背壓繼續(xù)降低，氣體流量保持不變。6、1kg空氣可以由p1=0.1MPa，t1=25℃被絕熱壓縮到p2=0.5MPa，t2=250℃;對(duì)。由7、在增壓比相同的情況下，有余隙與無(wú)余隙的壓氣機(jī)在壓縮1kg氣體時(shí)耗功必相同;對(duì)。在增壓比相同的情況下，有余隙與無(wú)余隙的壓氣機(jī)在壓縮1kg氣體時(shí)所耗循環(huán)凈功相等。8、物質(zhì)的氣化潛熱隨著飽和溫度的提高而增大;錯(cuò)。物質(zhì)的氣化潛熱隨著飽和溫度的提高而減小。9、逆卡諾循環(huán)的冷、熱溫差越大，則該循環(huán)的制冷系數(shù)越高;錯(cuò)。因?yàn)闇夭罴哟蠛墓σ搽S之增大，所以說制冷系數(shù)不一定提高。10、當(dāng)把一定量的氣體從相同的初態(tài)壓縮到相同的終態(tài)時(shí)，則可逆定溫壓縮過程最為省功.對(duì)。從p-v圖中技術(shù)功的大小可以看出。二、簡(jiǎn)答題：1.如圖所示，理想氣體有兩個(gè)任意過程a—b及a—c，b、c在同一條絕熱線上，試問與哪個(gè)大？若b、c在同一條等溫線上，結(jié)果又如何？pbacovb、c在同一條絕熱線上，大于若b、c在同一條等溫線上，等于2、在T-s圖上有兩個(gè)定壓線p1,p2，試比較p1,p2的大小。TP1P20sP2小于p1。假設(shè)有一定熵過程1-2，可以看出T1大于T2，所以系統(tǒng)做出技術(shù)功。3、當(dāng)工質(zhì)為定值比熱容的空氣時(shí)，試問可逆定壓過程中加入的熱量有百分之多少轉(zhuǎn)變成膨脹功？由熱力學(xué)第一定律第二表達(dá)式，可逆定壓過程中加入的熱量。由熱力學(xué)第一定律第一表達(dá)式，膨脹功。將代入膨脹功的表達(dá)式，得到三.計(jì)算題：1.如圖所示，已知?dú)飧變?nèi)空氣p1=2×105Pa，彈簧剛度k=40kN/m，活塞直徑D=0.4m，活塞重可忽略不計(jì)，而且活塞與缸壁間無(wú)摩擦。大氣壓力p2=5×105Pa。求該過程彈簧的位移及氣體作的膨脹功。.解：以彈簧為系統(tǒng)，其受力τ=kL，彈簧的初始長(zhǎng)度為=0.314m彈簧位移=0.942m氣體作的膨脹功原則上可利用可用功計(jì)算，但此時(shí)p與V的函數(shù)關(guān)系不便確定，顯然，氣體所作的膨脹功W應(yīng)該等于壓縮彈簧作的功W1加克服大氣阻力作的功W2，因此若能求出W1與W2，則W也就可以確定。W=W1+W2=29.58+11.84=41.42k2.壓氣機(jī)空氣由P1=100kPa，T1=400K，定溫壓縮到終態(tài)P2=1000kPa，過程中實(shí)際消耗功比可逆定溫壓縮消耗軸功多25%。求：壓縮每kg氣體的總熵變。解：取壓氣機(jī)為控制體。按可逆定溫壓縮消耗軸功：實(shí)際消耗軸功： 由開口系統(tǒng)能量方程，忽略動(dòng)能、位能變化：因?yàn)槔硐霘怏w定溫過程：h1=h2故：孤立系統(tǒng)熵增：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流：由不變氣體源來的壓力，溫度的空氣，流經(jīng)一噴管進(jìn)入壓力保持在的某裝置中，若流過噴管的流量為，來流速度可忽略不計(jì)，試設(shè)計(jì)該噴管？解;求滯止參數(shù)因，所以初始狀態(tài)即可認(rèn)為是滯止?fàn)顟B(tài)，則,選型所以，為了使氣體在噴管內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全膨脹，需選宿放噴管，則。求臨界截面及出口截面參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)及流速）或求臨界截面和出口截面面積及漸擴(kuò)段長(zhǎng)度取頂錐角內(nèi)燃機(jī)混合加熱循環(huán)的及圖如下圖所示.已知,,,壓縮比，循環(huán)最高壓力，循環(huán)最高溫度，工質(zhì)視為空氣。試計(jì)算：循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的壓力，溫度和容積。解各狀態(tài)點(diǎn)的基本狀態(tài)參數(shù)點(diǎn)1：，，點(diǎn)2：點(diǎn)3：，點(diǎn)4：，點(diǎn)5第三單元一、判斷正誤并說明理由：1.穩(wěn)定流動(dòng)能量方程不能用于有摩擦的情況。錯(cuò)。用于穩(wěn)定流動(dòng)的任何工質(zhì)、任意過程2.在增壓比相同的情況下，有余隙與無(wú)余隙的壓氣機(jī)在壓縮1kg氣體時(shí)耗功必相同。對(duì)。3.邁耶公式適用于一切理想氣體。對(duì)。4.在相同的溫度和壓力下，實(shí)際氣體的比體積必小于按理想氣體計(jì)算的比體積，即Z＜1。錯(cuò)，Z可以大于、小于、等于1。5.物質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)定溫變化過程以后，其熱力學(xué)能變化位零。錯(cuò)。對(duì)任意一非理想氣體來說，其熱力學(xué)能都是內(nèi)位能與內(nèi)動(dòng)能之和，而溫度僅是內(nèi)動(dòng)能的表征6.系統(tǒng)的平衡狀態(tài)是指系統(tǒng)在無(wú)外界影響的條件下，宏觀熱力性質(zhì)不隨時(shí)間而變化的狀態(tài)。對(duì)。7．當(dāng)壓力升高，飽和溫度也升高了，故飽和蒸汽的比體積將增大。錯(cuò)，飽和蒸氣的比體積減小。8．工質(zhì)流體在開口絕熱系統(tǒng)中作不可逆穩(wěn)定流動(dòng)，則系統(tǒng)熵變大于零。錯(cuò)，穩(wěn)定流動(dòng)，系統(tǒng)的熵不變。9．采用再熱和抽氣回?zé)岷头绞?，可以提高朗肯循環(huán)的熱效率。錯(cuò)，再熱循環(huán)不一定能提高熱效率。10．任何不可逆過程工質(zhì)的熵總是增加的，而任何可逆過程工質(zhì)的熵總是不變的。錯(cuò)，上述論點(diǎn)是針對(duì)孤立系統(tǒng)而言的，并非任意的系統(tǒng)。二、簡(jiǎn)答題：1.試在T-s圖上表示簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力循環(huán)（朗肯循環(huán)）,說明組成循環(huán)的熱力過程并指出在何種設(shè)備中進(jìn)行。1-2是定熵膨脹汽輪機(jī)，2-3是定壓放熱冷凝器，3-4是定熵壓縮--水泵，4-1是定壓吸熱鍋爐。2、向充滿濕空氣的剛性容器內(nèi)加入等溫的干空氣，問：水蒸氣的分壓力、相對(duì)濕度、含濕量以及濕空氣比焓和比體積如何變化？水蒸氣的分壓力不變；相對(duì)濕度不變；含濕量減?。粷窨諝獗褥蕼p??；比體積減小。3、有人提出一個(gè)循環(huán)1-2-3-1：其中1-2是可逆定溫吸熱過程、2-3是可逆絕熱過程、3-1是不可逆絕熱過程，如圖所示，1、2、3分別為平衡狀態(tài)，試問循環(huán)能否實(shí)現(xiàn)，為什么？21213STpv或：用克勞修斯積分不等式來判斷。四.計(jì)算題：1．1千克空氣在多變過程中吸熱時(shí)，將使其容積增大到原來的4倍，壓力降低一半，空氣k=1.4，求此過程中空氣的（1）熱力學(xué)能的變化；（2）熵的變化（3）對(duì)外所作的技術(shù)功；（4）在p-v和T-s圖畫出該過程解：；（1）（2）（3）（4）見上圖2．將100kg、溫度為20℃的水與200kg溫度為80℃的水在絕熱容器中混合，求混合前后水的熵變及做功能力損失。水的比熱容，環(huán)境溫度。解對(duì)于閉口系統(tǒng)，，，所以。設(shè)混合后水的溫度為t,則有：，得到，，絕熱過程熵流等于零，由熵方程知，熵產(chǎn)等于熵變，所以火用損失為3．壓力，溫度的空氣，流經(jīng)一噴管進(jìn)入壓力保持在的某裝置中，若流過噴管的流量為，，，求：噴管的形狀，出口截面積，最小截面及出口處的流速。解求滯止參數(shù)因，所以初始狀態(tài)即可認(rèn)為是滯止?fàn)顟B(tài)，則,選型所以，為了使氣體在噴管內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全膨脹，需選縮放噴管，則。求臨界截面及出口截面參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)及流速）或出口截面面積第四單元一、判斷正誤并說明理由：1.閉口熱力系統(tǒng)即為定容系統(tǒng)；錯(cuò)誤。閉口系統(tǒng)由于與外界沒有物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)包含的物質(zhì)質(zhì)量為一不變的常量，所以閉口系統(tǒng)又可稱為控制質(zhì)量系統(tǒng)。2.工質(zhì)流體在開口絕熱系統(tǒng)中作不可逆穩(wěn)定流動(dòng)，則系統(tǒng)熵變大于零；錯(cuò)。穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)熵變?yōu)榱?。物質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)定溫變化過程以后，其熱力學(xué)能變化為零；錯(cuò)。對(duì)任意一非理想氣體來說，其熱力學(xué)能都是內(nèi)未能內(nèi)位能與內(nèi)動(dòng)能之和，而溫度僅是內(nèi)動(dòng)能的表征。4.使系統(tǒng)熵增加的過程一定是不可逆過程；錯(cuò)。過程的熵變包括熵產(chǎn)和熵流兩部分，過程可逆與否主要看熵產(chǎn)是大于還是等于零。如果某一過程的熵增加，該過程可以是在熵產(chǎn)等于等于零的情況下，熵流大于零。因此這句話不正確。絕熱節(jié)流是等焓過程；錯(cuò)。是焓不變的過程，但在節(jié)流閥附近，焓值不是確定的值。6.在相同熱源和在相同冷源之間的一切熱機(jī)，無(wú)論采用什么工質(zhì)，他們的熱效率均相等；錯(cuò)。應(yīng)該是一切可逆熱機(jī)。7.絕熱自由膨脹過程中，工質(zhì)若為理想氣體，則過程熵增大，但氣體若是遵循范德瓦爾斯方程，則過程熵變?yōu)榱?；錯(cuò)誤。因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)與過程無(wú)關(guān)。理想氣體的任何絕熱過程都可用常數(shù)來描述其過程；錯(cuò)誤。該式適用于可逆絕熱過程。方程僅適用于可逆過程；錯(cuò)誤。該方程適用于任何過程。10.如果飽和液體經(jīng)歷一可逆絕熱膨脹過程至一較低的壓力，部分液體將蒸發(fā)。正確。當(dāng)壓力p降低，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也降低。二、簡(jiǎn)答題：1、解釋一下為什么深秋的早晨會(huì)結(jié)露？由于深秋的早晨溫度比較低，于是該溫度對(duì)應(yīng)的水蒸汽的飽和壓力降低，而空氣中水蒸汽的分壓力不變，這樣就導(dǎo)致空氣的相對(duì)濕度增加，當(dāng)其超過100％時(shí)，就會(huì)有液體的水出現(xiàn)。此時(shí)空氣的溫度低于水蒸汽的分壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，即露點(diǎn)溫度，所以出現(xiàn)露水。三、計(jì)算題：1.某氣體可作定比熱容理想氣體處理。其摩爾質(zhì)量，摩爾定壓熱容為定值。氣體從初態(tài)，，在無(wú)摩擦的情況下，經(jīng)過的多變過程，膨脹到。試求終態(tài)溫度、每千克氣體所作的技術(shù)功、所吸收的熱量及熵的變化。解：多變過程（）1）終態(tài)溫度2）每千克氣體所作的技術(shù)功為3）所吸收的熱量4）熵的變化2、某正循環(huán)可逆熱機(jī)，在溫度為30℃的環(huán)境和4000kg的0℃的冰間工作，最后0℃的冰變?yōu)?0℃的水，試求可逆機(jī)能對(duì)外作的凈功為多少？已知冰的溶解熱為333kJ/kg（冰在溶解過程中溫度不變），水的比熱c=4.1868kJ/kg.K。解：取冰和與之相關(guān)的邊界作為孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)可逆時(shí)，熱機(jī)對(duì)外做的功最大。高溫?zé)嵩礊榄h(huán)境，環(huán)境放熱為負(fù)低溫?zé)嵩吹奈鼰岱殖杀娜芙夂退募訜?，其中冰溶解時(shí)溫度不變第五單元一、簡(jiǎn)答題：1.向充滿相對(duì)濕度為的濕空氣的剛性容器內(nèi)充入干空氣，若平衡后容器內(nèi)溫度不變，則相對(duì)濕度、含濕量和水蒸汽分壓力怎么變化。答：由含濕量的定義知道