工程熱力學試卷與答案

一、是非判斷：是在〔〕內畫“＋〞號，非在〔〕內畫“—〞號，每題1分，共10分1、熱力系是指所有參與熱力過程的物體群〔〕。2、絕熱閉口系的熵增就是孤立系的熵增〔〕。3、狀態(tài)方程是描述狀態(tài)參數之間關系的方程〔〕。4、平衡狀態(tài)是指在沒有外界作用的條件下，熱力系宏觀性質不隨時間變化的狀態(tài)〔〕。5、通用氣體常數對實際氣體和理想氣體都是一個不變的常數〔〕。6、工質經過不可逆過程的熵變必然等于經歷可逆過程的熵變〔〕。7、理想氣體的熱力學能、焓和熵都僅僅是溫度的單值函數〔〕。8、理想氣體絕熱節(jié)流后溫度不變〔〕。9、在φ=1時，干球溫度t濕球溫度tw和露點溫度td不相等〔〕。10、任何動力循環(huán)，循環(huán)凈功w0總等于循環(huán)凈熱量q0，即總有w0=q0〔〕。二、選擇填空：每題1分，共10分1、絕熱系與外界沒有〔〕交換。A、熱量B、物質C、功2、在所列的壓力中哪個不是狀態(tài)參數〔〕。A、絕對壓力B、分壓力C、表壓力3、功損來自于〔〕。A、不等溫傳熱B、物質交換C、運動摩擦4、不可逆損失來源于〔〕。A、運動摩擦B、不等溫傳熱C、任何耗散效應5、干度χ的取值可以是〔〕。A、χ=1B、χ>1C、χ<16、漸縮噴管出口氣體的流速是〔〕。A、M<1B、M>1C、M=17、不可逆循環(huán)的熵產必然是〔〕。A、等于零B、大于零C、小于零8、卡諾熱機效率比實際熱機效率〔〕。A、小B、二者相等C、大9、制冷系數ε可以是〔〕。A、大于1B、等于1C、小于110、供熱系數ζ可以是〔〕。A、大于1B、等于1C、小于1三、指出以下各對概念之間主要的區(qū)別每題2分，共10分1、理想氣體與實際氣體2、定容比熱與容積比熱3、可逆過程與不可逆過程4、熵流與熵產5、飽和濕蒸氣與飽和濕空氣四、某容器被一剛性壁分成兩局部，在容器的不同部位安裝有壓力表，如以下圖所示。壓力表B上的讀數為75kPa,壓力表C上的讀數為0.11MPa。如果大氣壓力為97kPa，試確定壓力表A上的讀數及容器兩局部內空氣的絕對壓力。(10分)五、某熱機在每個循環(huán)中從T1=600K的高溫熱源吸收Q1=419kJ的熱量和可逆地向T2=300K的低溫熱源假設分別排出(1)Q2=209.5kJ；(2)Q2=314.25kJ；(3)Q2=104.75kJ熱量，請用兩種方法計算證明，在這三種情況中，哪個是不可逆的、哪個是可逆的和哪個是不可能的？并對不可逆循環(huán)計算出其不可逆損失，大氣環(huán)境溫度T0=300K〔20分〕六、溫度為300K天然氣〔甲烷〕絕熱節(jié)流后壓力由4MPa降為2MPa，試求(1)節(jié)流造成天然氣比熵的增加ΔS；(2)節(jié)流造成天然氣熵產Sg；(3)如果天然氣由上述參數經過膨脹透平進行可逆絕熱膨脹，壓力也降為2MPa，那么每kg天然氣將能作出多少功？(4)將節(jié)流過程和可逆絕熱膨脹過程分別畫在T-S圖和P-V圖上。天然氣〔甲烷〕視為定比熱理想氣體，κ0=1.3，Rg=518.3J/(kg·K)(10分)七、如下圖，一次抽汽回熱循環(huán)，蒸汽初壓力，初溫，抽汽壓力，，并各點值如下：，，，，，，鍋爐總加熱量試求：(1)鍋爐內水的質量流量；(2)兩臺水泵總耗功率；(3)汽輪機作功率；(4)冷凝器放熱；(5)循環(huán)熱效率。(25分)八、蒸汽動力循環(huán)中，蒸汽輪機排氣壓力是否越低越好？降低有哪些限制？(5分2007年秋季學期工程熱力學答案〔A卷〕一、1．〔－〕；2．〔＋〕；3．〔－〕；4．〔＋〕；5．〔－〕；6．〔＋〕；7．〔－〕；8．〔＋〕；9．〔－〕；10．〔＋〕。二、1．A；2．B、C；3．C；4．A、B、C；5．A、C；6．A、C；7．B；8．A、B、C；9．A、B、C；10．A。三、1．可逆過程沿原路反向進行使系統(tǒng)恢復到原狀態(tài)之后，給系統(tǒng)和外界均沒有留下任何影響；不可逆過程沿原路反向進行使系統(tǒng)恢復到原狀態(tài)之后將給外界留下某種不可消除的影響。2．二者差異在體積和作用力上，理想氣體分子本身無體積，分子間無作用力，而實際氣體恰恰相反。3．二者計量的根底單位相同，容積比熱是以單位體積〔容積m3〕來計算；而定容比熱是以單位質量〔kg〕來計算，而且比容是不變的。4．二者差異在于起因不同。熵流來自熱力系與外界間的相互作用〔熱量交換、質量交換〕引起的熵的變化量；熵產來自熱力系內部不可逆因素〔內摩擦、內熱流等〕所造成的熵的產生量。5．二者差異有二，其一，濕蒸氣是一種化學成分H2O構成的，而飽和濕空氣是空氣和水蒸氣多種化學成分構成的；其二，飽和濕蒸氣是飽和液體〔水〕和干飽和蒸汽的混合物，其中水和蒸汽都是飽和的；飽和濕空氣雖是干空氣和水蒸氣的混合物，其中水蒸氣是飽和的，但空氣遠未到達飽和。四、解：P1=Pc+Pb=0.11MPa+0.097MPa=0.207MPa∵P1=PB+P2∴P2=P1-PB=0.207-0.075=0.132MPa∵P2=PA+Pb∴PA=P2-Pb=0.132-0.097=0.035MPa五、1．采用孤立系統(tǒng)熵增原理證明(1)，可逆(2)，不可逆(3)，不可能(4)2．采用卡諾定理證明(1)可逆(2)，不可逆(3)，不可能(4)3．采用克勞修斯積分計算證明(1)，可逆(2),不可逆(3)，不可能(4)六、(1)甲烷視為定比熱理想氣體，絕熱節(jié)流過程溫度不變，因而其比熵的增加為(2)(3)(4)圖七、解：先求出抽氣量α4點焓值：由回熱器能量方程，可得(1)鍋爐內的水質流量(2)水泵耗功(3)汽輪機功率(4)冷凝器放熱量(5)循環(huán)熱效率八、蒸汽動力循環(huán)中蒸汽輪機的排氣壓力P2并不是越低越好。從汽輪機自身膨脹作功這個局部來看，在初態(tài)不變的前提下，P2越低，蒸汽在汽輪機中膨脹做功越多，當然有利。但是從裝置全局分析，并非P2越低越好。因為，P2↓，必然要求凝汽器真空度↑，→凝汽器換熱面積↑，→冷卻水量↑，→冷卻管徑↑，→冷卻水泵耗功↑=〉導致制造本錢、初投資和運行費用增加。綜合考慮這些因素，P2↓未必帶來整體裝置經濟性↑，這是一個經濟性限制。還有蒸汽輪機排汽為飽和濕蒸氣，排汽壓力P2↓，取決于排氣溫度t2↓,這個t2總要比冷卻水溫高，才能有效冷卻放熱，而冷卻水溫度只能維持在0-350C，必須在零度以上。綜合這些因素之后，排汽溫度t2大約為300C左右。所以P2大約為0.05MPa左右，這是P2↓的傳熱學限制。還有個限制就是如果P2太低了，那么會造成y2↑，導致汽輪機低壓缸末級蒸汽濕度過大，不利于汽機平安運行。－、單項選擇題〔40分，每題2分〕1．比熱是過程量，定壓比熱B。A.表示比體積一定時比內能隨溫度的變化率B.是溫度與壓力的狀態(tài)函數C.與系統(tǒng)質量成正比D.也是過程量2．對閉口系任意微元過程,假設系統(tǒng)的熵變等于零,那么___C___。A.該過程可逆B.該過程不可逆C.無法判定過程的可逆與否D.必為吸熱過程3．概括性卡諾循環(huán)熱機的效率可以表示為____A_____。A.B.C.D.〔下標“1〞表示高溫，“2〞表示低溫，“net〞表示循環(huán)〕4．理想氣體多變過程的比熱為_D__。A.B.C.D.5．在壓縮比相同、吸熱量相同時，定容加熱循環(huán)〔Otto〕、定壓加熱循環(huán)〔Diesel〕和混合加熱循環(huán)的效率()大小依次為_____B_____。A.B.C.D.6．對于閉口系絕熱過程，錯誤的表述是D。A.熵變等于熵產B.過程功的大小等于內能差C.熵變必大于零D.必為等熵過程7.準平衡過程是指___B___的過程。A.弛豫時間很長B.不平衡勢差無限小C.溫差無限小D.壓差無限小8．理想氣體的比內能和比焓_____C____。A.是溫度與壓力的函數B.是壓力的函數C.在初終態(tài)壓力不同,溫度相同時的變化值相同D.在初終態(tài)壓力相同,溫度不相同時的變化值相同9．適用于____C___。A.定壓過程B.準平衡過程C.無耗散的準平衡過程D.理想氣體的任意過程10．濕空氣B。A.可當作純物質來處理B.中的干空氣與水蒸汽均可視為理想氣體C.中的干空氣與水蒸汽的狀態(tài)由分體積定律確定D.中的干空氣必須視為混合物11．在理想氣體壓容圖上，等熵線____C_____。A.的斜率為B.比等溫線平緩C.比等溫線陡D.的斜率為12．閉系經歷一不可逆循環(huán)，作循環(huán)功5KJ,那么___D__。A.熵變小于零B.循環(huán)熱小于5KJC.熵變大于零D.循環(huán)熱等于5KJ13．空氣的平均分子量為28.97,定壓比熱=1004J/(kg.K),其定容比熱為___A____J/(kg.K)。A.717B.0.717C.1006D.200614.、熱量(Ex,Q)A。A.是過程量B.是狀態(tài)量C.恒為正D.恒為負15．相同初終態(tài)參數條件下，不可逆過程的B。A.熵變一定大于可逆過程的熵變B.焓差一定等于可逆過程的焓差C.熵變一定小于可逆過程的熵變D.焓差一定小于可逆過程的焓差16．1kg理想氣體在一容器內作絕熱自由膨脹,體積擴大了兩倍，熵差為__A_。A.B.C.D.17．濕空氣的相對濕度＝100％時，說明空氣中B。A.只有水蒸氣B.的水蒸氣處于飽和狀態(tài)C.的水蒸氣的絕對含量很高D.的干空氣處于飽和狀態(tài)18．濕空氣的狀態(tài)可以由A確定。A.3個強度參數B.總壓與干球溫度C.總壓與相對濕度D.比焓和濕球溫度19．攝氏溫標B。A.是經驗溫標B.是由熱力學溫標導出的溫標C.有兩個基準點D.在水的冰點與沸點無量測誤差20．與理想氣體比擬，實際氣體的最大兩個特點是A。A.分子占有體積和分子間有作用力B.分子占有體積和壓縮因子等1C.壓縮因子等于1和分子間有作用力D.以上選擇都不對二、作圖題〔10分,每題5分〕1．定性地畫出具有回熱的燃氣輪機裝置示意圖。并在T-s圖上定性地畫出各個不同的熱力過程，并說明這些過程各在哪個部件內完成的，其特點是什么？氣輪機氣輪機壓氣機燃燒室回熱器eq\o\ac(○,S)sT回熱器〔等壓吸熱〕回熱器〔等壓放熱〕氣輪機〔等熵膨脹〕壓氣機〔等熵壓縮〕燃燒室〔等壓燃燒〕2．在T-s圖上表示每公斤理想氣體由狀態(tài)1等熵可逆膨脹到狀態(tài)2時膨脹功的大小。并說明為什么。sseq\o\ac(○,V)eq\o\ac(○,T)eq\o\ac(○,S)陰影面積三、簡述題〔20分，每題10分〕1．簡述熱量的定義。在熱力系統(tǒng)中有絕熱閉口系的定義，在開口系統(tǒng)中，由于有流體的進出，就不可能有絕熱開口系，該說法對否？分析之。答：熱量是過程量，是體系與體系之間或體系與環(huán)境之間通過溫差傳遞的無序能量。開口系也可以是絕熱的，因為流體進出帶進和帶出的是流體的焓與動勢能。2．在循環(huán)最高溫度與最低溫度一定的條件下，說明Brayton循環(huán)〔布雷頓定壓加熱循環(huán)〕的循環(huán)功和增壓比之間的關系，熱效率和增壓比之間的關系，并給出最正確熱效率和極限熱效率的定義。答：Brayton循環(huán)的熱效率僅隨增壓比的升高而升高，當增溫比一定時增壓比存在一最大值，此時的熱效率稱為極限熱效率。當增壓比從最小〔等于1〕變到最大時，循環(huán)功并非單調增，而是在增壓比最小與最大值間存在一最正確增壓比，此時循環(huán)功最大。最正確增壓比對應熱效率稱最正確熱效率。四、計算題〔30分，每題15分〕偱環(huán)T2T11.欲設計一熱機，使之能從973K的高溫熱源吸熱2000kJ，并向溫度為303K的冷源放熱800kJ。〔1〕此循環(huán)能否實現？〔2〕假設把此熱機當制冷機用，從冷源吸熱800kJ，能否向熱源放熱2000kJ？假設使之從冷源吸熱800kJ，至少消耗多少功偱環(huán)T2T1解：〔1〕可實現〔2〕不可行〔3〕可逆循環(huán)耗功最少eq\o\ac(○,S)vpeq\o\ac(○,S)eq\o\ac(○,P)eq\o\ac(○,P)2.某燃氣輪機裝置循環(huán)為Brayton循環(huán)，即定壓加熱循環(huán)。燃燒室出口溫度為t3=800℃，壓氣機進口為環(huán)境大氣壓p1＝0.1MPa，環(huán)境溫度t1=20℃，壓氣機出口壓力p2=0.8MPa。循環(huán)功率為800KW，取空氣的cp=1004J/(kg·K)，解：工程熱力學Ⅰ〔A卷〕〔閉卷，150分鐘〕班級姓名學號成績一、簡答題(每題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?？赡孢^程的主要特征是驅動過程進行的勢差無限小，即準靜過程，且無耗散。2.溫度為500°C的熱源向熱機工質放出500kJ的熱量，設環(huán)境溫度為30°C，試問這局部熱量的火用〔yong〕值〔最大可用能〕為多少？答：303.95kJ3.兩個不同溫度〔T1,T2〕的恒溫熱源間工作的可逆熱機，從高溫熱源T1吸收熱量Q1向低溫熱源T2放出熱量Q2，證明：由高溫熱源、低溫熱源、熱機和功源四個子系統(tǒng)構成的孤立系統(tǒng)熵增。假設功源的熵變△SW=0。證明：四個子系統(tǒng)構成的孤立系統(tǒng)熵增為〔1分〕對熱機循環(huán)子系統(tǒng)：1分1分根據卡諾定理及推論：1分那么：。1分BB隔板A自由膨脹4.剛性絕熱容器中間用隔板分為兩局部，A中存有高壓空氣，B中保持真空，如右圖所示。假設將隔板抽去，試分析容器中空氣的狀態(tài)參數〔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式出發(fā)，證明絕熱節(jié)流過程中，節(jié)流前后工質的焓值不變?！步^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式為絕熱節(jié)流過程是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，因此有如下簡化條件，那么上式可以簡化為：根據質量守恒，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；假設表為Pi，那么該組元的狀態(tài)方程可寫成：PiV=miRiT。7.高、低溫熱源的溫差愈大，卡諾制冷機的制冷系數是否就愈大，愈有利？試證明你的結論。答：否，溫差愈大，卡諾制冷機的制冷系數愈小，耗功越大。〔2分〕證明：，當不變，時，、。即在同樣下(說明得到的收益相同)，溫差愈大，需消耗更多的外界有用功量，制冷系數下降?！?分〕8.一個控制質量由初始狀態(tài)A分別經可逆與不可逆等溫吸熱過程到達狀態(tài)B，假設兩過程中熱源溫度均為。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，對于可逆過程其熵產為零，故熱熵流將大于不可逆過程?？梢?，可逆過程的熱量將大于不可逆過程；〔3分〕由熱力學第一定律，，因過程的初、終狀態(tài)相同，熱力學能變化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?！?分〕二、作圖題：〔每題5分，共10分〕試在所給參數坐標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n應當在什么數值范圍內(圖中請標明四個根本過程線)：1〕壓縮、升溫、吸熱的過程2〕膨脹、降溫、吸熱的過程。答：(1)；(2)評分：四條根本線〔2分〕兩條曲線〔2分〕n取值〔1分〕2.如下圖T－s圖上理想氣體任意可逆過程1－2的熱量如何表示？熱力學能變化量、焓變化量如何表示？假設過程1－2是不可逆的，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，熱力學能和焓變化量相同三、計算題：〔共50分〕1.壓氣機在95kPa、25℃的狀態(tài)下穩(wěn)定地以340m3/min的容積流率吸入空氣，進口處的空氣流速可以忽略不計；壓氣機排口處的截面積為0.025m2，排出的壓縮空氣的參數為200kPa、120℃。壓氣機的散熱量為60kJ/min?？諝獾臍怏w常數Rg=0.287kJ/(kg.K)，比定熱容cV=0.717kJ/(kg.K)，求壓氣機所消耗的功率?！?6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即〔a〕其中：將以上數據代入式〔a〕，可得壓氣機所消耗的功率為：N28kg0.1MPa17℃N22kg0.07MPa67℃2.在高溫環(huán)境中有一容器，A側裝有2kg氮氣，壓力為0.07MPa，溫度為67℃；B側裝有8kg氮氣，壓力為0.1MPa，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?，F翻開閥門，氮氣由B流向A。氮氣可視為理想氣體，氣體常數Rg,N2=297J/(kg·K)，過程中的平均定容比熱容cv=0.742kJ/(kg·K)，假設壓力平衡時容器中氣體溫度為t2=N28kg0.1MPa17N22kg0.07MPa67解：⑴容器A和B的容積分別為〔4分〕取A+B中的氣體為系統(tǒng)〔CM〕，m=mA+mB=2+8=10kgV=VA+VB=2.8851+6.8904=9.7755m3〔2終態(tài)時的氣體壓力〔2分〕⑵按題給，系統(tǒng)不對外作功，有〔5分〕⑶原在A中的氮氣熵變〔2分〕原在B中的氮氣熵變〔2分〕全部氮氣的熵變〔1分〕3.將100kg溫度為30℃的水與200kg溫度為80℃的水在絕熱容器中混合，假定容器內壁與水之間也是絕熱的，且水的比熱容為定值，取，環(huán)境溫度為17℃。求混合過程導致的可用能損失？〔16分〕解：以絕熱熔器內水為研究對象，由其能量方程可得可得水的混合過程的熵變?yōu)橛捎诮^熱混合過程的做功能力的損失為工程熱力學〔機械2005級〕試題參考答案2007--2023學年上學期時間120分鐘工程熱力學課程32學時2學分考試形式：開卷專業(yè)年級：機械05級總分100分，占總評成績70%填空〔每空2分，總計20分〕1、根本熱力學狀態(tài)參數有：〔壓力〕、〔溫度〕、〔體積〕。2、理想氣體的熱力學能是溫度的〔單值〕函數。3、熱力平衡的充要條件是：〔系統(tǒng)內部及系統(tǒng)與外界之間各種不平衡的熱力勢差為零〕。4、不可逆絕熱過程中，由于不可逆因素導致的熵增量，叫做〔熵產〕。5、卡諾循環(huán)由〔兩個可逆定溫和兩個可逆絕熱〕熱力學過程組成。6、熵增原理指出了熱力過程進行的〔方向〕、〔限度〕、〔條件〕。簡答題〔20分〕1、〔5分〕如圖1，某種理想氣體有兩任意過程a-b和a-c，b，c在同一可逆絕熱線上，試問：Δuab和Δuac哪個大？解：〔方法一〕過b、c分別作等溫線，因為，故圖1圖1〔方法二〕考慮過程b-c，方法二方法一方法二方法一圖22、〔5分〕某理想氣體經歷4個過程，如圖2所示。圖2〔1〕將各過程畫在p-v圖上，并說明作圖過程；〔2〕指出過程加熱或放熱，膨脹或壓縮。解：因為：1-3：，且那么有：所以邊壓縮邊放熱1-2：，那么所以有邊膨脹邊放熱1-4：邊膨脹邊吸熱1-5：邊膨脹邊吸熱邊降溫3、〔6分〕某循環(huán)在700K的熱源及400K的冷源之間工作，如圖3所示?！?〕用克勞修斯積分不等式判別循環(huán)是熱機循環(huán)還是制冷循環(huán)，可逆還是不可逆?〔3分〕〔2〕用卡諾定理判別循環(huán)是熱機循環(huán)還是制冷循環(huán)，可逆還是不可逆?〔3分〕圖3圖3解：方法1：設為熱機循環(huán)不可能設為制冷循環(huán)：符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循環(huán)方法2：設為熱機循環(huán)設為制冷循環(huán)，所以是不可逆制冷循環(huán)4、〔4分〕請問一下幾種說法正確嗎？為什么？〔1〕熵增大的過程必為不可逆過程；答：不正確。熵增大的過程不一定為不可逆過程，因為熵增大包括熵流和熵產兩局部，如果熵流大于0，而熵產為0的可逆過程，上仍然是增大的?！?〕熵產的過程必為不可逆過程。答：正確。熵產是由于熱力過程中的不可逆因素導致的，因此當熵產，那么此過程必定為不可逆過程。三、計算題：〔60分〕圖41、〔15分〕如圖4所示，氣缸內充以空氣，活塞及負載205kg，缸壁充分導熱，活塞的初始高度為10cm，活塞的橫截面積為100cm2，氣缸內的空氣初始溫度為27℃，初始壓力為771mmmHg。假設取走90kg負載，待平衡后，求：圖4〔1〕活塞上升的高度；〔7分〕〔2〕氣體在過程中作的功，?！?分〕解：缸內氣體為熱力系-閉口系。突然取走90kg負載，氣體失去平衡，振蕩后最終建立新的平衡。雖不計摩擦，但由于非準