工程熱力學(xué) 試題及標(biāo)準(zhǔn)答案 - 共2套

專業(yè)、班級(jí)姓名學(xué)號(hào)專業(yè)、班級(jí)姓名學(xué)號(hào)------------------------------密-----------------------------封---------------------------線------------------------試題C第1頁︵共3頁︶工程熱力學(xué)試題C標(biāo)準(zhǔn)答案題號(hào)題號(hào)一二三四五六七八九十總分得分一、簡答與分析題一、簡答與分析題（共75分）1.什么是平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)的充要條件是什么？(4分)答：平衡狀態(tài)：在不受外界影響的條件下,如果系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不隨時(shí)間變化,則該系統(tǒng)所處的狀態(tài)為平衡狀態(tài)。（2分）實(shí)現(xiàn)平衡狀態(tài)的充要條件是系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與外界無勢(shì)差；或處于熱平衡、力平衡。（2分）2.參見右圖，圖中OA、OB為理想氣體多變過程，在表中填上這2個(gè)過程ΔT、W、Q的“＋”、“－”號(hào)；并在圖中畫出壓力下降過程OC。（4分）過程ΔTWQOA+－－OB+++OC－－－OA、OB填對(duì)一空得0.5分，畫出OC線得1分；3.由同一初態(tài)經(jīng)可逆絕熱壓縮和不可逆絕熱壓縮兩種過程將某種理想氣體壓縮到相同的終壓，在P-v圖和T-s圖上畫出兩過程，并在T-s圖上示出兩過程的技術(shù)功及不可逆過程的做功能力損失。（5分）答：作圖如下(圖對(duì)得3分)圖中12s為可逆絕熱壓縮；12為不可逆絕熱壓縮。T1=T1面積1’-2s-s1-s1’-1’為可逆絕熱壓縮消耗的技術(shù)功；面積1’-2-s2-s1’-1’為不可逆絕熱壓縮消耗的技術(shù)功。T0為環(huán)境溫度，帶陰影線部分面積為不可逆過程的做功能力損失(2分)4.兩個(gè)卡諾熱機(jī)在兩個(gè)熱源之間串聯(lián)運(yùn)行，這兩個(gè)熱源分別保持1000K和300K的溫度。第一個(gè)熱機(jī)排除的熱量進(jìn)入第二個(gè)熱機(jī)。如果第一個(gè)熱機(jī)的效率比第二個(gè)熱機(jī)的效率高20%，試計(jì)算中間溫度。（5分）解令T1=1000K，T3=300K，中間溫度為T2，則：1-T2／T1=（1+20%）（1-T3／T2），則將T1，T2代入可得T2=508.28K5.蒸汽在噴管出口壓力低于臨界壓力時(shí)，應(yīng)使用____縮放_(tái)_____噴管，如不改變蒸汽進(jìn)口狀態(tài)與流速參數(shù)，適當(dāng)增大噴管出口的截面積，則該噴管出口的蒸汽流量不變。(4分)6.下述說法是否有錯(cuò)誤：（1）不可逆過程的熵變S無法計(jì)算；（2）如果從同一初始態(tài)到同一終態(tài)有兩條途徑，一為可逆，另一為不可逆，則S不可逆>S可逆，Sf，不可逆>Sf，可逆，Sg，不可逆>Sg，可逆；（3）不可逆絕熱膨脹終態(tài)熵大于初態(tài)熵S2>S1，不可逆絕熱壓縮終態(tài)熵小于初態(tài)熵S2<S1;（4）工質(zhì)經(jīng)過不可逆循環(huán)，。答：（1）錯(cuò)。熵是狀態(tài)參數(shù)，只要能夠確定起迄點(diǎn)，就可以確定熵變S。（2）錯(cuò)。應(yīng)為S不可逆=S可逆、Sf，不可逆<Sf，可逆、Sg，不可逆>Sg，可逆。因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)，同一初始狀態(tài)和同一終了狀態(tài)之間的熵差保持同一數(shù)值，與路徑無關(guān)。（3）錯(cuò)。不可逆絕熱壓縮過程的終態(tài)熵也大于初態(tài)熵，S2>S1。（4）錯(cuò)。，因?yàn)殪厥菭顟B(tài)參數(shù)。7.在T-s圖上畫出蒸汽動(dòng)力裝置的郎肯循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)，并簡單分析采用回?zé)嵫h(huán)是否一定能提高循環(huán)的熱效率？(5分)答：右圖是郎肯循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)的循環(huán)圖。（3分，每圖得1.5分）回?zé)嵫h(huán)一定可以提高循環(huán)的熱效率，原因在于回?zé)嵫h(huán)增大了進(jìn)入鍋爐的水的溫度，從而提高了平均吸熱溫度，在平均放熱溫度不變時(shí)，一定提高循環(huán)熱效率。（2分）8.通過h-d圖找到未飽和濕空氣的干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度，給出它們之間的大小關(guān)系。(4分)干球溫度t>濕球溫度ts>露點(diǎn)溫度tl(得3分)畫圖得1分9.活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)的熱力性能比較分析，條件：初態(tài)相同，壓縮比相同，放熱量相同，試在一個(gè)T-S圖上繪制出定容加熱、定壓加熱及混合加熱循環(huán)的熱力循環(huán)圖，并從平均溫度的角度比較三者的熱效率關(guān)系。（8分）答：ηv>ηm>ηp或定容加熱循環(huán)>混合加熱循環(huán)>定壓加熱循環(huán)(3分)圖畫對(duì)得3分，每個(gè)循環(huán)對(duì)得1分。10.在lnp-h圖上畫出蒸汽壓縮制冷循環(huán)的熱力循環(huán)圖，在圖上用線段標(biāo)示出制冷量、放熱量和耗功的大小，說明各過程都是在什么設(shè)備中完成的，并給出制冷系數(shù)的表達(dá)。(6分)答：圖畫對(duì)得2分。壓縮過程：壓氣機(jī)或壓縮機(jī)；冷凝過程：冷凝器；節(jié)流過程：節(jié)流閥；蒸發(fā)過程：蒸發(fā)器。（2分）每對(duì)1個(gè)得0.5分。制冷量：q0=h4-h1耗功：w0=h2-h1放熱量：qk=h3-h2制冷系數(shù)：ε=q0/w0（2分）每對(duì)1個(gè)得0.5分。11.一活塞汽缸設(shè)備內(nèi)裝有５Kg的水蒸氣，由初態(tài)的比熱力學(xué)能u1=2709.9kJ/kg，膨脹到u2=2659.6kJ/kg，過程中加給水蒸氣的熱量為80KJ，通過攪拌器的軸輸入系統(tǒng)18.5KJ的軸功。若系統(tǒng)無動(dòng)能、位能的變化，試求通過活塞所做的功。解:取氣缸為熱力系統(tǒng)，且為閉口系統(tǒng)，能量方程為方程中是總功，應(yīng)包括攪拌器的軸功和活塞膨脹功，則能量方程為二、計(jì)算題（共25分）1.氣體在氣缸中被壓縮，氣體的熱力學(xué)能和熵的變化分別為45kJ/kg和-0.289kJ/(kg·K),外界對(duì)氣體做功170kJ/kg，過程中氣體只與環(huán)境交換熱量，環(huán)境溫度為300K。問該過程能否實(shí)現(xiàn)？(10分)解：=45-170=-125kJ/kg(3分)環(huán)境熵變△S0=Q/Tr=-125/300<0(2分)取氣缸與環(huán)境為孤立系統(tǒng)，則△Siso=△S0+△S(3分)由此可知，△Siso<0，故該過程不能實(shí)現(xiàn)。(2分)2.有1Kg空氣，初始狀態(tài)為p1=0.5MPa，t1=500℃。（1）絕熱膨脹到p2=0.1MPa；（2）定溫膨脹到p2=0.1MPa；（3）多變膨脹到p2=0.1MPa，多變指數(shù)n=1.2。試將各過程畫在p-v圖和T-S圖上，并計(jì)算△s12。設(shè)過程可逆，且比熱容cv=0.718。（15分）【解】空氣的=287==（1）絕熱過程，=0（2）定溫膨脹，==0.462（3）多變膨脹，=0.718+0.287=1.005再由，可得===0.192一、簡答與分析題（共75分）1.什么是可逆過程？可逆過程與準(zhǔn)靜態(tài)過程有何區(qū)別？(5分)答：可逆過程：若熱力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)歷一個(gè)熱力過程后，有可能沿原過程逆向進(jìn)行，使系統(tǒng)和有關(guān)的外界都返回原來的初始狀態(tài)，不留下任何變化。則該過程稱為可逆過程。(3分)聯(lián)系：可逆過程為無功耗散效應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過程。(2分)2.一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)歷了由1-2、2-3、3-1等三個(gè)過程組成的循環(huán)，試填補(bǔ)表中缺失的數(shù)據(jù)。(8分)過程Q/kJW/kJU/kJ過程Q/kJW/kJU/kJ1-22001001-22001001002-3-502-3150-502003-1100-3003-1100400-3003.通過h-d圖找到未飽和濕空氣A的干球溫度、濕球溫度和露點(diǎn)溫度，給出它們之間的大小關(guān)系。(4分)干球溫度t>濕球溫度ts>露點(diǎn)溫度tl(得3分)畫圖得1分4.壓氣機(jī)由狀態(tài)(p1,T1)壓縮到p2，可以經(jīng)歷的壓縮過程有可逆絕熱過程、1<n<k的多變過程和定溫過程。試把它們表示在T-s圖上；并把1<n<k的多變過程的技術(shù)功和放熱量用T-s圖上的面積來表示。(8分)答：1）在T-S圖上1－2s、1－2n及1－2T分別表示絕熱過程、1﹤n﹤k的多變過程及定溫過程。(5分)2）多變過程的軸功面積為12n2Tba1，放熱量面積為12nca1(3分)5.P1為蒸汽進(jìn)入漸縮噴管的壓力，P2為蒸汽流出噴管時(shí)的壓力，當(dāng)P1保持不變時(shí)，降低P2，此時(shí)通過噴管的流量隨P2降低而增大；但當(dāng)P2降低一定值時(shí),不管其P2怎樣減小，噴管出口截面壓力、流速、流量均保持不變，這時(shí)噴管產(chǎn)生了臨界現(xiàn)象，這時(shí)在漸縮噴管出口處對(duì)應(yīng)的壓力，稱為_臨界_壓力。（3分）6.兩塊相同的金屬塊被加熱到溫度TA，第一塊迅速被冷卻到環(huán)境溫度T0，其熵變?yōu)椤鱏1；第二塊在環(huán)境中緩慢冷卻到T0，接近準(zhǔn)靜態(tài)過程，其熵變?yōu)椤鱏2；試說明這兩個(gè)過程△S1、△S2的大小關(guān)系，簡單說明理由。(6分)答：△S1=△S2(3分)，由于熵是狀態(tài)參數(shù)，只與首末狀態(tài)有關(guān)，由于三塊金屬的初溫、終溫均相同，因此熵變相同。(3分)7下述說法是否正確，并簡要說明原因：（1）熵增大的過程必定為吸熱過程；（2）熵產(chǎn)Sg>0的過程必為不可逆過程；（3）定熵過程必為可逆絕熱過程；（4）熵增大的過程必為不可逆過程；（5）使系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程。(10分)答：（1）錯(cuò)。不可逆絕熱過程熵也會(huì)增大。（2）對(duì)。（3）錯(cuò)。不可逆放熱過程，當(dāng)放熱引起的熵減等于不可逆引起的熵增時(shí)（亦即當(dāng)放熱量等于不可逆耗散所產(chǎn)生的熱量時(shí)），它也可以表現(xiàn)為熵沒有發(fā)生變化。（4）錯(cuò)?？赡嫖鼰徇^程熵增大。（5）錯(cuò)。理由如上?？梢哉f：“使孤立系統(tǒng)熵增大的過程必為不可逆過程。”每小題2分。8.某循環(huán)在700K的熱源及400K的冷源之間工作，試判別循環(huán)是熱機(jī)循環(huán)還是制冷循環(huán)，可逆還是不可逆?(8分)答：(2分)方法1（克勞修斯積分方法）設(shè)為熱機(jī)循環(huán)(3分)不可能設(shè)為制冷循環(huán)：(3分)符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循環(huán)。也可以采用熱效率和制冷系數(shù)的方法。9.活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)的熱力性能比較分析，條件：初態(tài)相同，循環(huán)最高壓力和最高溫度相同，試在一個(gè)T-S圖上繪制出定容加熱、定壓加熱及混合加熱循環(huán)的熱力循環(huán)圖，并從平均溫度的角度比較三者的熱效率關(guān)系。（8分）答：T-S圖如圖所示。圖畫對(duì)得5分。若定容加熱理想循環(huán)熱效率為，定壓加熱理想循環(huán)熱效率為，混合加熱理想循環(huán)熱效率為，則有(3分)10.在T-s圖上畫出蒸汽動(dòng)力裝置的郎肯循環(huán)，當(dāng)初溫和背壓不變時(shí)，分析提高汽輪機(jī)入口的蒸汽初壓對(duì)循環(huán)熱效率的影響。（7分）答：圖畫對(duì)得4分。保持t1、p2不變，提高p1，將提高吸熱平均溫度，提高循環(huán)的熱效率。然而，乏汽的干度減小，將影響汽輪機(jī)后幾級(jí)葉片安全。(3分)11.在lnp－h(huán)圖上繪制出蒸汽壓縮制冷循環(huán)的熱力循環(huán)圖，在圖上用線段標(biāo)示出單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量、裝置所消耗的功、冷卻水帶走的熱量，并簡要說明在不改變壓縮機(jī)耗功情況下，有什么方法可以提高循環(huán)的制冷系數(shù)。（8分）答：如圖所示lnp－h(huán)，（4分）單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量：qc（1分）裝置所消耗的功：wc（1分）冷卻水帶走的熱量：q0（1分）可以采取過冷的方法，使冷凝過程的結(jié)束點(diǎn)，出現(xiàn)在過冷液體區(qū)。（1分）二、計(jì)算題（共25分）1.有一個(gè)絕熱的剛性容器，中間有隔板把容器分為兩部分。一部分中充有0.3kg、壓力為0.5MPa、溫度為17℃的空氣。另一部分為真空。設(shè)抽去隔板后整個(gè)容器內(nèi)壓力為0.4MPa，而溫度仍為17℃。(1)試從熱力學(xué)第二定律角度證明該過程為不可逆過程；(2)試求當(dāng)室溫為17℃時(shí)該過程中空氣作功能力的損失。（10分）解（1）根據(jù)熵增原理來判別過程是否可逆。按理想氣體熵變化的公式可得到空氣熵的變化為：（2分）因該過程中系統(tǒng)和外界未發(fā)生任何熱交換，故外界的熵變化為零，即。（2分）于是按熵增原理，因;說明該過程為不可逆過程。（2分）（2）按不可逆過程中系統(tǒng)做功能力損失的公式，該過程中系統(tǒng)的作功能力的損失為（2分）實(shí)際上，如果空氣由狀態(tài)1至狀態(tài)2是一個(gè)可逆的定溫過程，則空氣所作的功為。因，故過程中空氣所作的功的數(shù)值即等于上述自由膨脹過程的作功能力的損失。（2分）2.設(shè)有1Kmol某種理想氣體進(jìn)行如圖所示循環(huán)1-2-3-1。且已知：T1=1500K、T2=300K、p2=0.1MPa。設(shè)比熱容為定值，取絕熱指數(shù)k=1.4。求：（1）初態(tài)壓力；（2）在T-S圖上畫出該循環(huán)；（3）求循環(huán)熱效率；（4）該循環(huán)的放熱很理想，T1也較高，但熱效率不很高，問原因何在？（提示：算出平均溫度）(15分)專業(yè)、班級(jí)姓名專業(yè)、班級(jí)姓名學(xué)號(hào)--------------------------密-------------------------封------------------------------線------------------------------------試題C第2頁︵共3頁︶試題C第3試題C第3頁︵共3頁︶專業(yè)、班級(jí)姓名學(xué)號(hào)----------------------------密----