工程热力学 试题及标准答案 - 共2套

专业、班级姓名学号专业、班级姓名学号------------------------------密-----------------------------封---------------------------线------------------------试题C第1页︵共3页︶工程热力学试题C标准答案题号题号一二三四五六七八九十总分得分一、简答与分析题一、简答与分析题（共75分）1.什么是平衡状态，实现平衡状态的充要条件是什么？(4分)答：平衡状态：在不受外界影响的条件下,如果系统的状态参数不随时间变化,则该系统所处的状态为平衡状态。（2分）实现平衡状态的充要条件是系统内部、系统与外界无势差；或处于热平衡、力平衡。（2分）2.参见右图，图中OA、OB为理想气体多变过程，在表中填上这2个过程ΔT、W、Q的“＋”、“－”号；并在图中画出压力下降过程OC。（4分）过程ΔTWQOA+－－OB+++OC－－－OA、OB填对一空得0.5分，画出OC线得1分；3.由同一初态经可逆绝热压缩和不可逆绝热压缩两种过程将某种理想气体压缩到相同的终压，在P-v图和T-s图上画出两过程，并在T-s图上示出两过程的技术功及不可逆过程的做功能力损失。（5分）答：作图如下(图对得3分)图中12s为可逆绝热压缩；12为不可逆绝热压缩。T1=T1面积1’-2s-s1-s1’-1’为可逆绝热压缩消耗的技术功；面积1’-2-s2-s1’-1’为不可逆绝热压缩消耗的技术功。T0为环境温度，带阴影线部分面积为不可逆过程的做功能力损失(2分)4.两个卡诺热机在两个热源之间串联运行，这两个热源分别保持1000K和300K的温度。第一个热机排除的热量进入第二个热机。如果第一个热机的效率比第二个热机的效率高20%，试计算中间温度。（5分）解令T1=1000K，T3=300K，中间温度为T2，则：1-T2／T1=（1+20%）（1-T3／T2），则将T1，T2代入可得T2=508.28K5.蒸汽在喷管出口压力低于临界压力时，应使用____缩放______喷管，如不改变蒸汽进口状态与流速参数，适当增大喷管出口的截面积，则该喷管出口的蒸汽流量不变。(4分)6.下述说法是否有错误：（1）不可逆过程的熵变S无法计算；（2）如果从同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，则S不可逆>S可逆，Sf，不可逆>Sf，可逆，Sg，不可逆>Sg，可逆；（3）不可逆绝热膨胀终态熵大于初态熵S2>S1，不可逆绝热压缩终态熵小于初态熵S2<S1;（4）工质经过不可逆循环，。答：（1）错。熵是状态参数，只要能够确定起迄点，就可以确定熵变S。（2）错。应为S不可逆=S可逆、Sf，不可逆<Sf，可逆、Sg，不可逆>Sg，可逆。因为熵是状态参数，同一初始状态和同一终了状态之间的熵差保持同一数值，与路径无关。（3）错。不可逆绝热压缩过程的终态熵也大于初态熵，S2>S1。（4）错。，因为熵是状态参数。7.在T-s图上画出蒸汽动力装置的郎肯循环和回热循环，并简单分析采用回热循环是否一定能提高循环的热效率？(5分)答：右图是郎肯循环和回热循环的循环图。（3分，每图得1.5分）回热循环一定可以提高循环的热效率，原因在于回热循环增大了进入锅炉的水的温度，从而提高了平均吸热温度，在平均放热温度不变时，一定提高循环热效率。（2分）8.通过h-d图找到未饱和湿空气的干球温度、湿球温度和露点温度，给出它们之间的大小关系。(4分)干球温度t>湿球温度ts>露点温度tl(得3分)画图得1分9.活塞式内燃机理想循环的热力性能比较分析，条件：初态相同，压缩比相同，放热量相同，试在一个T-S图上绘制出定容加热、定压加热及混合加热循环的热力循环图，并从平均温度的角度比较三者的热效率关系。（8分）答：ηv>ηm>ηp或定容加热循环>混合加热循环>定压加热循环(3分)图画对得3分，每个循环对得1分。10.在lnp-h图上画出蒸汽压缩制冷循环的热力循环图，在图上用线段标示出制冷量、放热量和耗功的大小，说明各过程都是在什么设备中完成的，并给出制冷系数的表达。(6分)答：图画对得2分。压缩过程：压气机或压缩机；冷凝过程：冷凝器；节流过程：节流阀；蒸发过程：蒸发器。（2分）每对1个得0.5分。制冷量：q0=h4-h1耗功：w0=h2-h1放热量：qk=h3-h2制冷系数：ε=q0/w0（2分）每对1个得0.5分。11.一活塞汽缸设备内装有５Kg的水蒸气，由初态的比热力学能u1=2709.9kJ/kg，膨胀到u2=2659.6kJ/kg，过程中加给水蒸气的热量为80KJ，通过搅拌器的轴输入系统18.5KJ的轴功。若系统无动能、位能的变化，试求通过活塞所做的功。解:取气缸为热力系统，且为闭口系统，能量方程为方程中是总功，应包括搅拌器的轴功和活塞膨胀功，则能量方程为二、计算题（共25分）1.气体在气缸中被压缩，气体的热力学能和熵的变化分别为45kJ/kg和-0.289kJ/(kg·K),外界对气体做功170kJ/kg，过程中气体只与环境交换热量，环境温度为300K。问该过程能否实现？(10分)解：=45-170=-125kJ/kg(3分)环境熵变△S0=Q/Tr=-125/300<0(2分)取气缸与环境为孤立系统，则△Siso=△S0+△S(3分)由此可知，△Siso<0，故该过程不能实现。(2分)2.有1Kg空气，初始状态为p1=0.5MPa，t1=500℃。（1）绝热膨胀到p2=0.1MPa；（2）定温膨胀到p2=0.1MPa；（3）多变膨胀到p2=0.1MPa，多变指数n=1.2。试将各过程画在p-v图和T-S图上，并计算△s12。设过程可逆，且比热容cv=0.718。（15分）【解】空气的=287==（1）绝热过程，=0（2）定温膨胀，==0.462（3）多变膨胀，=0.718+0.287=1.005再由，可得===0.192一、简答与分析题（共75分）1.什么是可逆过程？可逆过程与准静态过程有何区别？(5分)答：可逆过程：若热力学系统经历一个热力过程后，有可能沿原过程逆向进行，使系统和有关的外界都返回原来的初始状态，不留下任何变化。则该过程称为可逆过程。(3分)联系：可逆过程为无功耗散效应的准静态过程。(2分)2.一个系统经历了由1-2、2-3、3-1等三个过程组成的循环，试填补表中缺失的数据。(8分)过程Q/kJW/kJU/kJ过程Q/kJW/kJU/kJ1-22001001-22001001002-3-502-3150-502003-1100-3003-1100400-3003.通过h-d图找到未饱和湿空气A的干球温度、湿球温度和露点温度，给出它们之间的大小关系。(4分)干球温度t>湿球温度ts>露点温度tl(得3分)画图得1分4.压气机由状态(p1,T1)压缩到p2，可以经历的压缩过程有可逆绝热过程、1<n<k的多变过程和定温过程。试把它们表示在T-s图上；并把1<n<k的多变过程的技术功和放热量用T-s图上的面积来表示。(8分)答：1）在T-S图上1－2s、1－2n及1－2T分别表示绝热过程、1﹤n﹤k的多变过程及定温过程。(5分)2）多变过程的轴功面积为12n2Tba1，放热量面积为12nca1(3分)5.P1为蒸汽进入渐缩喷管的压力，P2为蒸汽流出喷管时的压力，当P1保持不变时，降低P2，此时通过喷管的流量随P2降低而增大；但当P2降低一定值时,不管其P2怎样减小，喷管出口截面压力、流速、流量均保持不变，这时喷管产生了临界现象，这时在渐缩喷管出口处对应的压力，称为_临界_压力。（3分）6.两块相同的金属块被加热到温度TA，第一块迅速被冷却到环境温度T0，其熵变为△S1；第二块在环境中缓慢冷却到T0，接近准静态过程，其熵变为△S2；试说明这两个过程△S1、△S2的大小关系，简单说明理由。(6分)答：△S1=△S2(3分)，由于熵是状态参数，只与首末状态有关，由于三块金属的初温、终温均相同，因此熵变相同。(3分)7下述说法是否正确，并简要说明原因：（1）熵增大的过程必定为吸热过程；（2）熵产Sg>0的过程必为不可逆过程；（3）定熵过程必为可逆绝热过程；（4）熵增大的过程必为不可逆过程；（5）使系统熵增大的过程必为不可逆过程。(10分)答：（1）错。不可逆绝热过程熵也会增大。（2）对。（3）错。不可逆放热过程，当放热引起的熵减等于不可逆引起的熵增时（亦即当放热量等于不可逆耗散所产生的热量时），它也可以表现为熵没有发生变化。（4）错。可逆吸热过程熵增大。（5）错。理由如上。可以说：“使孤立系统熵增大的过程必为不可逆过程。”每小题2分。8.某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，试判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?(8分)答：(2分)方法1（克劳修斯积分方法）设为热机循环(3分)不可能设为制冷循环：(3分)符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循环。也可以采用热效率和制冷系数的方法。9.活塞式内燃机理想循环的热力性能比较分析，条件：初态相同，循环最高压力和最高温度相同，试在一个T-S图上绘制出定容加热、定压加热及混合加热循环的热力循环图，并从平均温度的角度比较三者的热效率关系。（8分）答：T-S图如图所示。图画对得5分。若定容加热理想循环热效率为，定压加热理想循环热效率为，混合加热理想循环热效率为，则有(3分)10.在T-s图上画出蒸汽动力装置的郎肯循环，当初温和背压不变时，分析提高汽轮机入口的蒸汽初压对循环热效率的影响。（7分）答：图画对得4分。保持t1、p2不变，提高p1，将提高吸热平均温度，提高循环的热效率。然而，乏汽的干度减小，将影响汽轮机后几级叶片安全。(3分)11.在lnp－h图上绘制出蒸汽压缩制冷循环的热力循环图，在图上用线段标示出单位质量工质的制冷量、装置所消耗的功、冷却水带走的热量，并简要说明在不改变压缩机耗功情况下，有什么方法可以提高循环的制冷系数。（8分）答：如图所示lnp－h，（4分）单位质量工质的制冷量：qc（1分）装置所消耗的功：wc（1分）冷却水带走的热量：q0（1分）可以采取过冷的方法，使冷凝过程的结束点，出现在过冷液体区。（1分）二、计算题（共25分）1.有一个绝热的刚性容器，中间有隔板把容器分为两部分。一部分中充有0.3kg、压力为0.5MPa、温度为17℃的空气。另一部分为真空。设抽去隔板后整个容器内压力为0.4MPa，而温度仍为17℃。(1)试从热力学第二定律角度证明该过程为不可逆过程；(2)试求当室温为17℃时该过程中空气作功能力的损失。（10分）解（1）根据熵增原理来判别过程是否可逆。按理想气体熵变化的公式可得到空气熵的变化为：（2分）因该过程中系统和外界未发生任何热交换，故外界的熵变化为零，即。（2分）于是按熵增原理，因;说明该过程为不可逆过程。（2分）（2）按不可逆过程中系统做功能力损失的公式，该过程中系统的作功能力的损失为（2分）实际上，如果空气由状态1至状态2是一个可逆的定温过程，则空气所作的功为。因，故过程中空气所作的功的数值即等于上述自由膨胀过程的作功能力的损失。（2分）2.设有1Kmol某种理想气体进行如图所示循环1-2-3-1。且已知：T1=1500K、T2=300K、p2=0.1MPa。设比热容为定值，取绝热指数k=1.4。求：（1）初态压力；（2）在T-S图上画出该循环；（3）求循环热效率；（4）该循环的放热很理想，T1也较高，但热效率不很高，问原因何在？（提示：算出平均温度）(15分)专业、班级姓名专业、班级姓名学号--------------------------密-------------------------封------------------------------线------------------------------------试题C第2页︵共3页︶试题C第3试题C第3页︵共3页︶专业、班级姓名学号----------------------------密----