湖南大学工程热力学试题及答案2

湖南大学工程热力学试题及答案2一、选择题（每题2分，共20分）1.理想气体经历绝热自由膨胀后，它的（）A.内能不变，温度不变，熵增加B.内能不变，温度升高，熵增加C.内能增加，温度升高，熵增加D.内能不变，温度不变，熵不变

答案：A

解析：绝热自由膨胀过程中，气体与外界无热量交换（Q=0），且气体对外不做功（W=0）。根据热力学第一定律\(\DeltaU=Q+W\)，可得\(\DeltaU=0\)，即内能不变。理想气体内能仅与温度有关，内能不变则温度不变。而绝热自由膨胀是一个不可逆过程，根据熵增加原理，不可逆过程熵增加，所以熵增加。

2.工质经历一个不可逆循环后，其熵变（）A.大于零B.等于零C.小于零D.不确定

答案：B

解析：熵是状态参数，其变化量只与初末状态有关。循环过程初末状态相同，所以熵变等于零。

3.卡诺循环的热效率只与（）有关。A.高温热源温度B.低温热源温度C.高温热源和低温热源温度D.循环的工质

答案：C

解析：卡诺循环热效率公式\(\eta_{c}=1\frac{T_{2}}{T_{1}}\)，其中\(T_{1}\)为高温热源温度，\(T_{2}\)为低温热源温度，所以只与高温热源和低温热源温度有关。

4.对于渐缩喷管，当喷管出口压力\(p_{2}\)（）临界压力\(p_{cr}\)时，喷管出口流速\(c_{f2}\)等于当地音速\(a\)。A.大于B.等于C.小于D.不确定

答案：B

解析：渐缩喷管中，当\(p_{2}=p_{cr}\)时，达到临界状态，出口流速\(c_{f2}\)等于当地音速\(a\)。

5.湿空气的含湿量\(d\)反映了湿空气中（）的质量。A.水蒸气B.干空气C.水蒸气与干空气之和D.水蒸气与干空气之差

答案：A

解析：含湿量\(d\)定义为每千克干空气中所含有的水蒸气质量。

6.水蒸气的定压产生过程中，随着压力的升高，汽化潜热（）A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小

答案：B

解析：随着压力升高，水的汽化潜热逐渐减小，当压力达到临界压力时，汽化潜热为零。

7.多变指数\(n=0\)的过程是（）A.定温过程B.定压过程C.定容过程D.绝热过程

答案：B

解析：根据多变过程方程\(pV^{n}=C\)，\(n=0\)时，\(p=C\)，即定压过程。

8.气体在喷管中流动，当\(M\)（）1时，气体流速大于当地音速，喷管为渐扩喷管。A.大于B.等于C.小于D.不确定

答案：A

解析：当\(M>1\)时，为超音速流动，喷管为渐扩喷管。

9.制冷系数\(\varepsilon\)的定义式为（）A.\(\frac{q_{0}}{w}\)B.\(\frac{w}{q_{0}}\)C.\(\frac{q_{1}}{w}\)D.\(\frac{w}{q_{1}}\)

答案：A

解析：制冷系数\(\varepsilon=\frac{q_{0}}{w}\)，其中\(q_{0}\)为从低温物体吸收的热量，\(w\)为外界对制冷机做的功。

10.闭口系统与开口系统的区别在于（）A.有无物质进出系统B.有无能量交换C.系统是否与外界有热量交换D.系统是否对外做功

答案：A

解析：闭口系统无物质进出，开口系统有物质进出。

二、填空题（每题2分，共20分）1.热力学第零定律指出：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。其重要性在于它给出了（温度）的定义。2.理想气体的内能是温度的（单值）函数。3.实际气体的内能包括内动能和（内位能）。4.可逆过程的特点是过程进行中系统内部及系统与外界之间（无限接近平衡状态）。5.卡诺循环由两个可逆定温过程和两个可逆（绝热）过程组成。6.水蒸气的形成过程分为（未饱和水的定压预热过程）、（饱和水汽化过程）和（干饱和蒸汽的定压过热过程）三个阶段。7.湿空气的相对湿度\(\varphi\)的定义式为（\(\varphi=\frac{p_{v}}{p_{s}}\)），其中\(p_{v}\)为水蒸气分压力，\(p_{s}\)为饱和水蒸气分压力。8.喷管中气体的流速\(c_{f}\)与滞止参数和当地参数的关系为（\(c_{f}=\sqrt{2c_{p}(T_{0}T)}\)）（对于理想气体定比热情况）。9.热泵循环的工作系数\(\varepsilon^{\prime}\)定义式为（\(\frac{q_{1}}{w}\)），其中\(q_{1}\)为向高温热源放出的热量，\(w\)为外界对热泵做的功。10.气体动力循环中，提高循环热效率的主要途径有（提高循环平均吸热温度）和（降低循环平均放热温度）。

三、简答题（每题5分，共20分）1.简述热力学第二定律的两种表述及其等效性。答：克劳修斯表述：热量不可能自发地不花代价地从低温物体传向高温物体。开尔文普朗克表述：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。

两种表述的等效性可以通过反证法证明。假设克劳修斯表述不成立，即热量可以自发地不花代价地从低温物体传向高温物体，那么可以设计一个热机，使其从高温热源吸热\(Q_{1}\)，一部分用于对外做功\(W\)，另一部分\(Q_{2}\)自发地传给低温热源。然后让低温热源将热量\(Q_{2}\)自发地传回高温热源，这样整个系统就相当于从单一热源吸热\(Q_{1}Q_{2}\)并全部转化为功，这与开尔文普朗克表述矛盾。反之，若开尔文普朗克表述不成立，也可推出克劳修斯表述不成立，所以两种表述是等效的。

2.什么是理想气体？理想气体状态方程是什么？答：理想气体是一种假想的气体模型，其分子被假设为不占体积的弹性小球，分子间无相互作用力。

理想气体状态方程为\(pV=nRT\)，其中\(p\)为压力，\(V\)为体积，\(n\)为物质的量，\(R\)为普适气体常数，\(T\)为热力学温度。

3.简述水蒸气定压发生过程的pv图和Ts图。答：在pv图上，水蒸气定压发生过程分为三个阶段：未饱和水的定压预热过程：从初态未饱和水开始，压力不变，比体积增大，过程线为一条向右上方倾斜的直线。饱和水汽化过程：达到饱和状态后，继续加热水汽化，比体积迅速增大，过程线近似为一条水平直线。干饱和蒸汽的定压过热过程：汽化结束后，再加热成为过热蒸汽，比体积继续增大，过程线向右上方倾斜。

在Ts图上：未饱和水的定压预热过程：温度升高，熵增加，过程线为一条向右上方倾斜的曲线。饱和水汽化过程：温度不变，熵增加，过程线为一条水平直线。干饱和蒸汽的定压过热过程：温度升高，熵增加，过程线向右上方倾斜。

4.简述提高朗肯循环热效率的方法。答：提高蒸汽初参数：提高蒸汽初压力\(p_{1}\)和初温度\(t_{1}\)，可提高循环平均吸热温度，从而提高热效率。降低蒸汽终参数：降低乏汽压力\(p_{2}\)，可降低循环平均放热温度，提高热效率。但乏汽压力不能降得过低，否则会受到末级叶片尺寸、凝汽器构造等限制。采用再热循环：在汽轮机中间某一级抽出部分蒸汽，送回锅炉再热器中加热后，重新返回汽轮机继续做功。这样可提高循环平均吸热温度，提高热效率。采用回热循环：从汽轮机不同中间级抽出部分蒸汽，加热锅炉给水，提高给水温度，使水在锅炉中吸收的热量减少，从而提高循环热效率。

四、计算题（每题20分，共40分）1.某理想气体在气缸中进行可逆绝热膨胀，初态压力\(p_{1}=0.8MPa\)，温度\(t_{1}=150^{\circ}C\)，终态压力\(p_{2}=0.1MPa\)。已知该气体的比热容\(c_{p}=1.004kJ/(kg\cdotK)\)，\(c_{v}=0.717kJ/(kg\cdotK)\)。求：气体的绝热指数\(\kappa\)；终态温度\(t_{2}\)；单位质量气体对外做的功\(w\)。

解：绝热指数\(\kappa=\frac{c_{p}}{c_{v}}=\frac{1.004}{0.717}\approx1.4\)

根据绝热过程方程\(p_{1}^{1\kappa}T_{1}^{\kappa}=p_{2}^{1\kappa}T_{2}^{\kappa}\)，可得：\[\begin{align*}T_{2}&=T_{1}(\frac{p_{1}}{p_{2}})^{\frac{1\kappa}{\kappa}}\\&=(150+273)(\frac{0.8}{0.1})^{\frac{11.4}{1.4}}\\&=423\times8^{\frac{0.4}{1.4}}\\&=423\times0.488\\&\approx207K\\t_{2}&=207273=66^{\circ}C\end{align*}\]

单位质量气体对外做的功\(w=c_{v}(T_{1}T_{2})\)\[\begin{align*}w&=0.717\times(423207)\\&=0.717\times216\\&=154.872kJ/kg\end{align*}\]

2.一蒸汽动力循环采用朗肯循环，蒸汽初压力\(p_{1}=3MPa\)，初温度\(t_{1}=400^{\circ}C\)，乏汽压力\(p_{2}=0.004MPa\)。已知汽轮机进出口的焓值\(h_{1}=3230.9kJ/kg\)，\(h_{2}=2147.4kJ/kg\)，水泵进出口的焓值\(h_{3}=12.6kJ/kg\)，\(h_{4}=13.0kJ/kg\)。求：循环吸热量\(q_{1}\)；循环放热量\(q_{2}\)；循环热效率\(\eta_{t}\)；汽轮机的功率\(P_{T}\)（若蒸汽流量\(m=100t/h\)）。

解：循环吸热量\(q_{1}=h_{1}h_{4}=3230.913.0=3217.9kJ/kg\)

循环放热量\(q_{2}=h_{2}h_{3}=2147.412.6=2134.8kJ/kg\)

循环热效率\(\eta_{t}=1\frac{q_{2}}{q_{1}}=1\frac{2134.8}{3217.9}\approx0.337\)或\(33.7\%\)

蒸汽流量\(m=100t/h=\frac{100\times10^{3}}{3600}kg/s\)汽轮机的功率\(P_{T}=m(h_{1}h_{2})=\frac{100\times10^{3}}{3600}\times(3230.92147.4)\)\[\begin{ali