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工程热力学期末复习题1答案

一、判断题：

1. 平衡状态一定稳定状态。

2. 热力学第一定律的实质是能量守恒定律； 3．公式d u = c v d t 适用理想气体的任何过程。

4．容器中气体的压力不变则压力表的读数也绝对不会改变。 5．在T —S 图上，任意二条可逆绝热过程线不能相交。 6．膨胀功与流动功都是过程的函数。

7．当把一定量的从相同的初始状态压缩到相同的终状态时，以可逆定温压缩过程最为省功。

8．可逆过程是指工质有可能沿原过程逆向进行，并能恢复到初始状态的过程。

9. 根据比热容的定义式

T q

d d c

，可知理想气体的p c 为一过程量；

10. 自发过程为不可逆过程，非自发过程必为可逆过程； 11．在管道内作定熵流动时，各点的滞止参数都相同。 12．孤立系统的熵与能量都是守恒的。 13．闭口绝热系的熵不可能减少。

14．闭口系统进行了一个过程，如果熵增加了，则一定是从外界吸收了热量。 15．理想气体的比焓、比熵和比定压热容都仅仅取决与温度。 16．实际气体绝热节流后温度一定下降。

17．任何不可逆过程工质的熵总是增加的，而任何可逆过程工质的熵总是不变的。 18. 不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率；

19．混合气体中质量成分较大的组分，其摩尔成分也一定大。 20．热力学恒等式du=Tds-pdv 与过程可逆与否无关。

21．当热源和冷源温度一定，热机内工质能够做出的最大功就是在两热源间可逆热机对外输出的功。

22．从饱和液体状态汽化成饱和蒸汽状态，因为气化过程温度未变，所以焓的变

化量Δh=c pΔT=0。

23．定压过程的换热量q p=∫c p dT仅适用于理想气体，不能用于实际气体。24．在p－v图上，通过同一状态点的定熵过程的斜率大于定温过程的斜率。

25. 压缩过程耗功是体积膨胀功，压气机耗功是技术功；

26．供热量一定，用电炉取暖与用热泵式空气取暖耗电量一样多。

27．渐缩喷管出口截面参数不变，背压提高，则喷管流量下降。

28．工质在变截面管道内流动，管道的最小截面即为临界截面。

29．对于渐放型喷管，当进口流速为亚音速时，可是气流压力升高。

30.对于未饱和空气，干球温度≥湿球温度≥露点温度。

31．湿空气的相对湿度愈大，则其水蒸气分压力愈大。

32. 相对湿度越大则空气的含湿量越高；

33．已知湿蒸汽的压力与温度就可以确定湿蒸汽的状态。

34．滞止参数是工质经定熵滞止后得到的状态参数。

35．露点温度等于空气中水蒸气分压力对应的饱和温度。

二、图示题：

图上定性的表示出n=的理想气体的压缩过程，并在图上用面积表示1.试在T s

w。

所耗过程功w或技术功t

《

2．试将满足以下要求的多变过程表示在p-V图和T-s图上（先标出四个典型过程）：（1）工质膨胀、放热；（2）工质压缩、放热且升温

3.将满足下列要求的理想气体的多变过程表示在p—v图、T—s图上。

1）工质升温、升压、放热；

2）工质膨胀、降温、放热。

4．在p-v图及T-s图上画出空气的n=的膨胀过程1-2和n=的压缩过程1-3，并确定过程1-2和1-3中功和热量的正负号及初终态热力学能的大小。

;

：

1-2过程功为正，热量为负，初态热力学能大于终态热力学能

1-3过程功伟负，热量为正，初态热力学能小于终态热力学能

5．在T-s图上画出下面两各热力过程：

1)k=的空气，多变压缩过程n=；

2)n= 的吸热过程。

6.画出单级活塞式压缩机将空气由相同初态，分别经定温压缩、定熵压缩和多变压缩过程达到相同的终态压力的p-v ，T-s 图，并说明其耗功量的大小关系。

？

T n s w w w >>

7．定性画出内燃机三种理想循环的v p -、s T -图。混合加热：

定容加热：

3 2

定压加热：

8.在T-s 图上画出采用再热的郎肯循环循环图，并定性说明再热循环对循环热效率的影响。

.答：如果附加部分的效率高，则再热循环效率会提高，中间压力p 提高，会使t 提高，但此时对干度2x 的改善较小。

》

9.画出蒸汽压缩制冷系统的T-s 图，并说明各个过程是在哪个设备中完成的。答：1-2 过程，压气机中完成；2-3 过程，冷凝器中完成；3-4 过程，节流阀中完成；4-1 过程，蒸发器中完成。

三、简答题：

1．绝热刚性容器用隔板分成A、B相同的两部分，

1 2

A侧充满空气，B侧为真空，分析突然抽掉隔板

后气体的状态参数（热力学能、焓、熵）如何变

化

2．平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系】

3．绝热过程是定熵过程吗多变过程是任意过程吗

4．如图所示的电加热装置，容器中盛有空气，并设有电阻丝，试问取什么为系统，系统与外界交换的是热量；取什么为系统,系统与外界交换的是电功；取什

么为系统，系统与外界没有任何能量交换。

5．热量与功有什么相同的特征，两者的区别是什么

5.答：热量和功都是能量传递的度量，它们都是过程量。只有在能量传递过程中才有所谓的功和热量，没有能量的传递过程也就没有功和热量。

区别：功是有规则的宏观运动能量的传递，在做功过程中往往伴随着能量形态的变化，热量则是大量微观粒子杂乱热运动的能量的传递，传热过程中不出现能量形态的转化。功转化成热量是无条件的，而热转变成功是有条件的。 6．为什么T-s 图上过同一点的气体的定容线要比定压线陡一些 6.答：在定容线上

V dT T

ds C =，而在定压线上P

dT T

ds C = 7．工质在压力p1下被吸入气缸，可逆压缩至p2(p1＜p2)，然后排出气缸，试在p －v 图上表示出此工作过程的膨胀功和技术功，并说明技术功和膨胀功之间的关系。

7答：其1-2-3-4-1为技术功w t

；

1-2-5-6-1为膨胀功w Δ（pv ）=δ w-δw t

8．对于闭口系统，引起系统熵变的因素有哪些开口系统呢

8答：闭口系统，由于没有物质的流动，引起熵变的主要因素为传热引起的熵流，以及不可逆过程而产生的熵产。对于开口系，除了熵产和熵流之外还有因为物质流动所引起的熵的变化

9．是否一切熵增过程都是自发过程可逆过程的熵增必须为零

9答：不是一切熵增过程都是自发过程，例如气体的不可逆绝热压缩过程，过程中气体的熵增大，但是这个过程不是自发过程。可逆过称的熵增不一定为零，可逆过程的熵产为零，但熵流不一定就业为零。例如可逆定温吸热过程的熵增就大于零。

10．气体在喷管中流动，欲使超音速气流加速，应采用什么形式的喷管为什么 10答：愈使超音速气流加速，应选用渐扩管，因为超音速气流在减缩喷管中有压缩的效应，只有在渐扩喷管中才能膨胀加速 11．简述制冷循环和热泵循环的异同点。

、

11答：相同点：原理为逆卡诺循环，将热量从低温带到高温不同点：热泵为产热，热为有效，制冷循环要的是冷量

12．在内燃机混合加热理想循环、定容加热理想循环及定压加热理想循环中，提高压缩比都可使循环热效率提高，试从第二定律分析其原因。 12答：根据热力学第二定律，循环热效率为1

1T T t -

=η，其中T 1为循环平均吸热温度，T 2为循环平均放热温度。在这三个循环中提高压缩比，均可以提高循环平均吸热温度，而平均放热温度要么不变，要么减小，所以均可使循环热效率提高。 13．蒸汽动力装置采用再热的根本目的是提高循环的热效率吗

13．答：不是，采用再热循环的目的是为了在提高初态压力时，不引起乏气的干度的降低，即通过提高初态压力提高热效率，而再热循环较基本循环的热效率并不一定提高。

14.画图分析新蒸汽参数对基本朗肯循环的热效率有和影响

14答：初温1T 对热效率的影响：初温由1T 提高到a T 1的T —s 图。初压1p 和背压2p 不变，由图看到，提高初温可提高循环的平均吸热温度(由1T 提高到a T 1)，从而提高循环的热效率。

蒸汽初压的影响：图为保持背压2p 、初温1T 不变而升高初压1p 的循环T －s 图。显然，提高1p 可以提高平均吸热温度1T ，从而提高循环的热效率。

】

15. 压缩蒸汽制冷循环采用节流阀代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法为什么

15答：不可以。因为空气的比热容较小，且增压比增大循环制冷系数讲减小，故每千克空气的吸热量不多，为了提高制冷能力，空气的流量就就要很大，而节流阀不能满足大流量的要求。

16．如果选取燃气轮机装置理想循环的最佳增压比，是否意味着可获得最高的循环热效率，为什么

16．答：不是，最佳增压比是针对循环净功而言，即循环净功最大。而循环热效

率11

1t k k

ηπ

-=-，即随增压比的增高而递增的。

17．简述干球温度、湿球温度、露点之间的区别。 17答：干球温度：为温度计测湿空气的实际温度

湿球温度：是湿空气流过湿球时与湿球建立了热平衡后的温度

￥

露点温度：为湿空气沿等压线P=Pv 降温至有液态水析出的温度

18. 当湿空气的相对湿度固定不变时，湿空气的温度增高，湿空气的含湿量d 、露点温度D t 、湿球温度

t 如何变化

18.答：含湿量d 、露点温度D t 、湿球温度w

t 都提高。因为

p p =

?，而温度提高

时相应的饱和压力s

p 提高，当相对湿度不变，水蒸气分压力提高，则露点温度，

含湿量提高。

计算题

1. 1kg N2在一热力过程中从初态、157℃变化到 MPa 、27℃，过程的技术功为kg ，周围环境温度

T =300K ；试问过程是否为可逆过程过程有无不可逆损失若

有不可逆损失，不可逆损失为多少（视N2为定比热理想气体，定压比热容Cp=，气体常数

R =）。

1. 解：t p t w t c w h q +?=+?==?q -100 kJ/kg 取系统与环境组成孤立系，则热源工质s s s iso ?+?=?

工质s ?＝=-1

212ln ln

p p

R T T c g p ， '

热源s ?＝0

T q

δ＝，则热源工质s s s iso ?+?=?＝>0所以不可逆。

=?==iso g s T s T I 00 kJ/kg 。

2. 将一根即0.36m =kg 的金属投入9w m =kg 的水中，初始时金属棒的温度

,1060m i T =K ，水的温度295w T =K ，比热容分别为()0.42kJ/kg K m c =?和

()0.4187kJ/kg K w c =?，试求终温f T 和金属棒、水以及它们组成的孤立系的熵变。设容器绝热。

2.解：由闭口系能量方程W Q U -=?，取容器内水和金属棒为热力系，绝热，不作外功，所以0=Q ，0=W 则0=?U ，0=?+?m w U U

()()0=-+-m f m m w f w w T T c m T T c m

()()0106042.036.0295187.49=-??+-??f f T T 1.298=?f T 。

由金属棒和水组成的是孤立系，孤立系的熵变为金属棒熵变和水熵变之和，

W m iso S S S ?+?=?

1060

.298ln

42.036.0ln

??==?m

f m m m T T c m S ＝K (

295

.298ln

187.40.9ln

??==?w

f w w w T T c m S ＝K

W m iso S S S ?+?=?＝ kJ/K

3．在两个恒温热源间工作的某动力循环系统，其高温热源温度=1000K 低温热

源温度

=300K 。循环中工质吸热过程的熵变Δs 1=(kg·K) ，吸热量

=980kJ/kg ；工质放热过程的熵变Δs 2= –(kg·K), 放热量

=600kJ/kg 。环境温度

=300K ，试求：

(1)循环的热效率(2)吸热过程和放热过程的熵流和熵产；(3)判断该过程能否实现。 3解：（1）循环净功为

12980600net net w q q q ==-=-=380 K

循环热效率为

1380

980

net t w q η=

==% （2）

Ⅰ、工质吸热过程熵流为111980

1000

f q s T =

= kJ/(kg ·K) ~

该过程熵变为111f g s s s ?=+= kJ/(kg ·K)

则熵产为111 1.00.98g f s s s =?-=-= kJ/(kg ·K) Ⅱ、工质放热过程熵流为222600

300

f q s T -=

=-=－2 kJ/(kg ·K) 该过程熵变为222f g s s s ?=+= – kJ/(kg ·K)

则熵产为222 1.02(2)g f s s s =?-=---= kJ/(kg ·K) （3）由上面结果得（可任选Ⅰ、Ⅱ之一进行判断，）

Ⅰ、工质吸热过程有1

q s T ?>，既能实现工质放热过程有2

q s T -?>

，既能实现 Ⅱ、也可以用循环熵增

—

12 1.0 1.020.020s s s ?=?+?=-=<

即还是能实现

4. p 0 = ，t 0 =20o C 的空气可逆绝热流经渐缩喷管，在喷管截面F 为0.003 平方米处的气流马赫数为，若背压为，试求F 截面处空气的温度及流速，喷管出口截面积A2 及空气出口流速，空气比定压热容为c p =1004J /(kg K ) 。

4.解：在截面F 处，面积A F =2m ，由题意可逆绝热流动，得截面F 处的气流速度为：

,f F C ===当地音速为:

C =

由马赫数的概念：,f F c Ma c

因此 022293

2671 1.41(1)(0.71)

F T T K k Ma =

==--++

因此，截面 F

处的气流速度为：

,0.7229.3/f F c c Ma Ma m s =?===

由可逆绝热流动过程得： 1.4

1.4

100267()1()0.722293

k F k F T P P MPa T --==?=

(

3287(/.)

0.106/0.722g F F F

R T J kg K v m kg P MPa

因此流量为：2,3

0.003229.3/ 6.49/0.106/F f F m F

A c m m s q kg s v m kg

== 考虑出口截面参数：00.5280.5280.25cr p p MPa MPa ==>

因此，在出口处的参数为：20.528cr p p MPa ==

1 1.4

12 1.42000.528()293()2441

k k P T T K P --==?=

232

287(/.)24420.133/0.528g R T J kg K K

v m kg P MPa

02022()2()313.7/f P C

h h C T T m s =-=-=

由连续性方程可知各截面流量应相等，因此

3222,2 6.49/0.133/0.0027313.7/f q kg s m kg A m c m s

?===

5．活塞压缩机每分钟转速360转，从环境吸进21℃的空气14

将之压缩到 MPa

输出。设压缩过程为可逆多变过程，多变指数为,压缩机容积效率ηV =。求:(1) 所需输入压缩机的功率；(2) 余隙容积比及活塞排量。空气作理想气体,比热容取定值；空气气体常数

=287J/(kg·K)、

=1005J/(kg·K)、环境大气压p b = MPa 。

）

5．解：（1）由压缩机多变过程压缩功计算公式得

1 1.3

2 1.311 1.30.52[()1]0.287(27321)[()1]1 1.310.1013

n n c g n p w R T n p --=-=??+---= kJ/kg

压缩机空气质量流量为

1110.101314360

60600.287(27321)60

r r g V n p V n m v R T ?

??=

==?+?= kJ/kg 压缩机的功率为

1.0085168.7c P m w ?

==?= kJ/kg （2）由余隙容积比与容积效率的公式

1[()1]c n V h h V V p V V p η==--

得余隙容积比、

2 1.3

1110.95

0.52()1()10.1013

c V h n V V p p η--==--=

活塞排量为

0.95

h V

V η=

=14.74 m 3 6.空气初始状态，p1= ，t1= 20℃，经三级压缩，压力达到10MPa ，设进入各级汽缸时的空气温度相等，多变指数均为，各级中间压力按压气机耗功最小原则设计。如果产气量为每小时200kg ，求：（1）各级排气温度及压气机的最小功率；

（2）多级改为单级，多变指数不变，求压气机耗功和排气温度。

6. 解：由题意得，压气机耗功最小原则设计情况下，各级压力比应该相等，且

4.64i π=== 由进入各级汽缸时的空气温度相等，得

11 1.312 1.3234111

()()(27320)(4.64)417.7n n n

i P T T T T T K

P π---=====+=各级耗功相等，因此压气机耗功等于各级耗功之和：

,,(1)25.81

n n c c j m c j

m n

P zP zq w zq Rg kW

n π-===-=-

单级压缩排气温度:

101000.1i MPa

MPa

π=

12211

()848n n

P T T K P -==

1200 1.3 1.31

(1)0.287293(1100)38.413600 1.31 1.3

n n c m n P q RgT kW n π--=-=????-=--

7．某定容加热活塞式内燃机理想循环的p －v 曲线如图所示。设其工质为空气，质量为1kg ，已知p 1=1bar ，t 1=25℃，ε=v 1/v 2=5，定容过程中加入热量q 1=800kJ/kg ，空气的气体常数为R g =(kg ·K)，比定容热容c v = kJ/(kg ·K)，等熵指数γ=。（1）在T －s 图上表示该循环；（2）求出点2、3、4的p 、v 、T 参数；（3）求循环的净功量和循环热效率。

7解：（1）

（2）由状态方程：pv=R g T,得：v 1=kg 。因为52

v v ε，所以v 2=v 1/5=kg ，因为1-2过程为绝热压缩，所以有： pa v

v p p 521

1210*518.9=???? ??=κ

，==g

R v P T 222 V 2=v 3=0.17105m 3/kg ，定容过程的吸热量q 1=c v (T 3-T 2)， T 2=，pa v T R p g 53

3310*213.28==

、

34185526.0m v v ==/kg ，3-4为等熵过程，pa v

v p p 5

3410964.2?=???

? ??=κ

K R v P T g

27.8834

44==

循环的放热量：()kg KJ T T c q v /22.420142=-=

循环的净功量：w=q 1-q 2=kg ，循环热效率：475.01

q w

t η 8．内燃机混合加热理想循环的p －V 如图所示。已知p 1=97kPa ，t 1=28℃，V 1=0.084m 3，压缩比ε=15，p 3=，t 4=1320℃，工质视为空气。试计算：(1)循环中各过程端点的压力、温度和体积；(2)循环热效率；(3)同温度范围的卡诺循环热效率。已知空气的气体常数R g =(kg ·K)，比定容热容c v = kJ/(kg ·K)，等熵指数γ=。

8答：

有状态方程可得11

0.094g p v m kg R T =

= 由题得1点：197p kPa = 1301T K = 由11()g g pv R T p R Tv const κκκκ--===得

2点：1212()151.4*97 4.3v p p MPa v κ=== 11212

()889v

T T K v κ-==

3点：3 6.2p MPa = 3

322

1282p T T K p =

= /

4点：41593T K = 340.007g mR T v m p

5点：11542

()0.191v

p p MPa v κ-== 555594.7g p v T K mR ==

吸热量1Q 和放热量2Q 如下：

13243251()()5943.73()210.9v p v Q c T T c T T kJ Q c T T kJ

=-+-==-=

164.5%Q Q η=-

= 相同温限间卡诺循环热效率为：

180%k T T η=-

= 9.某蒸汽动力装置采用一级抽气回热循环，已知新蒸汽的参数为16p =MPa ，

1450t =℃，13300.9h =kJ/kg ，()1 6.7179kJ/kg K s =?抽气压力为010.5p =MPa ，冷

凝器内压力为210p =kPa ，忽略水泵功，相应的水蒸气参数如表1所示。

（1）定性地画出该循环的T s -图；（2）求循环的抽气量1α

（3）循环的吸热量、放热量、净功量及循环热效率。

表1 饱和水和干饱和蒸汽表（节录）

解：1点：16p =MPa ，1450t =℃，13300.9h =kJ/kg ，

()1 6.7179kJ/kg K s =?；

2点：==12s s ，而='2s ，="2s kJ/，所以2点位于湿蒸汽区，则=--=

2"2'

222s s s s x

、

同理5

"75

77s s s s x --=

＝，则'22"222)1(h x h x h -+=＝ kJ/kg ，

57"777)1(h x h x h -+=＝ kJ/kg ， 3点： =='23h h kJ/kg ，=='23s s

()()()3515711h h h h --=-αα4

51h h h h --=

?α＝

5点：010.5p =MPa ，=5h kJ/kg ；7点：010.5p =MPa ，=5h kJ/kg 则循环吸热量'511h h q -=＝ kJ/kg

循环放热量()=--=)(1'2212h h q α kJ/kg

净功量=net w =-=21h h q net 3657-2276＝1381 kJ/kg 循环热效率：=-

1q q t η40％ 10.一简单朗肯循环，已知新蒸汽的参数为16p =MPa ，1600t =℃，13657h =kJ/kg ，

()17.161kJ/kg K s =?，冷凝器内压力为

210p =kPa ，蒸汽流量为80kg/s ，忽略水泵功，

相应的水蒸气表如表1所。 (1)定性地画出该循环的T s -图； (2)分析计算循环中各点的焓值

5分

3，2’

(3)循环的吸热量、放热量、净功量及循环热效率。

表1 饱和水和干饱和蒸汽表（节录）

10解：1点：=1h 3657kJ/kg, =1s

则2点（6分）：==12s s ，而='2s ，="2s kJ/，所以2点位于湿蒸汽区，则

=--=

2"2'

222s s s s x ，则'22"222)1(h x h x h -+=＝2276 kJ/kg

3点： =='23h h kJ/kg ，=='23s s 则循环吸热量'211h h q -=＝＝ kJ/kg 循环放热量=-='222h h q ＝ kJ/kg

净功量=net w =-=21h h q net 3657-2276＝1381 kJ/kg 循环热效率：===

.34651381

1q w net t η％