工程热力学期末复习题1答案.docx
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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du=cvdt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。
d
d
q
c
9.根据比热容的定义式T
,可知理想气体的cp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=cpΔT=0。
23.定压过程的换热量qp=∫pcdT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。
3.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。
11.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。
19.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:
1.试在Ts图上定性的表示出n=1.2的理想气体的压缩过程,并在图上用面积表
示所耗过程功w或技术功wt。
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
4.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=1.2的膨胀过程1-2和n=1.6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=1.4的空气,多变压缩过程n=1.325;
2)n=0.92的吸热过程。
5.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。
wsww
nT
7.定性画出内燃机三种理想循环的pv、Ts图。
混合加热:
p
T4
4
3
3
22
55
11
vs
定容加热:
T
p
23
3
24
4
1
1Vs
定压加热:
pT
3
23
2
4
14
1
vs
6.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x2的改善较小。
7.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,
12
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。
c
5.热量与功有什么相同的特征,两者的区别是什么?
8.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?
9.答:
在定容线上
dTT
dsC
V
,而在定压线上
dTT
dsC
P
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wt
1-2-5-6-1为膨胀功w
Δ(pv)=δw-δwt
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
T
2
t1,其中T1为循环平均吸
T
1
热温度,T2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。
10.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T1对热效率的影响:
初温由T1提高到T1a的T—s图。
初压p1和背压p2
不变,由图看到,提高初温可提高循环的平均吸热温度(由T1提高到T1a),从而提
高循环的热效率。
蒸汽初压的影响:
图为保持背压p2、初温T1不变而升高初压p1的循环T-s图。
显然,提高
p可以提高平均吸热温度T1,从而提高循环的热效率。
1
11.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
t
1
1
k
1
k
率,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
12.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tD、湿球温度
t
如何变化?
w
p
v
20.答:
含湿量d、露点温度tD、湿球温度
t
w
p
都提高。
因为s
,而温度提高
时相应的饱和压力ps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
12.1kgN2在一热力过程中从初态0.2MPa、157℃变化到0.1MPa、27℃,过程
的技术功为34.94kJ/kg,周围环境温度T0=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
R
想气体,定压比热容Cp=1.038kJ/kg.k,气体常数g
=0.297kJ/kg.k)。
13.解:
qhwtcptwtq-100kJ/kg
取系统与环境组成孤立系,则
siso
s工质s
热源
s=
工质
Tp
2ln
2
cplnRg-0.1678,
Tp
11
s=
热源
q
q
T0T
0
=0.3333,则
ss工质s
iso=0.1654>0所以不可逆。
热源
IT0sgT0s49.64kJ/kg。
iso
14.将一根即m0.36kg的金属投入m9kg的水中,初始时金属棒的温度
w
T,1060K,水的温度295
TK,比热容分别为c0.42kJ/kgK和miwm
c0.4187kJ/kgK,试求终温Tf和金属棒、水以及它们组成的孤立系的熵变。
w
设容器绝热。
21.解:
由闭口系能量方程UQW,取容器内水和金属棒为热力系,绝热,
不作外功,所以Q0,W0则U0,wU0
U
m
mwcTTmcTT
wfwmmfm
0
94.187Tf2950.360.42Tf10600Tf298.1。
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,
SisoSS
mW
T
f
2.
Smcln0.360.42ln=-0.1918kJ/K
mmT
m
1060m
T
298.1f
Smcln9.04.187ln=0.3939kJ/K
wwwT
295w
SisoSS=0.2021kJ/K
mW
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Δs1=1.0kJ/(kgK·),吸热量
=980kJ/kg;工质放热过程的熵变Δs2=–1.02kJ/(kgK·),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
wqq1q2980600=380K
netnet
循环热效率为
t
w
net
q
1
380
980
=38.8%
(2)
Ⅰ、工质吸热过程
熵流为
s
f
1
q
1
T
1
980
1000
=0.98kJ/(kg·K)
该过程熵变为
sss=1.0kJ/(kg·K)
1f1g1
则熵产为
s1s1s11.00.98=0.02kJ/(kg·K)
gf
Ⅱ、工质放热过程
熵流为
s
f
2
q
2
T
2
600
300
=-2kJ/(kg·K)
该过程熵变为
sss=–1.02kJ/(kg·K)
2f2g2
则熵产为
s2s2s21.02
(2)=0.98kJ/(kg·K)
gf
(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
s
1
q
1
T
1
,既能实现
工质放热过程有
s
2
q
2
T
2
,既能实现
Ⅱ、也可以用循环熵增
ss1s21.01.020.020
即还是能实现
13.p0=1.0MPa,t0=20oC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0.7,若背压为0.25MPa,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cp=1004J/(kgK)。
15.解:
在截面F处,面积AF=0.003
2
m,由题意可逆绝热流动,得截面F处的气
流速度为:
kR
g
C,2(h0h)2C(T0T)2(T0T)
fFFPFF
k1
当地音速为:
CkRgTF
由马赫数的概念:
Ma
cT
fF
20
(1)
ck1T
F
因此
T293
0
T267K
F
k11.41
22
(Ma1)(0.71)
22
因此,截面F处的气流速度为:
c,cMakRTMa0.71.4287(J/kg.k)267229.3m/s
fFgF
由可逆绝热流动过程得:
k1.4
T267
Fk
PP()11()1.410.722MPa
F0
T293
0
RTJkgK
287(/.)
gF3
v0.106m/kg
F
P0.722MPa
F
因此流量为:
Acmms
2
Ff,F
22.229.3/
q6.49kg/s
m
3
v0.106m/kg
F
考虑出口截面参数:
p0.528p0.528MPa0.25MPa
cr0
因此,在出口处的参数为:
p2pcr0.528MPa
k11.41
P0.528
2k1.4
20
TT()293()244K
P1
0
RTJkgKK
287(/.)244
g23
v20.133m/kg
P0.528MPa
2
C,22(h0h2)2C(T0T2)313.7m/s
fP
由连续性方程可知各截面流量应相等,因此
3
q6.49kg/s0.133m/kg
22
A0.0027m
2
c313.7m/s
f,2
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0.52
MPa输出。
设压缩过程为可逆多变过程,多变指数为1.3,压缩机容积效率ηV=0.95。
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/(kgK·)、=1005J/(kgK·)、环境大气压
pb=0.1013MPa。
5.解:
(1)由压缩机多变过程压缩功计算公式得
n11.31
np1.30.52
2
1.3
n
wRT[()1]0.287(27321)[()1]
cg1
n1p1.310.1013
1
=167.8kJ/kg
压缩机空气质量流量为
m
VnpVn
0.101314360
r1r
v60RT600.287(27321)60
1g1
=1.0085kJ/kg
压缩机的功率为
Pmw1.0085168.7=169.1kJ/kg
c
(2)由余隙容积比与容积效率的公式
V
1
VVp
c2
1[()1]
n
VVp
hh1
得余隙容积比
V110.95
cV
11
Vp0.52
h
21.3
()1()1
n
p0.1013
1
=0.02
活塞排量为
V14
3
V=14.74m
h
16.
V
14.空气初始状态,p1=0.1MPa,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1.3,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。
17.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
i
3
p10MPa
43
p0.1MPa
1
23.
由进入各级汽缸时的空气温度相等,得
n1n11.31
P
21.3
23411i
TTTTTK
()n()n(27320)(4.64)417.7
P
1
各级耗功相等,因此压气机耗功等于各级耗功之和:
n1
n
n
PzP,zqw,zqRg
(1)25.8kW
ccjmcjm
n1
单级压缩排气温度:
i
10MPa
3.MPa
100
n1
P
2
TTK
()n84821
P
1
n1
n2001.31.31
n
PqRgT
(1)0.287293(1100)38.4kW
cm1
n136001.311.3
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p1=1bar,t1=25℃,ε=v1/v2=5,定容过程中加入热量q1=800kJ/kg,
空气的气体常数为Rg=0.287kJ/(kg·K),比定容热容cv=0.718kJ/(kg·K),等熵
指数γ=1.4。
(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。
p
3
4
2
1
v
7解:
(1)
3/kg。
(2)由状态方程:
pv=RgT,得:
v1=0.85526m
v
1
因为5
v
2
,所以v2=v1/5=0.17105m3/kg,因为1-2过程为绝热压缩,所以有:
3/kg,因为1-2过程为绝热压缩,所以有:
vPv
1522
p29.518*10,T2567.27K
ppa
1
vR
2g
V2=v3=0.17105m
3/kg,定容过程的吸热量q1=cv(T3-T2),
RT
g5
3
T2=1681.48K,p328.213*10pa
v
3
v
335
v1v0.85526m/kg,3-4为等熵过程,p4p2.96410pa
43
v
4
T
4
Pv
44
R
g
15.K
循环的放热量:
qcTTKJkg
v41420.22/2
循环的净功量:
w=q1-q2=379.78kJ/kg,
w
循环热效率:
0.475
t
q
1
8.内燃机混合加热理想循环的p-V如图所示。
已知p1=97kPa,t1=28℃,
3,压缩比ε=15,p3=6.2MPa,t4=1320℃,工质视为空气。
试计算:
(1)V1=0.084m
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Rg=0.287kJ/(kg·K),比定容热容cv=0.718
kJ/(kg·K),等熵指数γ=1.4。
p
34
5
2
1
V
8答:
有状态方程可得
pv
11
m0.094kg
RT
g1
由题得1点:
pkPa
197
TK
1301
由
11
pv(RgT)p
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