工程熱力學期末復習題答案匯總

PAGEPAGE23江蘇科技大學《工程熱力學》練習題參考答案第一單元一、判斷正誤并說明理由：1.給理想氣體加熱，其熱力學能總是增加的。錯。理想氣體的熱力學能是溫度的單值函數(shù)，如果理想氣體是定溫吸熱，那么其熱力學能不變。測量容器中氣體壓力的壓力表讀數(shù)發(fā)生變化一定是氣體熱力狀態(tài)發(fā)生了變化。錯。壓力表讀數(shù)等于容器中氣體的壓力加上大氣壓力。所以壓力表讀數(shù)發(fā)生變化可以是氣體的發(fā)生了變化，也可以是大氣壓力發(fā)生了變化。在開口系統(tǒng)中，當進、出口截面狀態(tài)參數(shù)不變時，而單位時間內流入與流出的質量相等，單位時間內交換的熱量與功量不變，則該系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)。錯。系統(tǒng)處在穩(wěn)定狀態(tài)，而平衡狀態(tài)要求在沒有外界影響的前提下，系統(tǒng)在長時間內不發(fā)生任何變化。熱力系統(tǒng)經(jīng)過任意可逆過程后，終態(tài)B的比容為vB大于初態(tài)A的比容vA，外界一定獲得了技術功。錯。外界獲得的技術功可以是正，、零或負。在朗肯循環(huán)基礎上實行再熱，可以提高循環(huán)熱效率。錯。在郎肯循環(huán)基礎上實行再熱的主要好處是可以提高乏汽的干度，如果中間壓力選的過低，會使熱效率降低。6．水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量等于膨脹功。錯。因為水蒸汽的熱力學能不是溫度的單值函數(shù)，所以水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量并不是全部用與膨脹做功，還使水蒸汽的熱力學能增加。余隙容積是必需的但又是有害的，設計壓氣機的時候應盡可能降低余隙比。對。余隙容積的存在降低了容積效率，避免了活塞和氣門缸頭的碰撞，保證了設備正常運轉，設計壓氣機的時候應盡可能降低余容比。8．內燃機定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率高。錯。在循環(huán)增壓比相同吸熱量相同的情況下，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率高；但是在循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率低。9．不可逆過程工質的熵總是增加的，而可逆過程工質的熵總是不變的。錯。熵是狀態(tài)參數(shù)，工質熵的變化量僅與初始和終了狀態(tài)相關，而與過程可逆不可逆無關。10．已知濕空氣的壓力和溫度，就可以確定其狀態(tài)。錯。濕空氣是干空氣與水蒸汽的混合物，據(jù)狀態(tài)公理，確定濕空氣的狀態(tài)需要三個狀態(tài)參數(shù)。二、簡答題：熱力學第二定律可否表示為：機械能能完全轉換為熱能，而熱能不能全部轉換為機械能。不可以。機械能可以無條件地轉化為熱能，熱能在一定條件下也可能全部轉化為機械能。試畫出蒸汽壓縮制冷簡單循環(huán)的T-s圖，并指出各熱力過程以及與過程相對應的設備名稱。TsTs12340用蒸汽作循環(huán)工質，其放熱過程為定溫過程，而我們又常說定溫吸熱和定溫放熱最為有利，可是為什么蒸汽動力循環(huán)反較柴油機循環(huán)的熱效率低？考察蒸汽動力循環(huán)和柴油機循環(huán)的熱效率時，根據(jù)熱效率的定義知道，熱效率的大小與平均吸熱溫度和平均放熱溫度有關。平均吸熱溫度越高，熱效率越高。蒸汽動力循環(huán)由于受到工質和材料的限制，其平均吸熱溫度是600℃左右；而柴油機循環(huán)的平均吸熱溫度是1300℃左右，所以蒸汽動力循環(huán)反較柴油機循環(huán)的熱效率低。壓氣機按定溫壓縮時氣體對外放出熱量，而按絕熱壓縮時不向外放熱，為什么定溫壓縮反較絕熱壓縮更為經(jīng)濟？pvpv0P1P212T2s定溫壓縮的技術功是P1-1-2T-p2-p1的面積，絕熱壓縮的技術功是P1-1-2s-p2-p1的面積。顯然定溫壓縮的技術功比絕熱壓縮的技術功小。三.計算題：1.1kg氧氣置于圖所示的氣缸內，缸壁能充分導熱，且活塞與缸壁無摩擦。初始時氧氣壓力為0.5Mpa、溫度為27℃。如果氣缸長度為2L，活塞質量為10kg，試計算拔除銷釘后，活塞可能達到的最大速度。氧氣的比熱容，k=1.395，l2l2l銷釘p0=0.1Mpat0=27℃p=0.5Mpat=27℃解：取氣缸內的氧氣為研究對象。根據(jù)熱力學第一定律知道，加入系統(tǒng)的熱量一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學能，一部分用于對外做功。根據(jù)題意：活塞如果要達到最大速度，那么氧氣膨脹過程中吸入的熱量全部用于對外做功，所以氧氣的熱力學能不發(fā)生變化。由于氧氣可以看作理想氣體，而理想氣體的熱力學能是溫度的單值函數(shù)，所以氧氣膨脹過程為可逆定溫膨脹過程。設環(huán)境溫度為T0，環(huán)境壓力為P0，氧氣的質量為m，活塞的質量為M，活塞最大速度為Vmax。氧氣初始狀態(tài)的壓力為P1，溫度為T1，容積為V1，氧氣膨脹后的容積為V2，膨脹過程的膨脹功為W。所以有：代入數(shù)據(jù)：2.空氣等熵流經(jīng)一縮放噴管，進口截面上的壓力和溫度分別是0.58Mpa、440K，出口截面上的壓力。已知噴管進口截面面積為2.6×10-3m2，空氣的質量流量為1.5kg/s，試求噴管喉部面積及出口截面的面積和出口流速?？諝獾谋葻崛?，k=1.4，解：根據(jù)題意知道，進口參數(shù)為，。出口截面上的壓力。噴管進口截面A1面積2.6×10-3m2，空氣的質量流量Q為1.5kg/s。噴管喉部面積出口流速出口截面的面積3.汽油機定容加熱理想循環(huán)進氣參數(shù)為,，若循環(huán)壓縮比，定容增壓比。假設工質是空氣，比熱可取定值，，Rg=287，(1)畫出循環(huán)p-v圖及T-s圖；(2)求循環(huán)的最高溫度和最高壓力；(3)計算循環(huán)的放熱量、循環(huán)凈功及循環(huán)的熱效率。解：（1）pT3324421100vs(2)T3、p3為循環(huán)的最高溫度和壓力(3)4.兩個質量為m的比熱容為定值的相同物體，處于同一溫度T，將兩物體作為制冷機的冷、熱源，使熱從一物體傳出并交給另一物體，其結果是一個物體溫度升高，一個物體溫度降低。證明當被冷卻物體溫度降到（）時所需最小功證明：要使得整個系統(tǒng)完成這一過程所需功量最小，則必須有一可逆制冷機在此工作，保證所構成的孤立系統(tǒng)有所以有得到式中Tt為另一物體在過程終了所具有的溫度。由于過程中冷源傳出熱量熱源吸收熱量所以有第二單元一、判斷正誤并說明理由：1、穩(wěn)定流動熱力系必為平衡熱力系;錯。穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)內部雖有確定的狀態(tài)參數(shù)，但其是靠外界的影響來維持的。2、技術功是流體的宏觀動能，宏觀位能及所作出的軸功三者之和定義的;對。技術功包括宏觀動能，宏觀位能及所作出的軸功。3、物質經(jīng)歷一個定溫變化過程以后，其熱力學能變化位零;錯。對任意一非理想氣體來說，其熱力學能都是內未能內位能與內動能之和，而溫度僅是內動能的表征。使系統(tǒng)熵增加的過程一定是不可逆過程;錯。過程的熵變包括熵產和熵流兩部分，過程可逆與否主要看熵產是大于還是等于零。如果某一過程的熵增加，該過程可以是在熵產等于等于零的情況下，熵流大于零。因此這句話不正確。在初壓不變時，背壓愈低，氣體通過拉閥爾噴管出口截面上流速和流量都愈大;錯。對縮放噴管來說，當背壓降到臨界壓力時，氣體流速達到音速。若背壓繼續(xù)降低，氣體流量保持不變。6、1kg空氣可以由p1=0.1MPa，t1=25℃被絕熱壓縮到p2=0.5MPa，t2=250℃;對。由7、在增壓比相同的情況下，有余隙與無余隙的壓氣機在壓縮1kg氣體時耗功必相同;對。在增壓比相同的情況下，有余隙與無余隙的壓氣機在壓縮1kg氣體時所耗循環(huán)凈功相等。8、物質的氣化潛熱隨著飽和溫度的提高而增大;錯。物質的氣化潛熱隨著飽和溫度的提高而減小。9、逆卡諾循環(huán)的冷、熱溫差越大，則該循環(huán)的制冷系數(shù)越高;錯。因為溫差加大耗功也隨之增大，所以說制冷系數(shù)不一定提高。10、當把一定量的氣體從相同的初態(tài)壓縮到相同的終態(tài)時，則可逆定溫壓縮過程最為省功.對。從p-v圖中技術功的大小可以看出。二、簡答題：1.如圖所示，理想氣體有兩個任意過程a—b及a—c，b、c在同一條絕熱線上，試問與哪個大？若b、c在同一條等溫線上，結果又如何？pbacovb、c在同一條絕熱線上，大于若b、c在同一條等溫線上，等于2、在T-s圖上有兩個定壓線p1,p2，試比較p1,p2的大小。TP1P20sP2小于p1。假設有一定熵過程1-2，可以看出T1大于T2，所以系統(tǒng)做出技術功。3、當工質為定值比熱容的空氣時，試問可逆定壓過程中加入的熱量有百分之多少轉變成膨脹功？由熱力學第一定律第二表達式，可逆定壓過程中加入的熱量。由熱力學第一定律第一表達式，膨脹功。將代入膨脹功的表達式，得到三.計算題：1.如圖所示，已知氣缸內空氣p1=2×105Pa，彈簧剛度k=40kN/m，活塞直徑D=0.4m，活塞重可忽略不計，而且活塞與缸壁間無摩擦。大氣壓力p2=5×105Pa。求該過程彈簧的位移及氣體作的膨脹功。.解：以彈簧為系統(tǒng)，其受力τ=kL，彈簧的初始長度為=0.314m彈簧位移=0.942m氣體作的膨脹功原則上可利用可用功計算，但此時p與V的函數(shù)關系不便確定，顯然，氣體所作的膨脹功W應該等于壓縮彈簧作的功W1加克服大氣阻力作的功W2，因此若能求出W1與W2，則W也就可以確定。W=W1+W2=29.58+11.84=41.42k2.壓氣機空氣由P1=100kPa，T1=400K，定溫壓縮到終態(tài)P2=1000kPa，過程中實際消耗功比可逆定溫壓縮消耗軸功多25%。求：壓縮每kg氣體的總熵變。解：取壓氣機為控制體。按可逆定溫壓縮消耗軸功：實際消耗軸功： 由開口系統(tǒng)能量方程，忽略動能、位能變化：因為理想氣體定溫過程：h1=h2故：孤立系統(tǒng)熵增：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流：由不變氣體源來的壓力，溫度的空氣，流經(jīng)一噴管進入壓力保持在的某裝置中，若流過噴管的流量為，來流速度可忽略不計，試設計該噴管？解;求滯止參數(shù)因，所以初始狀態(tài)即可認為是滯止狀態(tài)，則,選型所以，為了使氣體在噴管內實現(xiàn)完全膨脹，需選宿放噴管，則。求臨界截面及出口截面參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)及流速）或求臨界截面和出口截面面積及漸擴段長度取頂錐角內燃機混合加熱循環(huán)的及圖如下圖所示.已知,,,壓縮比，循環(huán)最高壓力，循環(huán)最高溫度，工質視為空氣。試計算：循環(huán)各狀態(tài)點的壓力，溫度和容積。解各狀態(tài)點的基本狀態(tài)參數(shù)點1：，，點2：點3：，點4：，點5第三單元一、判斷正誤并說明理由：1.穩(wěn)定流動能量方程不能用于有摩擦的情況。錯。用于穩(wěn)定流動的任何工質、任意過程2.在增壓比相同的情況下，有余隙與無余隙的壓氣機在壓縮1kg氣體時耗功必相同。對。3.邁耶公式適用于一切理想氣體。對。4.在相同的溫度和壓力下，實際氣體的比體積必小于按理想氣體計算的比體積，即Z＜1。錯，Z可以大于、小于、等于1。5.物質經(jīng)歷一個定溫變化過程以后，其熱力學能變化位零。錯。對任意一非理想氣體來說，其熱力學能都是內位能與內動能之和，而溫度僅是內動能的表征6.系統(tǒng)的平衡狀態(tài)是指系統(tǒng)在無外界影響的條件下，宏觀熱力性質不隨時間而變化的狀態(tài)。對。7．當壓力升高，飽和溫度也升高了，故飽和蒸汽的比體積將增大。錯，飽和蒸氣的比體積減小。8．工質流體在開口絕熱系統(tǒng)中作不可逆穩(wěn)定流動，則系統(tǒng)熵變大于零。錯，穩(wěn)定流動，系統(tǒng)的熵不變。9．采用再熱和抽氣回熱和方式，可以提高朗肯循環(huán)的熱效率。錯，再熱循環(huán)不一定能提高熱效率。10．任何不可逆過程工質的熵總是增加的，而任何可逆過程工質的熵總是不變的。錯，上述論點是針對孤立系統(tǒng)而言的，并非任意的系統(tǒng)。二、簡答題：1.試在T-s圖上表示簡單蒸汽動力循環(huán)（朗肯循環(huán)）,說明組成循環(huán)的熱力過程并指出在何種設備中進行。1-2是定熵膨脹汽輪機，2-3是定壓放熱冷凝器，3-4是定熵壓縮--水泵，4-1是定壓吸熱鍋爐。2、向充滿濕空氣的剛性容器內加入等溫的干空氣，問：水蒸氣的分壓力、相對濕度、含濕量以及濕空氣比焓和比體積如何變化？水蒸氣的分壓力不變；相對濕度不變；含濕量減??；濕空氣比焓減小；比體積減小。3、有人提出一個循環(huán)1-2-3-1：其中1-2是可逆定溫吸熱過程、2-3是可逆絕熱過程、3-1是不可逆絕熱過程，如圖所示，1、2、3分別為平衡狀態(tài)，試問循環(huán)能否實現(xiàn)，為什么？21213STpv或：用克勞修斯積分不等式來判斷。四.計算題：1．1千克空氣在多變過程中吸熱時，將使其容積增大到原來的4倍，壓力降低一半，空氣k=1.4，求此過程中空氣的（1）熱力學能的變化；（2）熵的變化（3）對外所作的技術功；（4）在p-v和T-s圖畫出該過程解：；（1）（2）（3）（4）見上圖2．將100kg、溫度為20℃的水與200kg溫度為80℃的水在絕熱容器中混合，求混合前后水的熵變及做功能力損失。水的比熱容，環(huán)境溫度。解對于閉口系統(tǒng)，，，所以。設混合后水的溫度為t,則有：，得到，，絕熱過程熵流等于零，由熵方程知，熵產等于熵變，所以火用損失為3．壓力，溫度的空氣，流經(jīng)一噴管進入壓力保持在的某裝置中，若流過噴管的流量為，，，求：噴管的形狀，出口截面積，最小截面及出口處的流速。解求滯止參數(shù)因，所以初始狀態(tài)即可認為是滯止狀態(tài)，則,選型所以，為了使氣體在噴管內實現(xiàn)完全膨脹，需選縮放噴管，則。求臨界截面及出口截面參數(shù)（狀態(tài)參數(shù)及流速）或出口截面面積第四單元一、判斷正誤并說明理由：1.閉口熱力系統(tǒng)即為定容系統(tǒng)；錯誤。閉口系統(tǒng)由于與外界沒有物質交換，系統(tǒng)內包含的物質質量為一不變的常量，所以閉口系統(tǒng)又可稱為控制質量系統(tǒng)。2.工質流體在開口絕熱系統(tǒng)中作不可逆穩(wěn)定流動，則系統(tǒng)熵變大于零；錯。穩(wěn)定流動系統(tǒng)，系統(tǒng)熵變?yōu)榱?。物質經(jīng)歷一個定溫變化過程以后，其熱力學能變化為零；錯。對任意一非理想氣體來說，其熱力學能都是內未能內位能與內動能之和，而溫度僅是內動能的表征。4.使系統(tǒng)熵增加的過程一定是不可逆過程；錯。過程的熵變包括熵產和熵流兩部分，過程可逆與否主要看熵產是大于還是等于零。如果某一過程的熵增加，該過程可以是在熵產等于等于零的情況下，熵流大于零。因此這句話不正確。絕熱節(jié)流是等焓過程；錯。是焓不變的過程，但在節(jié)流閥附近，焓值不是確定的值。6.在相同熱源和在相同冷源之間的一切熱機，無論采用什么工質，他們的熱效率均相等；錯。應該是一切可逆熱機。7.絕熱自由膨脹過程中，工質若為理想氣體，則過程熵增大，但氣體若是遵循范德瓦爾斯方程，則過程熵變?yōu)榱?；錯誤。因為熵是狀態(tài)參數(shù)與過程無關。理想氣體的任何絕熱過程都可用常數(shù)來描述其過程；錯誤。該式適用于可逆絕熱過程。方程僅適用于可逆過程；錯誤。該方程適用于任何過程。10.如果飽和液體經(jīng)歷一可逆絕熱膨脹過程至一較低的壓力，部分液體將蒸發(fā)。正確。當壓力p降低，對應的飽和溫度也降低。二、簡答題：1、解釋一下為什么深秋的早晨會結露？由于深秋的早晨溫度比較低，于是該溫度對應的水蒸汽的飽和壓力降低，而空氣中水蒸汽的分壓力不變，這樣就導致空氣的相對濕度增加，當其超過100％時，就會有液體的水出現(xiàn)。此時空氣的溫度低于水蒸汽的分壓力對應的飽和溫度，即露點溫度，所以出現(xiàn)露水。三、計算題：1.某氣體可作定比熱容理想氣體處理。其摩爾質量，摩爾定壓熱容為定值。氣體從初態(tài)，，在無摩擦的情況下，經(jīng)過的多變過程，膨脹到。試求終態(tài)溫度、每千克氣體所作的技術功、所吸收的熱量及熵的變化。解：多變過程（）1）終態(tài)溫度2）每千克氣體所作的技術功為3）所吸收的熱量4）熵的變化2、某正循環(huán)可逆熱機，在溫度為30℃的環(huán)境和4000kg的0℃的冰間工作，最后0℃的冰變?yōu)?0℃的水，試求可逆機能對外作的凈功為多少？已知冰的溶解熱為333kJ/kg（冰在溶解過程中溫度不變），水的比熱c=4.1868kJ/kg.K。解：取冰和與之相關的邊界作為孤立系統(tǒng)，系統(tǒng)可逆時，熱機對外做的功最大。高溫熱源為環(huán)境，環(huán)境放熱為負低溫熱源的吸熱分成冰的溶解和水的加熱，其中冰溶解時溫度不變第五單元一、簡答題：1.向充滿相對濕度為的濕空氣的剛性容器內充入干空氣，若平衡后容器內溫度不變，則相對濕度、含濕量和水蒸汽分壓力怎么變化。答：由含濕量的定義知道