工程热力学试卷与答案

工程热力学试卷与答案内容摘要：

小题 5 分，共 40 分 ) 1. 什么是热力过程。 可逆过程的主要特征是什么。 答：热力系统 从 一个平衡态到另一个平衡态 ， 称为热力过程。 可逆过程的主要特征是驱动过程进行的势差无限小，即准静过程，且无耗散。 2. 温度为 500176。 C 的热 源 向热机工质放出 500 kJ 的热量，设环境温度为 30176。 C，试问这部分热量的火用 （ yong） 值 （最大可用能） 为多少。 答：   , qxE 3. 两个不同温度（ T1,T2）的恒温热源间工作的可逆热机，从高温热源 T1 吸收热量 Q1 向低温热源 T2 放出热量 Q2，证明：由高温热源、低温热源、热机和功源四个子系统构成的孤立系统熵增。 假设功源的熵变△ SW =0。 证明： 四个子系统构成的孤立系统熵增为 （ 1 分） 12is o T T RS S S S S         Wiso 0S对热机循环子系统： 1 分 1 分 根据卡诺定理及推论： 1 分 则：。 1 分 4. 刚性绝热容器中间用隔板分为两部分， A 中存有高压空气， B 中保持真空，如 右 图所示。 若将隔板抽去， 试 分析容器中空气的状态参数（ T、 P、 u、 s、 v）如何变化 ，并简述为什么。 答： u、 T 不变， P 减小， v 增大， s 增大。 5. 试由开口系能量方程一般表达式出发，证明绝热节流过程中，节流前后工质的焓值不变。 （绝热节流过程可看作稳态稳流过程，宏观动能和重力位能的变化可忽略不计） 答：开口系一般能量方程表达式为 绝热节流过程是稳态稳流过程，因此有如下简化条件 ， 则上式可以简化为： 根据质量守恒，有 代入能量方程，有 B 隔板 A 自由膨胀 12 00I SO S TT    R 0S22t t,C1111QT    iso 0S6. 什么是理想混合气体中某组元的分压力。 试按分压力给出第 i 组元的状态方程。 答： 在混合气体的温度之下，当 i 组元单独占有整个混合气体的容积（中容积）时对容器壁面所形成的压力，称为该组元的分压力；若表为 Pi，则该组元的状态方程可写成： PiV = miRiT。 7. 高、低温热源的温差愈大，卡诺制冷机的制冷系数是否就愈大，愈有利。 试证明你 的结论。 答：否，温差愈大，卡诺制冷机的制冷系数愈小，耗功越大。 （ 2 分） 证明：TTwqTT TR  2221 2，当 2q 不变， T  时， w 、 R。 即在同样 2q 下(说明得到的收益相同 )，温差愈大，需耗费更多的外界有用功量，制冷系数下降。 （ 3 分） 8. 一 个控制质量由初始状态 A 分别经可逆与不可逆等温吸热过程到达状态 B，若两过程中热源温度均为 rT。 试证明系统在可逆过程中吸收的热量多，对外做出的膨胀功也大。 答：经历可逆或不可逆定温过程后，按题给两种情况下过程的初、终状态相同，因而系统的熵变相同。 由系统的熵方程 gf sss  ，对于可逆过程其熵产为零，故热熵流将大于不可逆过程。 可见，可逆过程的热量将大于不可逆过程； （ 3 分） 由热力学第一定律， wuq  ， 因过程的初、终状态相同，热力学能变化 u 相同，故可逆与不可逆两种情况相比，可逆过程的过程功亦较大。 （ 2 分） 二、 作图题 ：（ 每小题 5分， 共 10 分） 1. 试在所给参数坐标图上定性地画出理想气体过点 1 的下述过程，分别指出该过程的过程指数 n 应当在什么数值范围内 (图中请标明四个基本过程线 )： 1）压缩、升温、吸热的过程 2）膨胀、降温、吸热的过程。 pvTs11 pv1n = 0n = 1n = kn( 1 )( 2 )Ts1n = 0n = 1n = kn( 1 )( 2 ) 答： (1) kn ； (2) kn1 评分：四条基本线（ 2 分）两条曲线（ 2 分） n 取值（ 1 分） 2. 如图所示 T－ s 图上理想气体任意可逆过程 1－ 2 的热量如何表示。 热力学能变化量、焓变化量如何表示。 若过程 1－ 2 是不可逆的，上述各量是否相同。 (请写出简明的作图方法。 ) 答：对可逆过程，热量为面积 1mk21，热力学能变化量为面积 1mn2v1，焓变化量为1mg2p1。 对不可逆过程，热量无法表示，热 力学能和焓变化量相同 Ts12Ts12m nk2v2pgT = c o n s t 三 、 计算题 ：（共 50分） 1. 压气机在 95 kPa、 25 ℃的状态下稳定地以 340 m3/min 的容积流率吸入空气，进口处的空气流速可以忽略不计；压气机排口处的截面积为 m2，排出的压缩空气的参数为 200 kPa、 120 ℃。 压气机的散热量为 60 kJ/min。 已知空气的气体常数 Rg= kJ/()，比定热容 cV= kJ/()，求压气机所消耗的功率。 （ 16 分） 解： 以压气机中空气为研究对象，其稳定工况的能量方程为 0)2()2( 22221211   mgzchmgzchWQ sh 即   mgzchmgzchQW sh )2()2(22221211 （ a） 其中： )/(1 0 0 060 1060 3 sJQ  )/(2 9 60340)25273(287 1095311 skgTR Vpmg  mz smc 0 /01  )/( 5 3 8 0)25120()717273()/( )120273(123222222sJTchhhsmAp TmRAmcpg  将以上数据代入式（ a），可得压气机所消耗的功率为： )/()2 5 3 8 0( 52 sJW sh  2. 在高温环境中有一 容器 ， A 侧 装有 2 kg 氮气 ，压力为 MPa，温度为 67℃ ； B侧 装有 8 kg 氮气 ，压力为 MPa，温度为 17℃。 A 和 B 的壁面均为透热壁面，它们之间用管道和 阀 门相连 ， 见 附图。 现打开 阀 门， 氮气 由 B 流向 A。 氮气可视 为理想气体 ，已知气体常数 Rg,N2 = 297 J/(kgK)， 过程中 的 平均 定容 比热容 cv = kJ/( kgK)，若压力平衡时容器 中气体 温度为 t2 = 40℃，试求： ⑴平衡时终压力 P2； ⑵ 吸热量 Q ； ⑶气体的熵变。 （ 18 分） 解： ⑴ 容器 A 和 B 的容积分别为 361A1AgAA m 8 8 5 3402972   P TRmV 361B1BgBB m 2902978   P TRmV （ 4 分） 取 A+B 中的气体为系统（ CM）， m = mA + mB = 2 +8 =10 kg V = VA + VB = + = m3（ 2 分） 终态时的气体压力 M P a 0 9 5 7 5 313297102g2  V TmRP （ 2 分） ⑵ 按题给，系统不对外作功，有 kJ 2 2 3 2 2)29083402()( B1BA1Av2v TmTmcTmcUQ （ 5 分） ⑶原在 A 中的氮气熵变 （ 2 分） k J / K ) 9 7 l 402730 3 9 l (2)PPlnRTTlnc(mS A2gA2pAA  原在 B 中的氮气熵变 （ 2 分） k J / K ) 9 7 l 402730 3 9 l (2)PPlnRTTlnc(mS B2gB2pBB  全部氮气的熵变 k J / K 3 9 9 5 3 5 4 BA  （ 1 分） 3. 将 100 kg 温度为 30 ℃ 的水与 200 kg 温度为 80 ℃ 的水在绝热容器中混合，假定容器内壁与水之间也是绝热的，且水的比热容为定值，取 K)kJ /(k g18 c ，环境温度为 17 ℃。 求混合过程导致的可用能损失。 （ 16 分） 解：以绝热熔器内水为研究对象，由其能量方程可得 cTmmcTmcTm )( 212211  可得 N2。