上海理工大学工程热力学五套试卷及答案

1《工程热力学》模拟试卷一一、问答题：（每题4分,共40分）1．工质从同一初态绝热膨胀到相同容积，其中之一是可逆过程，另一为不可逆过程，则可逆过程的终温与不可逆过程的终温何者高？为什么？答：不可逆过程终温高，从T-S图上可以看到，T2实T2，由于不可逆摩阻产生热量使其终温上升。2．试判别下列说法是否正确，并说明为什么?⑴不可逆过程无法在T—s图上表示，但能计算其熵变量。⑵由于工质经历一不可逆循环，所以∮ds必大于零。答：（1）正确。不可逆过程只能在T-S图示意出初终二态，但是能根据初终二态计算其熵变量。（2）不正确。经历一循环，∮ds=0，因为熵是状态参数。3．试在P-V图和T—S图上画出四种基本热力过程的过程曲线的位置，画出自点1出发的下述过程的过程曲线，并用斜线画出其变化的范围:(1)工质膨胀、升压；（2）工质压缩、降温、降压。4、某闭口系经历一过程后，其熵变为30KJ/K，在此过程中系统从300K的热源吸取热量8000KJ，问此过程是否可逆?为什么？答：因为经历一过程，ΔSf=800026.67/300QkJkT==，30/fgSSSkJK∆=∆+∆=，则3026.673.33/0gSkJk∆=−=，所以属不可逆过程。25．用热力学能和温度作为独立变量来描述气体状态，是否适用于任何气体？为什么？答：不适用。用u、T作为独立变量适用于实际气华，对理想气体，则u=f(t)是依变函数，所以不适用于理想气体。6．何为动力循环热效率？写出用状态参数表示的蒸汽朗肯循环热效率计算式。答：动力循环热效率tη=净功吸热量，1243121413()()thhhhhhhhhhη−−−−=⇒−−（忽略泵功，h3=h4）7．在给出的T—S图中，用面积表示出不可逆空气压缩制冷循环1-2-3-4的吸热、放热和耗功。答：吸热量4-1-c-b-4T放热量2-3-a-d-22耗功量=放热量－吸热量=两面积之差314Sabcd8．已知湿空气中水蒸汽处于过热蒸汽状态点a,试在T-S图上示意出表示对应状态点a的水蒸汽饱和分压力PS和露点td。9．卡诺逆循环是制冷循环与热泵供热循环的理想循环。试在T—S图上把两者表示出来，并写出供暖系数和制冷系数的表达式。答：TT1T环T2S3制冷系数：22-TTTε=环；热泵供热系数：11'TTTε=−环10．说明影响物体受潮的因素是空气的相对湿度还是绝对湿度？答：是空气的相对湿度φ，φ越大则越潮湿。二、计算题（每题15分,共60分）1．温度为20℃，压力为1×105Pa的空气在一绝热压气机中压缩至3×105Pa，其流率为2kg/s，测得出口气温为147℃，试计算压缩机的理论耗功率、实际耗功率及压气机的绝热效率，并将压缩过程表示在T-s图上,用面积表示出该压缩过程所引起的作功能力损失（火用损失）。(空气Cp=1.004kJ/kg.k，K=1.4,.环境温度T0＝293K)解：理论耗功率：10.285722113()293()4011kkTTkρρ−==×=，21=()21.004(401293)216.9cpWmCTTkw−=××−=理，实际耗功率：=.0-=cW××实2104（420293）255kw，压缩机热效率：216.9==0.85255ccscWWη=理实2.水蒸汽进入一缩放喷管作等熵流动,其进口参数p1=20×105Pa，t1=260℃，出口截面水蒸汽压力p2=4×105Pa，流经喷管的质量流量m=1kg/s。若忽略进口流速，试确定喷管的出口流速和出口截面积。由水蒸汽表可查得h1=2927.9kJ/kg，s1=6.5941kJ/kg。亦可查得压力为4×105Pa时饱和水和饱和蒸汽参数ts=143.62℃，v'=0.001084m3/kg，v=0.46242m3/kg，h'=604.7kJ/kg，h=2738.5kJ/kg，s'=1.7764kJ/kg.K，s=6.8966kJ/kg.K。解:332122()102(2927.92610.5)10797fmchhs=−×=×−×=，h2由(1)'xhxh−+得，其中6.59411.77640.946.89661.7764x−==−，即：2(10.94)604.70.942738.52610.5kJhkg=−×+×=，32(1)'0.060.0010840.940.462420.43474mxxkgυυυ=−+=×++=，则有：-4222220.434745.4510=5.45797fmAmcmCυ===×3.某绝热容器被不占有容积的绝热隔板分成充有空气的A、B两部分，已知VA=5m3，VB=2m3，tA=70℃，tB=50℃，PA=7×105Pa，PB=10×105Pa。先抽出隔板使A、B4两部分空气混合；然后拿去绝热层，允许容器内空气和环境换热。试计算容器内最终压力及整个过程引起的熵产。(Rg=0.287kJ/kg.K，Cp=1.004kJ/kg.K,t环境=20℃)解：5710535.55287(70273)AAAAPVmkgRT××===×+，51010221.57287(50273)Bmkg××==×+，绝热混合：B=0(-)(-)=0AABumttmtt∆+混混，，解得t绝热混合=62.45℃；=RTpVm终终终终，5AB.5+.7P===6.8610V+V5+2Pa×××AB环境终（m+m）RT（355215）287293；A1S=lnTvBBTpTpQpTpT−∆终终终终ApBp孤立环境m(Cln-Rln)+m(C-Rln)+A1=lnTBBTpTppTpTABv终终终终绝热混合环境ApBp环境（m+m）C(T-T)m(Cln-Rln)+m(C-Rln)+2936.862936.86=35.55.0.234375.481323100.717293××××××−××(104ln-087ln)+21.57(1.004ln-0.287ln)+（35.55+21.57）(62.45-20)=0.738kJ/k(气体不需计算分压力)可用能损失：=2930.783=216.2kJΠ×4.空气进入压缩机的温度为263K，进入膨胀机的温度为303K。该制冷机的制冷系数为工作于上述两个温度之间卡诺制冷机的制冷系数的三分之一。现用该制冷机将25℃的水制成－15℃的冰，每小时制冰1000kg。试问该制冷机所需功率为多少？（冰的融解热γ=335kJ/kg，比热为2.01kJ/kg.K；水的比热为4.18kJ/kg.K）解：2636.575303263cε==−；01=2.1293ccQWεε×==；0()1000(1.00425+335+2.0115)pQmCTCTγ=∆++∆=×××=469800130.5130.5kJkJkwhs==0130.559.52.129cQWkwε===《工程热力学》模拟卷二一、问答题：（每题4分,共40分）1．图所示从a点开始有两个可逆过程，定容过程abPb和定压过程ac,且bc两点在同一条定温线上，试问吸热量qab与qac哪个大？△uab,与△uac,△sab与△sac哪VT个大？aPc答：将相应过程表示在T-S图可得V,()abacvpqqCC,abacabacuuss∆=∆∆∆2.容积功、流动功、技术功有何差别？有何联系？答：W膨胀=W流动功+W技术功=W流动功+ΔEk+ΔEp+Wi=W流动功+Wt技术功，W膨胀为闭口系统与外界的功交换；W技术功为动能变化、位能变化及轴功（内部功）之和，也称工程上可资利用的功；W流动功是系统维持工质流动所需的功。3.分别写出理想气体等容过程温度和压力的关系式和可逆绝热过程温度和比容的关系式（过程方程式）。答：等容过程：12111222pppTpCTTTpT===即或可逆绝热过程：可由kpCυ=，把RTpυ=代入得到11122()kTTυυ−=4.试在h-s图上示意出蒸汽的绝热节流过程曲线，并说明焓h，压力p，温度t，熵s，经绝热节流后的变化趋势。答：绝热节流Δh=0则h1=h2,h不变p↓,t↓,s↑。5.下列说法是否正确。为什么？（1）如果从某一初态到某一终态，有两条路径，一为可逆，一为不可逆。那么，不可逆途径的△S必大于可逆途径的△S。（2）因为熵只增不减，所以熵减少的过程是不可能实现的。答:（1）初终二态相同，则ΔS不可逆=ΔS可逆；（2）上述孤立系条件下才成立；对熵减少的过程可通过放热手段来实现。6.△h=Cp△T是普遍适用于所有工质实施的定压过程，而水蒸气在定压汽化时,△T=0，所以水蒸气汽化时的焓变量△h=0。这一推论错在哪里？答：Δh=CpΔT,适用于单相工质；水蒸气气化为相变过程，所以Δh≠CpΔT7．试在T-S图上用面积表示出理想气体分别在下列不同压缩过程时压气机的耗功量：a)经可逆绝热压缩;b)经可逆多变压缩(n=1.3);c)经可逆等温压缩。答：a)为c-2s-2T-a-c,可逆绝热耗功；b)为c-1-2n-2T-a-c,可逆多变压缩过程；c)为c-1-2T-a-c,可逆等温压缩。8.燃气轮机循环中的压缩过程，若采用定温压缩过程可减少压缩所耗的功，因此增加了循环净功，但在没有回热的情况不，循环效率反而降低，为什么？答：因为没有回热采用定温压缩使平均吸热温度1T下降较平均放热温度2T下降的快，使tη↓；若采用回热，则使1T上升，tη↑。9.试绘出水蒸气再热循环的T-S图，并写出忽略泵功用状态参数表示的热效率ηt计算式。答：忽略泵功，h3=h412113()()=()()abtbawhhhhqhhhhδη−+−=−+−∫10.什么叫含湿量？相对湿度越大含湿量越高，这种说法对吗？答：1kg干空气中所含有的水蒸气质量，用d表示；相对湿度φ越大，含湿量不一定高。二、计算题（每题15分,共60分）(1)一个循环包括以下四个过程求下表中各空白项。过程热量q(KJ)功量W(KJ)内能变化△u（KJ）1-21097010972-30149-1491-4－9500-9504-10-22（2）三个假设的热功当量机循环，将下表的空白填上。对循环进行分类，确定是可逆的，不可逆的或不可能的，填入类型一类，已知在各种情况下热源温度为773K，冷源温度为303K过程吸热量(KJ)放热量(KJ)功(KJ)效率(%)类型187000261006090070不可能287000580002900033.33不可逆387000841045289660.8可逆303=1-=60.8%773η卡诺2．氮气稳定的流过无运动的绝热装置。在进口处流量为1kg/s，状态为p1=6×105Pa,t1=21℃；出口处氮气均分成两股，状态分别为p2’=1×105Pa,t2’=82℃，p2”=1×105Pa,t2”=－40℃，如图所示。流动过程中工质的动能和位能变化均可忽略不计。试用热力学第一定律和第二定律证明该稳定流动过程能否实现？氮气为理想气体。Cp=1.043kJ/kg.k,R=0.297kJ/kg.k.P2’,t2’0.5kg/sP1,t11kg/sP2”,t2”0.5kg/s解：○1用热力学第一定律：210.5(')0.5(8221)30.5pppcttcc×−=×−=（吸热量），120.5c()0.5(21(40))30.5pppttcc−=××−−=吸热量=放热量，∴可行；○2用热力学第二定律：135510.5(ln297ln)364.402946pJScks∆=−=⋅223310.5(1043ln297ln)144.812946JSks∆=−=⋅12509.210JSSSks∆=∆+∆=⋅∑可行（熵流=0），为不可逆过程。3．空气经喷管作定熵运动，已知进口截面上空气参数为p1=7×105Pa,t1=947℃，出口处压力p2为5×105Pa。质量流量qm=0.5kg/s,试选择喷管外形，计算出口截面上的流速，及出口截面积。设Cp0=1.004kJ/(kg.k),R=0.287kJ/(kg.k),k=1.4。Vcr=0.528解（1）pcr=0.528×7×105=3.696×105pa5×105