工程热力学参考答案

宁波工程学院2011～2012学年第二学期《工程热力学》课程期终考试卷（A）题号一二三四五总分复核人应得分1510153030100实得分评卷人成型、机电、制造专业适用，考试时间：120分钟一、填空题（每格1分，共15分）1.卡诺循环由两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程组成。2.迈耶公式Cp-Cv=Rg适用于理想气体，是否定比热容不限。3.绝热过程P=常数，k=Cp/Cv，适用于理想气体，定比热容。4.绝热系是与外界无热量交换的热力系。5.热力系在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，这种状态称为平衡状态。6.稳定流动系统能量方程式qdhvdp的适用条件是：稳定流动。7.同一理想气体从同一初态分别经过定温压缩，绝热压缩和多变压缩1nk到达同一终压力，耗功最大的为绝热压缩过程，而耗功最小的为定温压缩过程。8.卡诺机A工作在927℃和T的两个热源间，卡诺机B工作在T和27℃的两个热源间。当此两个热机的热效率相等时，T热源的温度T＝600K。9.如图所示的容器，被一刚性壁分成两部分，环境压力为0.1MPa，压力表B的读数为40kPa，真空计C的读数为30kPa，则容器两部分内气体绝对压力1p0.14MPa，2p0.07MPa。10.活塞式压气机由于存在余隙容积，压缩耗功不变，产气量减小，随比压增大，容积效率减小。（填“增加”、“不变”或“减小”）二、选择题（每题1分，共10分）1.准静态过程，系统经过的所有状态都接近于DA、初态B、环境状态C、邻近状态D、平衡状态2.有一机器可从单一热源吸收1000KJ热量，并输出1200KJ功，这台机器DＡ、违反第一定律Ｂ、违反第二定律Ｃ一个都不违反Ｄ两个都违反3.若已知工质的绝对压力P=0.08MPa，大气压力P=0.1MPa，则测得压差AA、真空度为0.02MPaB、表压力0.02MPa班级：姓名：学号：C、真空度0.18MPaD、表压力0.18MPa4.气体在某一过程中吸入了100kJ的热量，同时内能增加了150kJ，该过程是BA、膨胀过程B、压缩过程C、定容过程5.某理想气体由状态1经过不可逆绝热过程变化到状态2，该过程中工质熵的变化为：CA、0sB、21TqsC、2121vdvRTdTcsv6.可逆压缩时压气机的耗功为AA、pdvB、21dpvC、21vdp7.kpv=常数pvkcc适用于DA、一切绝热过程B、理想气体绝热过程C、任何气体可逆绝热过程D、理想气体可逆绝热过程8.贮有空气的绝热刚性密闭容器中，安装有电加热丝，通电后，如取空气为系统，则过程中的能量关系有CA、Q0,ΔU0,W0B、Q=0,ΔU0,W0C、Q0,ΔU0,W=0D、Q=0,ΔU=0,W=09.一个橡皮气球在太阳下被照晒，气球在吸热过程中膨胀，气球内的压力正比于气球的容积。则气球内的气体进行的是BA、定压过程B、多变过程C、定温过程D、定容过程10.以下措施，不能提高蒸汽朗肯循环的热效率。CA、提高新汽温度B、提高新汽压力C、提高乏汽压力D、降低乏汽压力三、判断与分析题（每题1.5分，判断正确得0.5分，分析1分，共15分）1.提高新蒸汽的温度、压力和降低乏汽压力理论上都可以提高郎肯循环热效率。○说明理由：在相同的初压和背压下，提高新蒸汽温度，增加了循环的高温加热段，使循环温差增大，能提高热效率。在相同的初温和背压下，提高初压，也能提高循环的平均温差，从而提高热效率。在相同的初压和初温下，较低的乏气压力使循环温差增大，循环净功提高，可以显著提高循环热效率。2.只要气体的比热容是常数,Cp-Cv=Rg。×说明理由：Cp-Cv=Rg从理想气体推导而来，Cp-Cv是温度的函数，与是否为常数无关3.准静态过程一定是可逆过程。×说明理由：可逆过程首先应是准静态过程，同时还要求过程中不存在耗散效应。故准静态过程未必一定是可逆过程。4.稳定状态不一定是平衡状态。○说明理由：只要系统的参数不随时间改变，即认为系统处于稳定状态，而无需考虑参数如何保持不变是如何实现的。平衡状态必须是在没有外界作用下实现参数保持不变。5.容器中气体的压力不变，则压力表的读数绝对不变。×说明理由：由于压力计的测压元件处于其所在环境压力的作用，因此压力计所测得的压力是工质压力的真实压力与环境介质压力之差。因此即使容器中气体压力不变，压力表的读数仍可能随环境介质压力变化而变化。6.水蒸气在等压汽化过程中温度不变。○说明理由：对达到饱和温度的水继续加热，就进入汽化过程，此时饱和压力不变，饱和温度也不变。7.第二永动机违反了热力学第一和第二定律。×说明理由：第二类永动机就是在单一热源下做功的动力机。从单一热源吸热，如果所转换的机械能不超过所吸收的热能，就不违反热力学第一定律。但是热力学第二定律的开尔文说法是:不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功，而不留下其他任何变化的热力发动机。8.朗肯循环基础上实现再热可提高循环热效率。○说明理由：在T-S图上，如果因再热而产生的附加部分较基本循环效率高，则能够使循环的总效率提高。9.余隙容积是必需的但又是有害的，所以我们在设计气机的时候应尽量降低余隙容积。○说明理由：在实际的活塞式压气机中，因为制造公差的存在，余隙是不可避免的。考虑金属材料的热膨胀及安装进、排气阀等零件的需要，余隙是必需的。当余隙容积比和多变指数一定时，增压比越大，容积效率越低。当增压比一定时，余隙容积百分比越大，容积效率越低。余隙容积是有害的。设计压气机的时候，应该尽量降低余隙容积。10.工质经一不可逆循环其熵一定增加。○说明理由：不可逆过程中存在不可逆因素引起耗散效应，使损失的机械功转换为热能被工质吸收，产生熵增量（熵产）。四、简答题（每题5分，共30分）1.倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式中，当地大气压是否必定是环境大气压?答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。2.热力学第一定律的能量方程式是否可写成，的形式，为什么？答：⑴热力学第一定律的基本表达式是：过程热量=工质的热力学能变化+过程功第一个公式中的Pv并非过程功的正确表达，因此该式是不成立的；Pvuq)()(121212wwuuqq)()(bvbbebPPPPPPPPPP；⑵热量和功过程功都是过程的函数，并非状态的函数，对应于状态1和2并不存在什么q1、q2和w1、w2；对于过程1-2并不存在过程热量和过程功，因此第二个公式也是不成立的。3.在定容过程和定压过程中，气体的热量可根据过程中气体的比热容乘以温差来计算。定温过程气体的温度不变，在定温膨胀过程中是否需对气体加入热量？如果加入的话应如何计算？答：理想气体在定温过程中热力学能和焓保持不变。当对气体加热作定温膨胀时，加入的热量（从数量上看）全部用于对外作功；气体被定温压缩时，对气体所作的功全部转变为热量向外放出。定温过程对气体应加入热量。4.下述说法是否有错误：⑴循环净功Wnet愈大则循环热效率愈高；⑵不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率；⑶可逆循环的热效率都相等。答：⑴说法不对。循环热效率的基本定义为：，循环的热效率除与循环净功有关外，尚与循环吸热量Q1的大小有关；⑵说法不对。根据卡诺定理，只是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间”的条件下才能肯定不可逆循环的热效率一定小于可逆循环，离开了这一条件结论就不正确；⑶说法也不正确。根据卡诺定理也应当是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间”的条件下才能肯定所有可逆循环的热效率都相等，，而且与工质的性质与关，与循环的种类无关。如果式中的温度分别采用各自的放热平均温度和吸热平均温度则公式就是正确的，即，不过这种情况下也不能说是“所有可逆循环的热效率都相等”，只能说所有可逆循环的热效率表达方式相同。5.如果单级活塞式压气机采用了某种冷却方法可以实现等温压缩，是否还有必要采用多级压缩？为什么？答:多级压缩的目的之一，是为了使压缩过程尽量接近于定温压缩，从而减少功耗。目的之二，是减小压缩比，。。。因此，在采用了某种冷却方法可以实现等温压缩时，还要根据总压缩比和装置情况，确定是否采用多级压缩。6.试画出朗肯循环的T-s图，并指明该循环是由哪些过程组成的，以及这些过程都是在什么设备内完成的。它与蒸汽卡诺循环有什么不同？答：1—2：汽轮机中绝热膨胀2—3：冷凝器中定压冷凝3—4：给水泵中绝热压缩4—1：锅炉和过热器中定压加热与卡诺循环的不同：1nettQW12t1TT12t1TT12qqq12凝结过程：朗肯循环中乏汽的凝结是完全的，完全液化成水。而卡诺循环中乏汽的凝结不完全，仍有部分蒸汽存在。换热过程：朗肯循环为定压过程，而卡诺循环为定温过程。压缩时工质状态：朗肯循环中为水，而卡诺循环中为水和蒸汽的混合物。温限：朗肯循环可利用过热蒸汽，而卡诺循环局限于饱和区。五、综合计算题（每题10分，共30分）1．空气初态为p1=0.1MPa、t1=20℃，经过二级活塞式压气机后，压力提高到4.9MPa，假定各级压缩过程的多变指数n=1.3。试求：（1）以耗功最小为前提的各级压比；（2）生产1kg压缩空气理论上消耗的功；（3）各级气缸的出口温度；（4）若采用单级压缩，压气机消耗的功及出口温度。(Rg=0.287kJ/kg·K)答：欲使耗功最小，应使各级压比相等。各级压比应为：根据状态方程式求出初态下的比容（3）各级气缸的出口温度；（4）若采用单级压缩，压气机消耗的功及出口温度。2．1kg空气，初态P1=1.0MPa,t1=500℃，在气缸中可逆定容放热到P2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t2=500℃，再经可逆定温过程回到初态。求循环功和吸收的热量。答：查表，Rg=287J/(kg・K)，cv=717J/(kg・K),cp=1004J/(kg・K),κ=1.4T1=T3=500+273.15=773.15K状态1：kgkJKKkgJTRnnwnngLc/7.206)17()15.27320()/(28713.13.1)1(13.113.1111,kgkJkgkJwwLcc/4.413/7.20622,CKTTTnn2.1863.459715.2933.113.11132kgkJKKkgJTRnnwnngc/5.530)149()15.27320()/(28713.13.1)1(13.113.111CKTTnn5.4467.7194915.2933.113.11124913pp71.09.4221321MPaMPapp对于定容放热定容过程的过程功w1-2为零，过程热量对于绝热压缩过程功kJttcwv18.277386.58K)-(773.15KK)J/(kg717)(2332过程热量q2-3=0循环功循环热量3．在高温环境中有一容器，A侧装有2kg氮气，压力为0.07MPa，温度为67℃；B侧装有8kg氮气，压力为0.1MPa，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=297J/(kg.K)，过程中的平均定容比热容cv=0.742kJ/(kg.K)，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。答：（1）容器A和B的容积分别为：对于整个容器，N28kg0.1MPa17℃N22kg0.07MPa67℃36111/222.0100.115.773)/(287mkgPaKKkgJpTRvgK