工程熱力學(xué)期末試題及答案

1、工程執(zhí)八、力學(xué)期末建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)適用（閉卷，150分鐘）班級(jí)姓名學(xué)號(hào)成績(jī)一、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共40分）1. 什么是熱力過(guò)程？可逆過(guò)程的主要特征是什么？答：熱力系統(tǒng)從一個(gè)平衡態(tài)到另一個(gè)平衡態(tài)，稱為熱力過(guò)程?？赡孢^(guò)程的主要特征是驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行的 勢(shì)差無(wú)限小，即準(zhǔn)靜過(guò)程，且無(wú)耗散。2. 溫度為500°C的熱源向熱機(jī)工質(zhì)放出 500 kJ的熱量，設(shè)環(huán)境溫度為30° C,試問(wèn)這部分熱量的火用（yong ）值（最大可用能）為多少？答:30273 .15=303.95kJ500 273 .15-3. 兩個(gè)不同溫度（Ti,T2）的恒溫?zé)嵩撮g工作的可逆熱機(jī)，從高溫?zé)嵩碩i吸收熱量

2、Q向低溫?zé)嵩磿?shū)放出熱量Q,證明：由高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩础釞C(jī)和功源四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的孤立系統(tǒng)熵增。假設(shè)功源的熵變 Sw=o。Siso = 0證明：四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的孤立系統(tǒng)熵增為（1 分）ASiso -002 "Sr =Sw對(duì)熱機(jī)循環(huán)子系統(tǒng):t：Sr = 0 分ISO二 - Q1Q2 0 0T2根據(jù)卡諾定理及推論:Q2 _ 1T2QT1自由膨脹則：山Siso -01分4. 剛性絕熱容器中間用隔板分為兩部分，A中存有高壓空氣，B中保持真空，如右圖所示。若將隔板抽去，試分析容器中空氣的狀態(tài)參數(shù)（T、P、u、s、v）如何變化，并簡(jiǎn)述為什么。答：u、T不變，P減小，v增大，s增大（絕熱節(jié)流過(guò)5.

3、試由開(kāi)口系能量方程一般表達(dá)式岀發(fā)，證明絕熱節(jié)流過(guò)程中，節(jié)流前后工質(zhì)的焓值不變。 程可看作穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過(guò)程，宏觀動(dòng)能和重力位能的變化可忽略不計(jì)）§r17777777/77777T7 -答：開(kāi)口系一般能量方程表達(dá)式為絕熱節(jié)流過(guò)程是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過(guò)程，因此有如下簡(jiǎn)化條件dE/dr=O; 0=0則上式可以簡(jiǎn)化為：:,叫=Oj 込二0,4易二0nij hx =電 A2d/n根據(jù)質(zhì)量守恒，有！-一= 0代入能量方程，有廠':h26. 什么是理想混合氣體中某組元的分壓力？試按分壓力給岀第i組元的狀態(tài)方程。答：在混合氣體的溫度之下，當(dāng)i組元單獨(dú)占有整個(gè)混合氣體的容積（中容積）時(shí)對(duì)容器壁面所形成的壓 力

4、，稱為該組元的分壓力；若表為 R，則該組元的狀態(tài)方程可寫成：RV= mRT。7. 高、低溫?zé)嵩吹臏夭钣?，卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)是否就愈大，愈有利？試證明你的結(jié)論。答：否，溫差愈大，卡諾制冷機(jī)的制冷系數(shù)愈小，耗功越大。（2分）證明：g = 一 =亞=互，當(dāng)q2不變，AT 時(shí)，W 、名R*。即在同樣q2下（說(shuō)明 -T2wat得到的收益相同），溫差愈大，需耗費(fèi)更多的外界有用功量，制冷系數(shù)下降。（3分）8. 一個(gè)控制質(zhì)量由初始狀態(tài) A分別經(jīng)可逆與不可逆等溫吸熱過(guò)程到達(dá)狀態(tài)B,若兩過(guò)程中熱源溫度均為Tr。試證明系統(tǒng)在可逆過(guò)程中吸收的熱量多，對(duì)外做出的膨脹功也大。答：經(jīng)歷可逆或不可逆定溫過(guò)程后，按題給兩種

5、情況下過(guò)程的初、終狀態(tài)相同，因而系統(tǒng)的熵變相同。由系統(tǒng)的熵方程Cs=：Sf - Sg，對(duì)于可逆過(guò)程其熵產(chǎn)為零，故熱熵流將大于不可逆過(guò)程。可見(jiàn)，可逆過(guò)程的熱量將大于不可逆過(guò)程；（3分）由熱力學(xué)第一定律，q =.iu - w，因過(guò)程的初、終狀態(tài)相同，熱力學(xué)能變化相同，故可逆與不可逆兩種情況相比，可逆過(guò)程的過(guò)程功亦較大。（2分）二、作圖題：（每小題5分，共10分）1. 試在所給參數(shù)坐標(biāo)圖上定性地畫(huà)岀理想氣體過(guò)點(diǎn)1的下述過(guò)程，分別指岀該過(guò)程的過(guò)程指數(shù)n應(yīng)當(dāng)在什么數(shù)值范圍內(nèi)（圖中請(qǐng)標(biāo)明四個(gè)基本過(guò)程線）：1）壓縮、升溫、吸熱的過(guò)程2）膨脹、降溫、吸熱的過(guò)程。vs答： n k ；1 ：n ：k評(píng)分：四條基本

6、線（2分）兩條曲線（2分）n取值（1分）2. 如圖所示T- s圖上理想氣體任意可逆過(guò)程1-2的熱量如何表示？熱力學(xué)能變化量、焓變化量如何表示？若過(guò)程1-2是不可逆的，上述各量是否相同？（請(qǐng)寫出簡(jiǎn)明的作圖方法。）答：對(duì)可逆過(guò)程，熱量為面積1-m-k-2-1 ，熱力學(xué)能變化量為面積1-m-n-2v-l，焓變化量為1-m-g-21對(duì)不可逆過(guò)程，熱量無(wú)法表示，熱力學(xué)能和焓變化量相同三、計(jì)算題：（共50分）1.壓氣機(jī)在95 kPa、25 C的狀態(tài)下穩(wěn)定地以 340 nf/min的容積流率吸入空氣，進(jìn)口處的空氣流速可以忽 略不計(jì)；壓氣機(jī)排口處的截面積為0.025 m 2,排出的壓縮空氣的參數(shù)為200 kP

7、a、120 °C。壓氣機(jī)的散熱量為60 kJ/min。已知空氣的氣體常數(shù) Rg=0.287 kJ/（kg.K），比定熱容 Cv=0.717 kJ/（kg.K），求壓氣機(jī)所 消耗的功率。（16分）解：以壓氣機(jī)中空氣為研究對(duì)象，其穩(wěn)定工況的能量方程為2Q -Wsh(h1一c2一 gzj m -(h2gz2) m = 022 2Wsh =Q (h|gz1) -(h2 C2gz2 )m (a)2 2360 103其中：Q =-6010=_1ooo(j/s60P1 V95 103340287 (273 25)60=6.2944(kg / s)G ： 0m/s-z = 0mC2 :mRT2P2

8、A6.2944 287 (273 120)200 103 0.025= 141.99(m/s)=h2 -hi =Cp. T =(273 717) (120-25) =95380.0(J/s) 將以上數(shù)據(jù)代入式(a),可得壓氣機(jī)所消耗的功率為：W： =1000 6.2944 ( -95380.0 - 141.99 ) = -6.648 105(J /s)22.在高溫環(huán)境中有一容器， A側(cè)裝有2 kg氮?dú)?，壓力?.07 MPa,溫度為 67C； B側(cè)裝有8 kg氮?dú)?，壓力?.1 MPa，溫度為17C，。A和B的壁面 均為透熱壁面，它們之間用管道和閥門相連，見(jiàn)附圖?，F(xiàn)打開(kāi)閥門，氮?dú)庥葿流向A。氮

9、氣可視為理想氣體，已知?dú)怏w常數(shù)中的平均定容比熱容 cv = 0.742 kJ/( kg度為t2 = 40 C,試求：平衡時(shí)終壓力(18 分)解：容器A和B的容積分別為mA RgTA1PA1mB RgTB1Pb1R,n2 = 297 J/(kg K)，過(guò)程-K)，若壓力平衡時(shí)容器中氣體溫吸熱量 Q :氣體的熵變。2 297 34° =2.8851 m30.07 106取A+B中的氣體為系統(tǒng)(CM,m=V =終態(tài)時(shí)的氣體壓力VA +N22 kg0.07MPa67 CN8 kg0.1 MPa17 C=8 297 290 =6.8904 m3(4 分)0.1 106m = 2 +8 =10

10、kgV = 2.8851 + 6.8904 = 9.7755 m(2 分)297313 =0.0951 MPa(2 分)V9.7755按題給，系統(tǒng)不對(duì)外作功，有Q = . ：U 二 mqT? -：人丁川2bTb1)(5 分)=10 0.742 313-0.742 (2 340 8 290)= 2322.46 -2226 =96.46 kJ原在A中的氮?dú)忪刈?2分),T2P2273+400.0951SA =mA(cpln - -Rgln -2 (1.039In0.297In)=0.3540 kJ/Kp Ta g Pa273 670.07原在B中的氮?dú)忪刈?2分)AT2P2273+400.0951

11、SB =mB(cpln 2 -Rgln)=2 (1.039In0.2971n) =0.7538 kJ/Kp TbgPB273 170.1全部氮?dú)獾撵刈?S 二 SaSb 二-0.3540 0.7538 =0.3998 kJ/K (1 分)3. 將100 kg溫度為30 C的水與200 kg溫度為80 C的水在絕熱容器中混合，假定容器內(nèi)壁與水之間也是絕熱的，且水的比熱容為定值，取c =4.187 kJ/（kg K）,環(huán)境溫度為17 °c求混合過(guò)程導(dǎo)致的可用能損失？ （ 16分）解：以絕熱熔器內(nèi)水為研究對(duì)象，由其能量方程可得m1cT1 -m2cT2 =（m 亠m2）cT可得T 二訕 吋2 二 100 303