2023年工程热力学北交大期末考试试题.pdf

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1、北 京 交 通 大 学 工 程 热 力 学 期 末 试 题 填空题(每空 1 分，共 10 分)1.当热力系与外界既没有能量交换也没有物质交换时，该热力系为 _孤立系 _。2.在国际单位制中温度的单位是 _开尔文(K)_。3.根据稳定流动能量方程，风机、水泵的能量方程可简化为 _ ws=h2 h1 或 wt=h2 h1_。4.同样大小的容器内分别储存了同样温度的氢气和氧气，若二个容器内气体的压力相等，则二种气体质量的大小为2Hm_小于 _2Om。5.已知理想气体的比热 C 随温度的升高而增大，当 t2t1 时，212ttt0C C 与的大小关系为_2 21t0ttC C _。6.已知混合气体中

2、各组元气体的质量分数 i 和摩尔质量 Mi，则各组元气体的摩尔分数 i 为 _n1 ii ii iM/M/_。7.由热力系与外界发生 _热量 _ 交换而引起的熵变化称为熵流。8.设有一卡诺热机工作于 600和 30热源之间，则卡诺热机的效率为%_。9.在蒸汽动力循环中，汽轮机排汽压力的降低受 _环境 _ 温度的限制。1.与外界既无能量交换也无物质交换的热力系称为 _孤立 _热力系。2.热力系的储存能包括 _热力学能、宏观动能、重力位能 _。3.已 知 某 双 原 子 气 体 的 气 体 常 数 Rg=260J/(kg k)，则 其 定 值 比 热 容cv=_650_J/(kg k)。4.已知

3、1kg 理想气体定压过程初、终态的基本状态参数和其比热容，其热力学能的变化量可求出为 u=_ cp(T2 T1)_。5.定值比热容为 cn 的多变过程，初温为 T1,终温为 T2，其熵变量 s=_。6.水蒸汽的临界压力为。7.流体流经管道某处的流速与 _当地音速 _的比值称为该处流体的马赫数。8.汽轮机的排汽压力越低，循环热效率越高，但排汽压力的降低受到了 _环境温度 _的限制。9.未饱和湿空气的相对湿度值在 _0 与 1_之间。1理想气体多变指数 n=1，系统与外界传热量 q=_；多变指数 n=，系统与外界传热量 q=_。2卡诺循环包括两个 _过程和两个 _过程 3水蒸汽的汽化潜热在低温时较

4、 _，在高温时较 _，在临界温度为 _。4在 T S 图上，定压线的斜率是 _；定容线的斜率是 _ 5理想气体音速的计算式：_，马赫数的定义式为：_ 1、功 W;内能 U 2、定温变化过程，定熵变化 3、小，大，0 4、对数曲线，对数曲线 5、a kpv kRT，cMa 1理想气体多变过程中，工质放热压缩升温的多变指数的范围 _ 2 蒸汽的干度定义为 _。3 水蒸汽的汽化潜热在低温时较 _，在高温时较 _，在临界温度为_。4理想气体的多变比热公式为 _ 5采用 Z 级冷却的压气机，其最佳压力比公式为 _ 1、大于 0，小于;2、湿蒸汽中含干蒸汽的质量/湿蒸汽的总质量 3、小，大，0 4、1n

5、vnc cn 5、i=（PZ+1/P1）1/Z 四、名词解释题（本大题共 5 小题，每小题 3 分，共 15 分）1、理想气体:理想气体满足克拉贝龙状态方程的气体;或者是指由相互间没有作用力的分子构成的气体,且分子本身是不占据体积的弹性质点.2、水蒸汽的临界状态：当压力高于确定的临界压力时，定压下的蒸气发生过程不再经历预热、气化和过热三个阶段，而是在温度为临界温度时连续地从液态转变为气态，这种由临界压力和临界温度确定的状态称为临界状态。过热度：过热蒸气的温度与同压下的饱和温度之差称为过热度，单位为开尔文或摄氏度 3、湿空气的绝对湿度：湿空气中水蒸气的密度，符号 V 4、湿空气的相对湿度：湿空气

6、中水蒸气的密度 V与其相应温度下的最大密度 S 之比 5.熵产：不可逆过程中，不可逆因素引起的熵的变化称为熵产。6.稳定流动：是指流体流经管道中任意点的热力状态参数及流速等均不随时间而变化的流动过程。7.湿空气的焓：湿空气的焓值等于干空气的焓值与水蒸气的焓值之和。8.控制质量:闭口系内包含的物质量是恒定的，这种作为研究对象的恒量物质称为控制质量。9.热量的无效能:热源提供的热量，在环境为冷源的卡诺循环中，不能转换为功的部分。10.水蒸汽的饱和状态:汽化和液化速率相等，成为一种汽液相变的动态平衡的状态。11.湿空气的含湿量:一定体积的湿空气中所含水蒸汽的质量与其中所含干空气质量的比值。或湿空气中

7、，每 1kg 干空气中所含水蒸汽的质量。孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换的系统。焓：为简化计算，将流动工质传递的总能量中，取决于工质的热力状态的那部分能量，写在一起，引入一新的物理量，称为焓。热力学第二定律：克劳修斯(Clausius)说法：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。开尔文一浦朗克(Kelvin Plank)说法：不可能制造只从一个热源取热使之完全变成机械能而不引起其他变化的循环发动机。器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一

8、卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定相对湿度：湿空气的绝对湿度v与同温度下饱和空气的饱和绝对湿度s的比值，称为相对湿度。卡诺定理：1所有工作于同温热源与同温冷源之间的一切可逆循环，其热效率都相等，与采用哪种工质无关。2在同温热源与同温冷源之间的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。理想气体：气体分子本身所具有的体积与其所活动的空间相比非常小，分子本身的体积可以忽略，而分子间平均距离很大，分子间相互吸引力小到可以忽略不计时，这种状态的气体便基本符合理想气体模型。水蒸气的汽化潜热：将 1

9、kg 饱和液体转变成同温度的干饱和蒸汽所需的热量。五、简答题（本大题共 5 小题，每小题 5 分，共 25 分）1.何谓水蒸汽参数座标图中的一个点、两条线、三个区域和五种状态？一点:临界状态点,其在水蒸汽参数座标图中的位置随工质而异;二线:饱和蒸气线(上界线):不同压力下饱和蒸气状态的连线.饱和液线(下界线):不同压力下饱和液状态的连线。上、下界线合在一起又称为饱和线。三区：未饱和液区（过冷液区），湿蒸气区，过热蒸气区 五态：未饱和液（过冷液），饱和液，湿饱和蒸汽，（干）饱和蒸汽，过热蒸汽 2.卡诺循环热效率表达式说明了哪三个重要问题？a.提高热源温度 TH和降低冷源温度 TL 是提高两恒温热

10、源间可逆循环热效率的根本途径与方法;=0 和 TH 是不可能的,故热机热效率恒小于 100%;c.当 TH=TL 时,C=0,说明单一热源热机是造不成的.3.平衡状态与稳定态有什么联系与区别?平衡态是指热力系的宏观性质不随时间变化的状态。稳定态是指热力系的状态不随时间而变化的状态。平衡必然稳定，稳定未必平衡。4.能量方程 q=u+w和 q=Cv T+21pdv的适用条件有何不同?前者：闭口系、任意工质、任意过程；后者：闭口系、理想气体、可逆过程。5.夏天，自行车在被太阳晒得很热的马路上行驶时，为什么容易引起轮胎爆破?轮胎内气体压力为 P=VMR,TVMRr r为常数，当 T升高时 P随之升高，

11、容易引起爆破。6.不可逆过程熵的变化如何计算?可以选择相同初、终状态间可逆过程熵的变化来计算。7.准平衡过程与可逆过程有何共同处?有何区别?有何联系?它们共同处都是在无限小势差作用下，非常缓慢地进行，由无限接近平衡状态的状态组成的过程。它们的区别在于准平衡过程不排斥摩擦能量损耗现象的存在，可逆过程不会产生任何能量的损耗。一个可逆过程一定是一个准平衡过程，没有摩擦的准平衡过程就是可逆过程。8.理想气体状态方程有哪些常见形式?方程中的常数项与物性是否有关?1kg 气体:pv=RrT mkg 气体:pV=mRrT 1mol 气体：pVm=RT nmol 气体：pV=nRT Rr 是气体常数与物性有关

12、，R 是摩尔气体常数与物性无关。9.干饱和蒸汽与湿饱和蒸汽的状态参数各有何特点?干饱和蒸汽：x=1,p=ps t=ts v=v,h=h s=s 湿饱和蒸汽：0 x1,p=ps t=ts v vv,h hh,s ss 器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定10.何谓汽流在喷管中的临界状态?何谓临界压力比?理想气体的临界压力比与哪

13、些因素有关?流速为当地音速(Ma=1)时的状态称为流体的临界状态。流体临界状态的压力(临界压力)与其滞止压力的比值，称为临界压力比。理想气体的临界压力比只与气体的物性有关(或比热比 k 有关)1.闭口系统从温度为 300K的热源中取热 500kJ，系统熵增加 20kJ K，问这一过程能否实现，为什么？1、答：能实现 对于可逆过程的熵有：qdsT，则系统从热源取热时的可能达到的最小熵增为：5001.67/300kJds kJ kK B，20/1.67/s kJ k kJ k，因此该过程是可以实现的。六、计算题(第 1、2 题每小题 6 分，第 3、4 题每小题 8 分，共 28 分)=空气按可逆

14、定温过程由初态 T1=328K,P1=106Pa 变化到终态 P2=106Pa，空气的Rr=(kgk)，试求此定温过程的 Q、W、U、H。Q=mRrTln21PP=328 lnKJ 1.7210 15.010 25.066 W=mRrTln21PP=Q=U=mCv(T2 T1)=0 H=mCp(T2 T1)=0 2.某燃气轮机排气 s，温度为 T1=576K,定压排入温度 T0=283K 的环境；设排气的Cp=(kgk)。试求每小时燃气轮机的排气热量中的有效能和无效能。每小时排气的放热量 Qp:Qp=mCp(T0 T1)=3600(283 576)=1292341KJ/h 此热量中的有效能 Q

15、a:Qa=TTln T)T T(mC dT)TT1(mC Q)TT1(m00 1 0 p0TTp0TT0101=3600(283 576)283ln576283=h 此热量中的无效能 Qu:Qu=Qp Qa=1292341(=h 3.一容积为的储气罐，内装氮气，其初压力 p1=，温度 t1=37。若对氮气加热，其压力、温度都升高。储气罐上装有压力控制阀，当压力超过时，阀门便自动打开，放走部分氮气，即罐中维持最大压力为，问当储气罐中氮气温度为 287 时，对罐内氮气共加入多少热量？设氮气比热容为定值。二、计算题（共 70 分）器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种

16、气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定图 2 1、一种切割工具利用从喷嘴射出的高速水流切割材料，供水压力为200kPa、温度 20，喷嘴内径为时，射出水流温度 20，压力 100kPa，流速 1000m/s，已知在 200kPa、20时，30.001002m/kg v，假定可近似认为水的比体积不变，求水泵功率。（10 分）2、某太阳能供暖的房屋用 5 8的大块混凝土板作为蓄热材料，该混凝土的密度

17、为 2300kg/m3，比热容(kg K)。若混凝土板在晚上从 23冷却到18（室内温度），求此过程的熵产。（10 分）3、某活塞式内燃机定容加热理想循环（图 2 循环 1-2-3-4-1），压缩比=10，压缩冲程的 起 点状态是 t1=35、p1=100kPa。加热过程中气 体 吸热 650kJ/kg。假定比热容为定值，且 cp=（kgK），=，求：（1）循环中各点的温度、压力和循环热效率；（2）若循 环 压缩 过程 和膨 胀 过程 均不 可逆，两过 程的 熵产 分 别为(kgK)和 kJ/(kgK)，求工质经循环后的熵变；（3）若膨胀过程持续到 5（p5=p1），画出循环 T-s 图，并分

18、析循环热效率提高还是下降。（10+5+5 分）4、空气在轴流压缩机中被绝热压缩，压力比为，初终态温度分别为 30和 227。若空气作理想气体，比热容取定值,气体常数gR=287J/(kg K)；pc=1005J/(kg K)。试计算（1）压气机的绝热效率；（2）压缩过程的熵变和作功能力损失（t0=20）（10+5 分）。5、利用水蒸气取暖，进入散热器的湿饱和水蒸气温度为 100，0.85 x，流出时为饱和水，散热器内近似压力不变。若为维持室内温度恒定为 20需供热 72000kJ/h。求：（1）水蒸气的流量(kg/s)；（2）以散热器为系统，求器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体

19、的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定过程的熵变、熵流、熵产及 损失，环境大气温度为0（7+8分）。饱和水和饱和水蒸气表摘录 0 5 15 25 35 70 100 110 3.汽油机定容加热理想循环进气参数为 C t 271,MPa p 09.01，若循环压缩比16，定容增压比 6.1。假设工质是空气，比热可取定值，)/(005.1 K kg kJ cp，Rg=287)/(

20、K kg J，(1)画出循环 p-v图及 T-s图；(2)求循环的最高温度和最高压力；(3)计算循环的放热量、循环净功及循环的热效率。解：（1）p T 3 3 2 4 4 器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定2 1 1 0 0 v s(2)(2.14552870598.0 10 984.6)(5.9092870598.0 1

21、0 365.4)(0598.0)(984.6 365.4 6.1)(365.4 16 09.0)()(0598.016957.0)(957.01663 3362 2232 32 3234.11211 2312311121KRgv pTKRgv pTkgmv vMPa p pppMPa pvvp pkgmvvkgmmVvVVk k T3、p3为循环的最高温度和压力(3)4.两个质量为 m的比热容为定值的相同物体，处于同一温度 T，将两物体作为制冷机的冷、热源，使热从一物体传出并交给另一物体，其结果是一个物体温度升高，一个物体温度降低。证明当被冷却物体温度降到0T（T T 0）时所需最小功 证明：

22、要使得整个系统完成这一过程所需功量最小，则必须有一可逆制冷机在此工作，保证所构成的孤立系统有 所以有 0 ln ln0,TTmcTTmc Sts i 得到 02TTTt式中 Tt为另一物体在过器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定程终了所具有的温度。由于过程中冷源传出热量)(0 2T T mc Q 热源吸收热量)(1T T mc Qt 所以有 器内分别储存了同样温度的氢气和氧气若二个容器内气体的压力相等小于则二种气体质量的大小为已知理想气体的比 尔分数为由热力系与外界发生热量交换而引起的熵化称为熵流设有一卡诺热机工作于和热源之间则卡诺热机的效率为 热力系热力系的储存能包括热力学能宏观动能重力位能已知某双原子气体的气体常数则其定值比热容已知理想气体定