工程热力学 期末试题 答案
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中北大学
《工程热力学》
期末题笔
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中北大学工程热力学试题(A)卷(闭卷)
2013--2014学年第一学期学号:姓名:
一、单项选择题(本大题共15小题,每题只有一个正确答案,答对一题得1分,共15分)
1、压力为10bar的气体通过渐缩喷管流入1bar的环境中,现将喷管尾部截去一段,其流速、流量变化为。【】
A.流速减小,流量不变B.流速不变,流量增加
C.流速不变,流量不变D.流速减小,流量增大
2、某制冷机在热源T1=300K,及冷源T2=250K之间工作,其制冷量为1000KJ,
消耗功为250KJ,此制冷机是【】
A.可逆的B.不可逆的
C.不可能的D.可逆或不可逆的
3、系统的总储存能为【】
A.UB.U+pV
C.U+mc2f/2+mgz
A.一切工质的可逆过程
C.理想气体的可逆过程D.U+pV+mc2f/2+mgz【】B.一切工质的不可逆过程D.理想气体的一切过程4、熵变计算式∆s=cpIn(T2/T1)-RgIn(p2/p1)只适用于
5、系统进行一个不可逆绝热膨胀过程后,欲使系统回复到初态,系统需要进行一个【】过程。
【】
A.可逆绝热压缩B.不可逆绝热压缩
C.边压缩边吸热D.边压缩边放热
6、混合气体的通用气体常数,【】。
【】
A.与混合气体的成份有关B.与混合气体的质量有关
C.与混合气体所处状态有关D.与混合气体的成份、质量及状态均无关系
7、贮有空气的绝热刚性密闭容器中装有电热丝,通电后如取空气为系统,则
【】A.Q>0,△U>0,W>0B.Q=0,△U>0,W>0
C.Q>0,△U>0,W=0D.Q=0,△U=0,W=0
8、未饱和空气具有下列关系
【】
A.t>tw>td
C.t=td=tw
9、绝热节
【】
A.定压
10
【流过程B.t>td>tw.D.t=tw>td是【B.定温】过程。C.定熵D.节流前后焓相等、抽汽式热电循环的】
A.提高循环热效率,提高热能利用率
B.提高循环热效率,降低热能利用率
C.降低循环热效率,提高热能利用率结果是
D.降低循环热效率,降低热能利用率
11、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,则气球内的气球进行的是
【】
A.定压过程
12
【B.多变过程C.定温过程D.定容过程、气体的容积比热是指】
A.容积保持不变的比热。
B.物量单位为一立方米时气体的比热。
C.物量单位为一摩尔容积气体的比热。
D.物量单位为一标准立方米时气体的比热。
、抽气回热循环改善了朗肯循环,其根本原因在于】
A.每公斤水蒸汽的作功量增加了
B.排气的热能得到了充分利用
C.水蒸汽的平均吸热温度提高了
D.水蒸汽的放热温度降低了
、孤立系统是指系统与外界】
A.没有物质交换B.没有热量交换
C.没有任何能量交换D.没有任何能量传递与质交换
】13【14【15、热机从热源取热1000KJ,对外作功1000KJ,其结果是【
A.违反第一定律B.违反第二定律
C.违反第一及第二定律D.不违反第一及第二定律
第二部分非选择题(共85分)
二、判断题(本大题共10小题,每题1分,共10分,答A表示说法正确.答B表示说法不正确,本题只需指出正确与错误,不需要修改)
16、孤立系统的熵与能量都是守恒的。()
17、实际气体在压力趋于零的极限状态就成为理想气体。()
18、容器中气体的压力不变则压力表的读数也绝对不会改变。()
19、在T—S图上,任意二条可逆绝热过程线不能相交。()
20、再热循环的主要目的是提高汽轮机尾部排汽干度。()
21、任一热力循环的热效率都可用η=1-q2/q1=1-T2/T1计之。()
22、孤立系统达到平衡时总熵达极大值。()
23、一桶具有环境温度的河水与一杯沸水,前者的可用能大于后者。()
24、凡符合热力学第一定律的过程就一定能实现。()
25、卡诺循环的热效率仅取决于其热和冷源的温度,而与工质的性质无关。()
三、填空题(本大题共5小题,每空1分,共12分。)
26、混合气体由N2和CO2组成,已知N2的质量成分为0.72,则混合气体的平均
气体常数Rg,eq=Meeq=。
,室内相对湿已知湿(N2的摩尔质量为0.028kg/mol,CO2为0.044kg/mol)27、冬季取暖,若不采取任何其他措施,室内温度度。(填增大,减少或不变)。28、湿蒸汽的干度定义为
_kg。蒸汽的干度为0.2,其中干饱和蒸汽的质量为6kg,则饱和液体的质量为___
29、氧气的平均比定压热容cp
则cp1950c
800c800c00c=0.914kJ/(kg.K),cp=1950c00c=0.933kJ/(kg.K),=,cv1950c
800c。,其中常数a的修正。30、范德瓦尔方程式的表达式为:是对的修正。常数b是对
四、名词解释(本大题共4小题,每题4分,共16分。)
31、干饱和蒸汽、湿饱和蒸汽和过热蒸汽—
32、热容的定义和单位—
33、湿空气的露点—
34、控制质量—
五、简答题(本大题共3小题,每题4分,共12分。)
35、定压、定温、绝热和定容四种典型的热力过程,其多变指数的值分别是多少?
36、简述蒸汽参数对朗肯循环效率的影响。
37、准平衡过程与可逆过程有何共同处?有何区别?有何联系?
六、计算题(本大题共4小题,共35分。)
38、某蒸汽动力厂按一级抽汽回热(混合式)理想循环工作,如图所示,已知新蒸汽参数p1=4.0MPa,t1=4200C,汽轮机排汽压力p2=0.007MPa,抽汽压力
pA=0.4MPa,忽略泵功。试求:
(1)定性画出循环的T-s图;
(2)抽汽系数α;
(3)循环吸热量q1,放热量q2及输出净功ωnet;
(4)循环热效率;(15分)p(MPa)t
(C)0h(kJ/kg)skJ/(kg.K)Ps
(MPa)h′(kJ/kg)h″(kJ/kg)s′kJ/(kg.K)s″kJ/(kg.K)
4
0.44203261.42716.36.83996.83990.40.007604.7163.42737.62572.61.77640.55976.89438.2767
39、一闭口系从状态1沿1-2-3途径到状态3,传递给外界的热量为47.5kJ,而系统对外作功为30kJ,如图所示。
(1)若沿1-4-3途径变化时,系统对外作功15kJ,求过程中系统与外界传递的热量。
(2)若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1,外界对系统作功6kJ,求该过程中系统与外界传递的热量。
(3)若U2=175kJ,U3=87.5kJ,求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。(7
分)
40、m=2.26kg理想气体的气体常数Rg=430J/(kg.k),比热比κ=1.35。初温
T1=477K,经可逆定容过程后终温T2=591K。求Q、ΔU、W、ΔS。(7分)
41、空气可逆绝热流过一喷管,入口压力p1=0.7MPa,温度t1
=800℃,出口压力
p2=0.15MPa,此喷管是什么外型的喷管?入口空气流速忽略不计,比热容和比热
比取定值,分别为cp=1.004kJ/(kg·K),κ=1.4,Rg=287J/(kg.k)。求喷管出口空气的温度、流速、马赫数。(7分)
参考答案第一部分选择题(共15分)
一、单项选择题(每题只有一个正确答案,答对一题得1分,共15分)
1、C2、B3、C4、C5、C6、D7、C8、A9、D10、A11、B12、D13、C14、D15、B
第二部分非选择题(共85分)
二、判断题(本大题共10小题,每题1分,共10分,答A表示说法正确.
答B表示说法不正确,本题只需指出正确与错误,不需要修改)
16、B17、A18、B19、A20、A21、B22、A23、B24、B25、A
三、填空题(本大题共5小题,每空1分,共11分。)
26、0.267kJ/(kg.K)
27、增大减少31.1×10kg/mol-3
28、饱和蒸汽的质量占整个湿蒸汽质量的比值24
29、0.946kJ/(kg.K)0.686kJ/(kg.K)
a30、(p+Vm-b)=RT对气体分子间的引力对气体分子体积Vm
四、名词解释(本大题共4小题,每题4分,共16分。)
31、干度为1的湿蒸汽为干饱和蒸汽;(1分)
蒸汽和水的混合物称为湿饱和蒸汽;(1分)
温度高于蒸汽压力下所对应的饱和温度的蒸汽,称为过热蒸汽。(2分)
o32、物体温度升高1K(或1C)所需热量称为热容,以C表示。(2分)
3单位有J/(kg.K)、J/(mol.K)和J/(m.K)。(2分)
33、在保持湿空气中水蒸气分压力pv不变的条件下,降低湿空气温度
而使其达到饱和状态时所对应的温度,称为露点。(4分)
34、一个热力系统如果和外界只有能量交换而无物质交换,则该系统称为闭口系统。闭口系统内的质量保持恒定不变,闭口系统又叫做控制质量。(4分)
五、简答题(本大题共3小题,每题4分,共12分。)
35、定压n=0,定容n=∞,定温n=1,定熵n=κ(4分)
36、(1)提高初温,可提高热力循环效率和增大膨胀终点的干度,但受金属材料耐热性能的限制。(2分)
(2)在相同的初温和背压下,提高初压也可使热效率增大。会使乏汽干度降低,设备强度的问题。(1分)
(3)降低背压可以显著提高循环热效率。受环境温度的限制。(1分)
37、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。(2分)
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。(1分)
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。(1分)
六、计算题(本大题共4小题,共36分。)
38、(1)图略。(可参照教材p329图10-14)(2分)
h-h604.7-163.4(2)抽汽系数α===0.173(2分)A-42716.3-163.4
(3)q1=h1-h6=3261.4-604.7=2656.7kJ/kg(2分)
''s-ss-sx2===0.814(2分)s2-s2s2-s2
"h2=h2'+x2(h2-h2')=2124.0kJ/kg(2分)
q2=(1-α)(h2-h3)=(1-0.173)(2124.0-163.4)=1621.4kJ/kg(2分)
ϖnet=q1-q2=2656.7-1621.4=1035.3kJ/kg(2分)
ϖ1035.3=39.0%(2分)(4)ηt==12656.7
39、对途径1-2-3,由闭口系能量方程得
∆U123=U3-U1=Q123-W123=(-47.5)-30=-77.5kJ(1分)
(1)对途径1-4-3,由闭口系能量方程得
Q143=∆U143+W143=∆U123+W143=77.5+15=-62.5kJ(系统对外放热)(2分)
(2)对途径3-1,可得到
Q31=∆U31+W31=77.5+(-6)=71.5kJ(1分)
(3)对途径2-3,有
W23=⎰pdV=0(1分)23
则
Q23=∆U23+W23=87.5-175=-87.5kJ(1分)
U1=U3-∆U123=87.5-(-77.5)=185kJ(1分)
40、cV=1430Rg==1229J/(kg.K)(1分)κ--
中北大学工程热力学试题(A)卷(闭卷)
2012--2013学年第一学期学号:姓名:
一、简答题(每小题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500°C的热源向热机工质放出500kJ的热量,设环境温度为30°C,试问这部分热量的火用(yong)值(最大可用能)为多少?答:Ex,q=500⨯ 1-⎛
⎝30+273.15⎫⎪=303.95kJ+⎭
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∆Siso=。假设功源的熵变△SW=0。0
证明:四个子系统构成的孤立系统熵增为
(1分)∆Siso=∆ST+∆ST+∆SR+∆SW12
对热机循环子系统:∆SR=01分
1分∆SISO=-QQ++0+012
根据卡诺定理及推论:14.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。自由膨胀
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
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:εR=T2qT=2=2,当q2不变,∆T↑时,w↑、εR↓。即在同样q2下1-2∆(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Tr。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∆s=sf+sg,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,q=∆u+w,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。
答:(1)n>k;(2)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1-m-k-2-1,热力学能变化量为面积1-m-n-2v-1,焓变化量为1-m-g-2p-1。
对不可逆过程,热量无法表示,热力学能和焓变化量相同
三、计算题:(共50分)
1.压气机在95kPa、25℃的状态下稳定地以340m3/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0.025m2,排出的压缩空气的参数为200kPa、120℃。压气机的散热量为60kJ/min。已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg.K),比定热容cV=0.717kJ/(kg.K),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
∙∙c1c2Q-Wsh+(h1++gz1)m-(h2++gz2)m=022∙∙22
即
Wsh
∙∙∙∙c1c2=Q+(h1++gz1)m-(h2++gz2)m∙22(a)60⨯103
其中:Q=-=-1000(J/s)60
p1V95⨯103340m==⨯=6.2944(kg/s)g1287⨯(273+25)60∙∙
c1≈0m/s
∆z=0m
c2=mRgT26.2944⨯287⨯(273+120)m===141.99(m/s)ρ2222⨯⨯∙∙
∆h=h2-h1=cp∆T=(273+717)⨯(120-25)=95380.0(J/s)
将以上数据代入式(a),可得压气机所消耗的功率为:
141.992Wsh=-1000+6.2944⨯(-95380.0-)=-6.648⨯105(J/s)2∙
2.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℃,。N2
2kgA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0.07MPa图。现打开阀门,氮气由B流向A。氮气可视为理想气体,已知67℃
气体常数Rg,N2=297J/(kg·K),过程中的平均定容比热容cv=0.742
kJ/(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;⑶气体的熵变。(18分)
解:⑴容器A和B的容积分别为mARgTA12⨯297⨯340VA===2.8851 m3
A10.07⨯10mBRgTB18⨯297⨯2903(4分)VB===6.8904 m6PB10.1⨯10
取A+B中的气体为系统(CM),N28kg0.1MPa17℃
m=mA+mB=2+8=10kg
V=VA+VB=2.8851+6.8904=9.7755m3(2分)
终态时的气体压力
⑵按题给,系统不对外作功,有
Q=∆U=mcvT2-cv(mATA1+mBTB1)
=2322.46-2226=96.46 kJ
⑶原在A中的氮气熵变(2分)∆SA=mA(cplnP2=mRgT2=10⨯297⨯313=0.0951 MPa(2分)9.7755=10⨯0.742⨯313-0.742⨯(2⨯340+8⨯290)(5分)T2P273+400.0951-Rgln2=2⨯(1.039ln-0.297ln=-0.3540 kJ/KAA+原在B中的氮气熵变(2分)
∆SB=mB(cpln
全部氮气的熵变T2P273+400.0951-Rgln2=2⨯(1.039ln-0.297ln=0.7538 kJ/KBB+∆S=∆SA+∆SB=-0.3540+0.7538=0.3998 kJ/K(1分)
3.将100kg温度为30℃的水与200kg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c=4.187kJ/(kg⋅K),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
m1cT1+m2cT2=(m1+m2)cT
可得
T=mT+mT100⨯303+200⨯353==336.33K1+2+水的混合过程的熵变为
∆S=Sf+Sg
由于绝热Sf=0
Sg=∆S=m1cln
=100⨯4.187lnTT+m2cln12336.33336.33+200⨯4.187ln=3.186(kJ/K)303353
混合过程的做功能力的损失为
I=T0Sg=290⨯3.186=923.94(kJ)