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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期末题：目标院校目标专业本科期末测试题2-3套

模拟题：目标院校目标专业考研专业课模拟测试题2套

复习题：目标院校目标专业考研专业课导师复习题

真题：目标院校目标专业历年考试真题，本项为赠送项，未公布的不送！

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)