工程热力学本科生期末复习题2答案(可编辑修改word版)

一判断题

1.均匀则一定平衡。反之平衡也一定均匀；（×）

2.稳定状态一定是平衡状态；（×）

3.判断一个热力过程是否可逆的条件是准平衡过程且无耗散效应；（√）

4.焓只有在流动工质中才存在；（×）

5.对于定压过程热力学第一定律的表达式可写为q =?h ；（√）

6.闭口热力系吸收一定热量后，其熵一定增大；（√）

7.用压力表可以直接读出绝对压力值；（×）

8.自发过程为不可逆过程，非自发过程必为可逆过程；（×）

9.w =?pd v 可用于准平衡过程求功量；（×）

10.热力系没有通过边界与外界交换能量，系统的热力状态也可能变化；（×）

11.初、终态相同的热力过程，不可逆过程的熵变大于可逆过程的熵变；（×）

12.任意可逆循环的热效率都是ηt=1-T2/T1；（×）

13.经不可逆循环，系统和外界均无法完全恢复原态；（×）

14.理想气体的 C p,C v值与气体的温度有关，则它们的差值也与温度有关；（×）

15.气体的比热可以从-∞变化到+∞的任何值；（×）

16.理想气体的比热容与工质、温度和过程有关；（√）

17.理想气体任意两个状态参数确定后，气体的状态就一定确定了；（×）

18.理想气体的的焓只和温度有关，是状态参数，而实际气体的焓不是状态参数；（×）

19.工质稳定流经热力设备时，所做的技术功等于膨胀功减去流动功；（√）

20.多变过程即任意过程；（×）

21.工质进行了一个吸热、升温、压力下降的多变过程，则多变指数 n 满足 0

22.定温压缩是压气机最理想的工作模式；（√）

23.余隙容积的存在是耗功量增大；（×）

24.制冷系统的制冷系数肯定大于 1；（×）

25.三种动力系统中蒸汽动力系统的效率是最高的，因为其最接近卡诺循环；（×）

26.绝热节流的温度效应可用一个偏导数来表征，这个量称为焦耳- 汤姆逊系数。它是一个状态的单值函数。实际气体节流后温度可能升高、降低或不变；（√）

27.理想气体流过阀门，前后参数变化为Δs>0，ΔT=0；（√）

28.对于缩放喷管，出口压力随着背压的变化而变化，故其流量也随着背压的变化而变化；（×）

29.对于减缩喷管，当p

b ≤p

cr

时，减低p

b

流量保持不变；（√）

30.渐缩喷管出口气流的马赫数可以是任意非负数；（×）

31.喷管的流动过程中肯定能达到当地音速；（×）

32.湿空气的相对湿度下降，湿空气中所含水分不一定减少；（√）

33.水蒸气的焓熵图上，湿蒸气区的等温线既为等压线，是一组斜率相同的倾斜直线；（×）

34.对于饱和空气，t =t

w =t

d

；（√）

35.对未饱和空气进行降温，含湿量先保持不变，再降低；（√）

36.对于水（蒸汽），任意两个状态参数可确定其状态；（错）

37.相对湿度较高的空气，其露点温度也较高；(×)

38.湿饱和蒸汽的焓等于饱和水的焓加上干度乘以汽化过程中 1kg 饱和水变成干饱和蒸汽所吸收的热量；(√)

39.过热蒸汽的温度总是大于未饱和水的温度；( × )

40.湿空气在总压力不变，干球温度不变的条件下，湿球温度愈低，其含湿量愈小。（√）

二图示题

1.利用p—v 图、T—s 图分析多变指数1

解：首先在p—v 图、T—s 图上画出四条基本过程线作为分析的参考线，然后依题意画出多变过程线1-2，如下图所示：

过程线1-2 在绝热线的右方和定容线的右方，这表明是热膨胀过程（即q 和w 均为正）。又过程线在定温线的的下方，表明是一降温过程。

2.在p—v 图上OA、OB 为理想气体的多变过程，在表中填上这2 个过程的⊿ T、W、Q 的正负号，并在p—v 图上画出过程OC。

解：

3.根据给出的理想气体的T—S 图，判断下列各过程参数的正负并填表（写出计算过程）。

.解：

4.如下图所示。 p - v 图上 OA ，OB 为理想气体多变过程，在给出的下表中填写

上这 2 个过程中△T ，W ，Q 的“+”，“-”号；并在 p - v 图上表示出 OC 过程。（8

分）

v

解：（共 8′）A 、B 过程每空 1′，C 过程线 2′。

（共 8′）A 、B 过程每空 1′，C 过程线 2′。

v

过程 △T W Q

A ＋ － －

B ＋ ＋ ＋ C

-

+

-

5.试在 T —S 图上把理想气体任意两状态间的热力学能和焓的变化表示出来（简

A

B

C

过程 △T W

Q

A B

C - + -

要写出推到过程）。

.解：

6.将下图所示的水蒸气的饱和曲线和各热力过程相应地画到T—S 图中。其中2-6、1-4、5-8 为等温线，2-5-7 为等熵线，1-C-2、3-4-5-6 为等压线；

解：

7.某气体工质经历可逆等温吸热过程1-2，可逆多变膨胀过程2-3(κ>n>1),可逆等

温放热过程 3-4，等熵压缩过程 4-1 画出该循环的 p-v 图和 T-s 图。解：

v

s

8. 定性地画出压缩蒸汽制冷循环的焓熵图。解：

s

9. 对于未饱和空气，它的干球温度、湿球温度及露点温度三者那个最大？那个 最小？对于饱和空气，三者的大小关系又如何？在T s 图上表示之。（4 分） 解：

T

s

（2′）

未饱和湿空气：t>t w >t d （1′） 饱和湿空汽：t=t w =t d （1′）

10. 试画出蒸汽压缩制冷循环的 T —S 图，并用各状态点的焓值表示其制冷系数。

11. 试在 T —S 图上分别画出汽油机理想循环和柴油机混合加热理想循环。

12.在 T —S 图画出基本的朗肯循环和带再热循环，并简要说明再热循环的好处。

解：

t t w

t d

再热循环可以提高循环热效率和提高汽轮机出口蒸汽的干度。

13.定性画出内燃机三种理想循环的p -v 、T -s 图。

解：混合加热：

v s 定容加热：

定压加热：

p T

v

s

14.定性地画出燃气轮机定压加热循环的 p - v 、T - s 图。（6 分） 解：

p T

v

s

三简答题

1. 闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量

保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？

答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。

2. 有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不

可分割，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？

答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热

系。

3.促使系统状态变化的原因是什么？

答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交

换与功的交换都是促使系统状态变。

4.经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界

的整个系统能否恢复原来状态？

答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整

个系统不能恢复原来状态。

5.工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减

去活塞排斥大气功才是有用功？

答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。6.

能否由基本能量方程得出功、热量和热力学能是相同性质的参数结论？答：不会，Q =?U +W 可知，公式中的?U 为热力学能的差值，非热力学能，热力学

能为状态参数，与过程无关。

7.热力学能就是热量吗?

答：不是，热是能量的一种，而热力学能包括内位能，内动能，化学能，原子能，电磁能，热力学能是状态参数，与过程无关，热与过程有关。

8.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式：

q =?u +w

2

q =?u +?pdV

1

分别讨论上述两式的适用范围.

答：q =?u +w 适用于任何过程，任何工质。

2

q =?u +?pdV

1

可逆过程，任何工质

9.绝热过程的过程功w 和技术功w t

w = u1 -u2 ，w t = h1 -h2

的计算式：

是否只限于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么？

答：不只限于理想气体和可逆的绝热过程。因为q =?u +w 和q =?h +w

t

是通用公式，适用于任何工质任何过程，只要是绝热过程q = 0 无论是可逆还是不可逆。

所以w = u

1 -u

2

，w t = h1 -h2 不只限于可逆绝热过程。

10.请归纳热力过程中有哪几类不可逆因素？

答：。不可逆因素有：摩擦、不等温传热和不等压做功。

11.当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用c f 2 =

似乎与无摩擦损耗时相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢？

答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。摩擦引起出口速度变小，出口动能的减小引起出口焓值的增大。

12.既然绝热节流前后焓值不变，为什么做功能力有损失？

答：衡量做功能力是熵，不是焓值。节流过程是个不可逆过程熵增，做功能力必然损失。

13如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩？为什么？

答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。

14压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？

答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。

15从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程，这是否是必然的？

答：不是必然的，例如斯特林循环就没有绝热压缩过程。对于一般的内燃机来说，工质在气缸内压缩，由于内燃机的转速非常高，压缩过程在极短时间内完成，缸内又没有很好的冷却设备，所以一般都认为缸内进行的是绝热压缩。

16根据卡诺定理和卡诺循环，热源温度越高，循环热效率越大，燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合，使混合气体降低温度，再进入燃气轮机？

答：这是因为高温燃气的温度过高，燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度，所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作。同时加入大量二次空气，大大增加了燃气的流量，这可以增加燃气轮机的做功量。

17为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？

答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。

18 混合气体中如果已知两种组分A 和B 的摩尔分数xA>xB ，能否断定质量分数也是ωA>ωB ？

答：否。i = 四、计算题

x i

M eq

? M i ，质量分数还与各组分的摩尔质量有关。 1.设热源温度T H =1300K ，冷源温度等于环境温度T o =288K ，热机的工质吸热平均温度为T 1 =600K ，放热平均温度T 2 =300K 。已知热机的热效率t 是以工质吸放热的平均温度作为卡诺循环效率c 的 80%，若热机从热源吸热 100kJ 求：

1） 吸放热量的可用能； 2） 实际热机所做出的功；

3） 热机和热源、冷源整个装置的熵的变化量； 4） 整个装置的做功能力损失。

解：

= 0.8 = 0.8 ? (1 - 300

) = 0.4 t c

600

w o = 100 ? 0.4 = 40kJ

Q 2 = Q 1 - w o = 100 - 40 = 60kJ

E = Q (1 - T o ) = 100 ? (1 - 288

) = 77.8kJ

xQ 1

H

1300 E = Q (1 - T o ) = 60(1 - 288

) = 2.4kJ

xQ 21

2 300 ?S total = - Q 1 T H

+ Q 2

T o

= - 100 + 1300 60 288 = -0.077 + 0.208 = 0.131 ?w = T o ?S total = 288 ? 0.131 = 37.8

2. 有一热力循环，工质为空气，分别经历以下过程，由 15℃，0.5MPa ，定压加热到 200℃，然后绝热膨胀，温度降低到 100℃，接着定容冷却到 15℃，最后等温压缩到初始状态。所有过程都是可逆的，试求循环热效率，并将该循环画 在 p - v 、T - s 图上。

解：

p 1

2

T 2 3

3 1

4

4 s

1 T

2 T

T

1 点， t 1 = 15℃， p 1 = 0.5MPa ；

2 点： p 2 = p 1 = 0.5MPa ；， t 2 = 200℃；三点： t

3 = 100℃，

k p = (T / T )

k -1

p

＝0.438 MPa ；4 点： t = 15℃， p = T 4

p ＝0.338 MPa ；

3

3

2

2 4 4 3

3

循环的吸热量为： q 1 = q 12 = c p (T 2 - T 1 )＝185.93kJ ；

循环的放热量为： q = q + q = c (T - T ) - R T ln

p 4

＝93.3

2

34

41

v

3

4

g 1

1

则循环热效率为

= 1 - q

2 = 49.8％ q 1

3. 某刚性容器内储有 700㎏的空气，其初始压力 p 1 =0.103MPa ， t 1 =5℃，为 了使其温度升高到 27℃，设空气为理想气体，比热为定值，试求：

1）需加入多少热量？

2）若这些热量由T 2 =400K 的热源传给容器，则容器内空气与热源熵增为多

少？

3）若状态变化只是从一个功源吸收能量实现，则空气与功源的熵增又为多少？

解：

(1).Q = mC v (T 2 - T 1 ) = 0.718 ? 700 ? (27 - 5) = 11050kJ

(2)?S 空气 = (C v ln T 2

) ? m = m ? C T 1 ? ln T 2 T 1 = 700 ? 0.718 ? ln 273 + 27

= 38.3kJ / K

273 + 5

?S r

= - 11050 = -27.6kJ / K 400

?S total = 38.3 - 27.6 = 10.7kJ / K (3)?S 空气 = 38.3kJ / K ?S 功源 = 0 ?S total = 38.3kJ / K

4. 1kg 空气经历可逆过程 a-b-c ，其中 a-b 为多变指数 n=0 的多变过程，b-c

p t

v

b

2 2 为 n=K 的过程（K ：绝热指数）。已知T b = 600K ， T a = T c = 300K ，若比热为定

值，求过程 a-b-c 的热力学平均温度T m .

T = ?a dS

=

?C p dT =

C pm (T b - T a ) = 600 - 300

= 432.8

解 ： m

S b - S a

C pm ln T b

T a

C pm ln T

b

T a

ln 600 300

5、某蒸汽动力循环，初参数为 9MPa ，530?C 的水蒸气，经主汽门绝热节流后成为 8MPa 的水蒸气进入可逆绝热的汽轮机中膨胀作功， 直到压力降为0.004MPa 。忽略泵功。

试求：1）与没有节流相比，由于节流，单位工质在汽轮机中的功变化了多少？

2） 节流引起的作功能力损失是多少？已知环境温度为 25?C ； 3） 节流后循环的热效率为多少？

4） 将过程和作功能力损失示意地画在 T-s 图上；

已知饱和水和饱和水蒸气的有关参数如下表：

解：

1) 未节流时

h 1 = 3459.7kJ / kg , s 1 = s 2 = 6.7059kJ / kg .K

s - s '

x 2 = 2 2 = 0.78615

s ''

- s '

h = x h '' + (1- x )h ' = 2033.3kJ / kg

2

2 2

2

2

w 1 = h 1 - h 2 = 1426.4kJ / kg

定容 .1MP 1

1

1 2 2 1 2 2

0 0 1 1 1 4 节流后

h '

= h = 3459.7kJ / kg ,T = 520 +

3459.7 - 3446 ?10 = 525.6 C

34704 - 3446

同样可求 s ' = s ' = 6.8019kJ / kg .K

x '

= s '

- s s '' - s '

= 0.79248

h ' = x ' h '' + (1- x ' )h ' = 2048.7kJ / kg 2

2 2

2 2

w = h '

- h '

= 1411kJ / kg

2

1

2

?w = w 2 - w 1 = -15.4kJ / kg

2) 节流引起的作功能力损失

= T ?s = T (s '

- s ) = 14.95kJ / kg

3) 节流后循环的效率

循环吸热量

q = h - h '

则效率t =

4) 图

= 3338.4kJ / kg

1 w 2

= 42.27% T

1' q 1

5

4

3

2

2'

6. 活塞式内燃机的

T

0 加热循环，其初始状态为 p=0

a ，t=25℃，压缩 比(V /V 2 )=8。对工质加入热量为 780kJ/kg ，工质视为空气（R=287J/kg·K, c p

s

=1.004kJ/kg·K ）。

1） 画出循环的 p-v 图及 T-S 图； 2） 计算循环的最高压力及最高温度； 3） 求循环热效率和净功量；

4） 分析提高循环热效率的热力学措施

解：（1）

1

(2)

p 2 = p 1

( v 1 )k v 2

= 81.4

= 18.4; p 2 = 1.84MPa T 2 = T 1 ( v 1 v 2

)k -1

= 80.4 = 2.3;T 2 = 685.4K Q 2-3 = C v (T 3 - T 2 )

T 3 = T 2 + q 2-3 C v

= 685.4 + 780

0.717 = 1773K

p 3 = p 2 2 = 1.84 ? 1773

685.4

= 4.76MPa

（3）

t .v

t .v

= 1 - 1/k -1

= 1 - 1/(8)0.4 = 0.565

= w o

q 1

w o =t .v q 1 = 0.565 ? 780 = 440.5kJ

(4 ) 提高压缩比

7. 容积V =0.5m 3的空气初压 =0.3MPa,初温 =150℃,经膨胀过程到终态

=0.08MPa, =20℃,求过程中热力学能,焓及熵的变化量。空气作为理想气体,其比热容可取定值, 气体常数

=287J/(kg·K)； =1005J/(kg·K)。

解：由状态方程 pV = mR g T 得

p 1V 1

0.3?106 ? 0.5 m =

=

=1.24 kg

R g T

287 ?(273 +150)

由迈耶公式得

c v = c p - R g = 1005 - 287 =718 kJ/(kg ·K) 热力学能的变化为

?U = m ?u = m c v (T 2 - T 1) = 1.24 ? 718?(150 - 20) =114.8 J 焓的变化为

?H = m ?h = m c p (T 2 - T 1) = 1.24 ?1005?(150 - 20) =162.0 J 熵的变化为

?S = m ?s = m (c p ln T 2 - R g ln p 2 ) = 1.24 ?(1005?ln 293 - 287 ln 0.08

) =12.68 J/K

T 1 p 1 423 0.3

T T 3

p 3 p 1 2.5

0.1

8．空气初态为 =0.1MPa 、 =20℃，经过两级活塞式压气机后，压力提高到

2.5MPa ，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。已知：R g =0.287 kJ/(kg·K)， c p =1.01 kJ/(kg·K) 。2．解：压缩机工作过程 p-v 图如下

（1） 由题意耗功为

n

p 2 n -1 p 3 n -1

w c =

n -1 R g T 1[( ) n p 1

+ ( ) n p 2 - 2] ①

其中 p 2 为变量，故对其求导可得 满足 p 2 = 时，为压缩机最小耗功量

即 p 2 = p 1 p 3 =

p 2

=

= =5 （2） 由①式得

n

p 3

n -1

1.3

1.3-1 w c , min =

n -1

R g T 1[2 ( ) n

p 2 - 2] =

? 0.287 ?(273 + 20) ?[2 ? 5 1.3

1.3 -1 - 2]

=327.79 kJ/kg （3） 由于各级多变指数相同，且采用级间冷却 T 1 = T 2 ' = T 3T

T 2 p 2

n -1

低压级 T 1 = ( ) n

p 1 则其出口气温为

p 2 n -1 1.3-1 T 2 = T 1 ( ) n

p 1

= (273 + 20) ? 5 1.3 =424.8 K

同理高压级出口气温

p 3 n -1 p 3 n -1 T 3 = T 2 ' ( ) n p 2 = T 1 ( ) n

p 2

=T 2=424.8 K

（4） 单级压缩时

耗功为

n p 3

n -1

1.3

1.3-1 w c =

n -1

R g T 1[( ) n p 1 -1] = ? 0.287 ?(273 + 20) ?[25 1.3 1.3 -1 -1] =401.51 kJ/kg

出口气温为

p 1 p

2 2 2 21

p3 n-1 1.3-1

T 3 ' =T 1( ) n

p1

= (273 + 20) ? 25 1.3=615.8 K

9．某发电厂采用蒸汽动力循环（简单朗肯循环），蒸汽以p1= 4MPa ，

t = 450o C 的初态进入汽轮机，汽轮机的相对内效率= 0.9 ，凝汽器中凝结温度1 T

为30o C，忽略泵功。已知环境温度为25 o C。（14 分）

试求：（1）汽轮机出口的干度，焓和熵

（2）循环热效率

（3）在T-s 图上画出循环各过程，并画出汽轮机的火用损失。

3．解：（1）由p1= 4MPa ，t = 450 C 查表得

o

h1=2835.6 kJ/kg，s1=6.1355 kJ/（kg·K）

又s =s =xs" + (1-x)s'

2 1 2 2

即汽轮机理论出口干度

s -s'

x =2=

s"-s'6.1355 -0.4365

8.4537 -0.4365

=0.711

汽轮机理论出口焓

h =xh''+ (1-x)h'= 0.711? 2555.9 + (1- 0.711) ?125.66 =1853.6 kJ/kg

2 2 2

由汽轮机相对内效率定义

T=h

1

-h

2'= 0.9

h

1

-h

2

得汽轮机实际出口焓

h 2'=h

1

-T(h

1

-h

2

) = 2835.6 - 0.9 ?(2835.6 -1853.6) =1969.8 kJ/kg

又h =x 'h'' + (1-x ')h'

2' 2 2

则汽轮机的出口实际干度为

h -h'1969.8 -125.66

x ' =2' 2 =

h'' -h' 2555.9 -125.66 =0.759

p = 4MPa, t = 450o C, h = 2835.6kJ / kg, s = 6.1355kJ / kg.K

1

p = 4MPa, t = 250.33o C, h'= 1087.5kJ / kg, h''= 2799.4kJ / kg

1 s

t = 30.0o C, p = 4.2417kPa, h'= 125.66kJ / kg, h''= 2555.9kJ / kg

s

s'= 0.4365kJ / kg.K , s''= 8.4537kJ / kg.K

汽轮机实际出口熵为

s = x ' s '' + (1- x ')s ' = 0.759 ? 8.4537 + (1- 0.759) ? 0.4365 =6.5216 kJ/(kg ·K)

2'

2

2

（2） 循环热效率为

h = h '

=125.66 kJ/kg

3

2

t

=

h 1 - h 2' = 2835.6 -1969.8 =32.4%

h 1 - h 3 2835.6 -125.66

（3） 过程 T-s 图如下

s

火用损失为阴影部分

T 1

T 3 2 2′