北工大2008年热工学考试试卷

08/09学年《热工学》期末考试班级：姓名：学号：

时间：100分钟考试形式：开卷得分：

一、填空题（每空1分，合计30分）：

1.理想气体在一热力过程中，其热力学能增加50J ，同时外界对系统做功为100J 。

则该热力系统传给外界的热量为-50 J 。

2.熵增加的过程不一定（填一定或不一定）是不可逆过程。

3.已知当地大气压为0.1Mpa ，压力容器中被测工质的压力为0.05 MPa ，，此时该工

质压力的测量应选用真空计（真空计或压力表）测压计。

4.卡诺循环热机，从200℃热源吸热，向30℃冷源放热，若吸热功率是10kW，则输出

功率为8.5kW 。

5.某双原子理想气体的定压比热为14.32kJ/(kg·K)，则其定容比热可近似认为等于

10.23kJ/(kg·K) 。

6.水蒸汽的汽化潜热在低温时较大，在高温时较小，在临界温度为零。

7.卡诺循环分别由两个等温过程和两个绝热过程组成。

8.在热传导过程中，热流密度指向温度降低（升高或降低）的方向，因此与该处

温度梯度方向相反。

9.理想气体在一刚性绝热容器中自由膨胀，则该气体做功为零，其温度将不变。

10.在蒸汽动力循环中，提高汽轮机入口蒸汽的压力将使循环热效率增大；而提高

出口蒸汽的压力将使循环热效率减小。

11.同一理想气体从同一初态分别经定温压缩、绝热压缩和多变压缩(1

压力，耗功最大的为绝热压缩过程。

12.某种气体经历不可逆吸热过程后，其熵变ΔS> 0；过程的熵流S f> 0；过程

的熵产S g> 0。

13.理想气体多变指数n=0，系统与外界传热量q= h2-h1；多变指数n=±∞，系统与

外界传热量q=u2-u1。

14.某蒸汽动力厂，锅炉的蒸汽产量D=180×103kg/h，输出功率P=55000kW，全厂耗煤

G=19.5t/h，煤的发热值为Q H=30×103kJ/kg。蒸汽在锅炉中的吸热量q=2680kJ/kg。则该动力厂的热效率为41.04% ，锅炉的效率为82.5%。

15. 在三种基本传热方式中，必须依靠宏观运动实现的传递方式是 热对流 ，通过微

观粒子热运动传递热量的方式称为 热传导 ，在真空中亦可实现的传热方式是

热辐射 。

16. 在p-v 图上，n=0.6的气体膨胀过程线位于 定压 线和 定温 线之间，该过程与

外界的换热情况为 吸热 。 二、判断正误（每题1分，合计10分）： 1. 气体边膨胀边放热是可能的。（ √ ）

2. 由理想气体组成的封闭系统吸热后其温度必定增加。（ × ）

3. 比热是过程量，适用于一切气体，它的大小和过程有关。（ × ）

4. 物体等温面之间距离越小，表示该处温度变化越剧烈。（ √ ）

5. 自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现。（ × ）

6. 在一维稳态导热的前提下，平板内部温度分布将呈线性关系。（ × ）

7. 卡诺循环的热效率永远小于1。（ √ ）

8. 对于过热水蒸气，干度1 x 。（ × ）

9.

膨胀功、流动功和技术功都是与过程的路径有关的过程量。（ × ） 10. 在水的定压加热过程中，饱和水向干饱和蒸汽的转变阶段，由于温度为定值，因此

其热力学能和焓值均保持不变。（ × ） 三、名词解释（每题3分，合计15分） 1.

卡诺定理

第一种表述：在相同的高温热源和低温热源间工作的一切可逆热机具有相同的热效率，与工质的性质无关。

第二种表述：在相同高温热源和低温热源间工作的任何不可逆热机的热效率，都小于可逆热机的热效率。

本题回答上述两者之一均可。

2. 孤立系统

与外界既无能量（功、热量）交换又无物质交换的系统。

3. 流动功 对于开口系统而言，当工质流过热工设备时，推动其流动而作的功称为流动功。

4.

温度梯度 在同一时刻，温度场中温度相同的点所连成的线或面称为等温线或等温面，而等温面法线方向的温度变化率称为温度梯度。

5. 干度

湿蒸汽中所含有的干饱和蒸汽的质量分数称为湿蒸汽的干度。

四、简答题（每题4分，合计20分）： 1.

如图所示，空气工质（绝热指数k =1.4）的四类基本过程线已在图中绘出，完成下列要求：

(1) 在图中标示出四条线分属的过程性质；

(2) 近似画出n=1.2的膨胀过程1-2和n=1.6的压缩过程1-3（状态点1为各过程线交

点位置），并确定这两个过程的功和热量的正负号及热力学能的变化情况（注意：给出必要说明）。

答：基本过程线及多变过程线1-2、1-3如图所示。其中，

根据多变过程性质，211

2

(

)n

p v p v =，1

211

2

(

)

n T v T v -=，若v ↑，则T↓；若v↓，则T ↑。

对于膨胀过程1-2：

∵v ↑，T↓，∴w>0；△u ↓；而T-s 图中，其过程线位于绝热线右侧，过程吸热。 对于压缩过程

1-3：

∵v↓，T ↑，∴w<0；△u ↑；而T-s 图中，其过程线位于绝热线右侧，过程吸热。

2.

试分析室内暖气片的散热过程，各环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。

答：管内热水→内管壁，为对流换热方式；内管壁→管道外壁，为热传导方式；管道外壁→室内空气，为对流换热+热辐射形式。

3.

某发明者自称已设计出一台在540K 和300K 的热源之间循环工作的热机，该热机从高温热源每吸收1000J 的热量可作出450J 的净功。他的设计合理吗？为什么？ 答：根据已知条件，向低温热源放热量为：

J W Q Q 550450100012=-=-= 根据克劳休斯不等式，

00185.0300

550540

10002

21

1>=-=+K J T Q T Q

∴设计不合理。

4.

三块相同的金属块被加热到温度T A ，第一块迅速被冷却到环境温度T 0，其熵变为1S ?；第二块在环境中缓慢冷却到T 0，其熵变为2S ?；第三块先与温度为T B (T A >

T B >T 0)的热源接触，达到平衡后再被冷却到环境温度T 0，其熵变为3S ?；试说明这三个过程1S ?、2S ?和3S ?的大小关系，并予以解释。

答：1S ?=2S ?=3S ?，熵是状态参数，只与首末状态有关，由于三块金属的初温、终温均相同，因此熵变相同。

5.

已知在定温过程中，其热量可用下式求解：2111

ln

v q p v v =。众所周知，理想气体的

任一状态参数都可表示为其他状态参数的函数形式，据此是否可以认为定温过程中的热量是一状态量，而与途径无关？为什么？

答：热量是过程量，虽然上式中q 可以表示为p 、v 的函数形式，但式中q 实际含有两个状态点的v 值，因此不能认为q 为状态量。

五、计算/说明题（合计25分）：

1. 炉墙由一层耐火砖和一层红砖构成，厚度都为250mm ，热导率分别为0.6W/(m ·K)

和0.4 W/(m ·K)，炉墙内、外壁面温度分别维持700℃和80℃不变。（本题6分） (1) 试求通过炉墙的热流密度；

(2) 如果用热导率为0.076 W/(m ·K)的珍珠岩混凝土保温层代替红砖层，并保持通

过炉墙的热流密度及其他条件不变，试确定该保温层的厚度。

解：

(1)根据多层复壁导热计算公式:

2

2

21

1/2.5954

.0250.06

.0250.0807002

1m W t t q w w =--=

＋＝

＋

λδλδ

(2) 若由珍珠岩混凝土保温层代替红砖层，则根据

2.595076

.06

.0250.0807002

2

21

12

1=--=

δλδλδ＋

＝

＋

w w t t q 可得：

mm 5.472=δ

2.

如图所示，T -s 图上给出了两个热力循环：1-2-5-6-1为卡诺循环，1-2-3-4-1为不可逆循环。其中2-3为不可逆绝热膨胀过程，4-1为不可逆绝热压缩过程。求： (1) 两循环的净功；

(2) 两循环的热效率。（本题6分）

解：

对于循环1-2-5-6-1：

净功W 1=(2000-300)×(5.6-1.2)=7480kJ/kg 热效率η1=7480/[(5.6-1.2)×2000]=85% 对于循环1-2-3-4-1：

净功W 1=7480+0.5×(1.2-0.8)×1700 + 0.5× (6.6-5.6)×1700=8670kJ/kg

热效率η2=8670/[(6.6-0.8)×300+8670]=83.3%

3.

柴油机气缸中的燃气，膨胀过程开始时的状态为p 1=8MPa ，t 1=1300℃，过程终了时的状态为p 2=0.4MPa ，t 2=400℃，假定燃气具有空气性质，且过程可逆，试按平均比热容计算燃气比熵的变化量，并判断过程是吸热还是放热。（本题6分） 已知：1300C 0C 1.117p c ??=[kJ/(kg·

K)]，400C

0C

1.028p c ??=[kJ/(kg·

K)] 解：

)./(157.1900

1300

117.1400028.11

21

0201

2

21

K kg kJ t t t c t c c t P t P t t P

=-?-?=

--=

kg J p p R T T c p p R T

T c s g P g P

/5.1228

4.0ln

287.01573

673ln 157.1ln ln

ln

d 1

21

22

1

1

2-=?-?=-=-=

??

∵△s<0，∴过程放热。

4.

一定量的空气（p v k c c ==1.4），经过下列四个可逆过程组成的循环，填充下表所缺数据，并完成： (1) 计算循环功及热效率。

(2) 分析各个过程性质，并将该循环定性地表示在p -v 和T -s 图上。（本题7分）

(1) 循环功W=600+1200-600=1200kJ

；

吸热量Q 1=2100kJ ； 热效率η=W/Q 1=57.2%

(2) 对于空气工质，p v k c c ==1.4；

1-2过程：△H=k ·△U=2100kJ ；根据热力学第一定律Q=△H+ W t ，∴W t =0； 因此，1-2为定压过程。

2-3过程：∵Q=0，W>0，∴2-3为绝热膨胀过程。 3-4过程：∵W=0，∴2-3为定容过程。

4-1过程：∵Q=0，W<0，∴4-1为绝热压缩过程。 根据上述分析，该循环的定性表示如下图：