工程热力学期末试题及答案.doc

工程热力学期末试卷
建筑环境与设备工程专业适用
（闭卷，150分钟）
班级姓名学号成绩
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500 kJ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：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.假设功源的熵变△SW =0.
证明：四个子系统构成的孤立系统熵增为
(1分）
对热机循环子系统： 1分
1分
根据卡诺定理及推论:
1分
则: 。1分
B
隔板
A
自由膨胀

4. 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.
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:,当不变,时，、。即在同样下（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。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，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，，因过程的初、终状态相同，热力学能变化Du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） ； (2）
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
即
(a）
其中：
将以上数据代入式（a），可得压气机所消耗的功率为:

N2
8 kg
0.1 MPa
17 ℃
N2
2 kg
0.07MPa
67℃
2。 在高温环境中有一容器，A侧装有2 kg氮气，压力为0.07MPa,温度为67℃； B侧装有8 kg氮气，压力为0.1MPa,温度为17℃，.A和B的壁面均为透热壁面，它们之间用管道和阀门相连，见附图.现打开阀门，氮气由B流向A.氮气可视为理想气体，已知气体常数Rg,N2 = 297 J/（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
（4分）
取A+B中的气体为系统（CM),
m = mA + mB = 2 +8 =10 kg
V = VA + VB = 2.8851 + 6.8904 = 9.7755 m3（2分）
终态时的气体压力
（2分）
⑵按题给，系统不对外作功，有
（5分）
⑶原在A中的氮气熵变(2分)
原在B中的氮气熵变(2分）
全部氮气的熵变
(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，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
可得
水的混合过程的熵变为
由于绝热
混合过程的做功能力的损失为
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