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工程热力学( 机械 级) 试题参考答案
-- 年 上 学期
时间 120分钟
工程热力学 课程 32 学时 2 学分 考试形式: 开 卷
专业年级: 机械 07级 总分 100分, 占总评成绩 70 %
注: 此页不作答题纸, 请将答案写在答题纸上
一、 填空( 每空 2分, 总计 20分)
1、 孤立系统
2、 正向循环 逆向循环
3、 系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零
4、 热力学能 宏观动能 重力位能
5、 热量
6、 65.29%
7、 ws= h1－h2或 wt=h1－h2
二、 简答题( 20分)
1、 ( 4分)
1分
解: 该过程气体( 系统) 不做功。
从初态变化到终态为非准静态平衡过程, 无法在 p-v图上表示该热力过程。 1分
2分
因此热力学能的变化量等于零。
2、 ( 5分) 解: 因为: q = Δu + w
1-3: 1< n1−3 < k, 且T3 >T1及S3<S1 则有: Δu>0, q<0 因此w<0 边压缩边放热1分
1-2: k < n1−2 < ∞且T2<T1及S2<S1, 则 Δu<0, q<0
⎡
n−1
⎤
R T
⎛ ⎞
Rg
n −1
p
n ⎥
⎥
w =∫
2 pdv = =
1
1 ⎢
=
T T
( − )
1 2
g
1−⎜ ⎟
2
n −1⎢⎢⎣
p
⎝ ⎠
1
⎥
⎦
1分
1分
因此有w>0 边膨胀边放热
1-4: 0 > n1−4 > −∞且T4 >T1及S4 > S1
Rg
n−1
Δu>0, q>0 w =
(T1 −T4)>0 边膨胀边吸热

1-5: 1< n1−5 < k且T5<T 1及S5>S1
Δu<0, q>0, w>0
边膨胀边吸热边降温
1分
1分
3、 ( 5分)
证明: 取热机、 热源、 冷源组成闭口绝热系
1000kJ
Δs热源 = − (273.15+167)K = −2.272kJ/K
568kJ
Δs冷源
=
(273.15 + 7) = 2.027kJ/K
Δs热机 = 0
Δsiso = −2.272kJ/K + 2.027kJ/K = −0.245kJ/K < 0
5分
因此该热机是不可能制成的。
4、 ( 6分)
( 1) ( 2分)
答: 不矛盾。
1分
实际气体有两个独立的参数。理想气体忽略分子间的作用力, 因此只取决于温度。1分
1分
1分
( 2) ( 2分) 答: 不正确。
注意同等的条件。
( 3) ( 2分) 答: 不正确。
1分
熵增大的过程不一定为吸热过程, 因为熵增大包括熵流和熵产两部分, 只有熵
流大于 0, 才是吸热过程; 只有熵流等于 0的可逆过程, 才是可逆绝热过程。
1分
三、 计算题: ( 60分)
1、 ( 10分) 解: 由于可逆过程对外界作功最大, 故按可逆定温膨胀计算。
由活塞的运动规律可知, 当活塞两侧的压力差为零时, 活塞的速度达到最大值。
3分
此时, 氧气的压力为 0.1MPa, 由理想气体状态方程可得活塞移动的距离为 5l。

查附表可知, 氧气的气体常数 Rg为 260J/(kg.k)
2分
3分
1分
1分
因此, 拔除销钉后, 活塞可能达到的最大速度为 112 m/s.
2、 ( 10分)
解: 取气罐为系统, 则该系统为一开口系统。考虑一股流体流流入罐内, 无流出。1分
δQ = 0; δWi = 0, 忽略动能差和位能差 dECV = δminh
dU =δminh
3分
4分
δQ = dECV −δm h+ 1 cf
⎛
⎝
m2 u2 −m1u1 = minh m2 m h
+ gz +δWi
⎞
⎠
= ( − )
2
⎜
⎟
in
2
积分
1
u = (m2 − ) +
m h m1u1
m2
2分
1
2
3、 ( 15分)
解: 查附表知空气的气体常数为 Rg=0.287kJ/(kg·K),
1) 取整个气缸为闭口系, 因为气缸绝热, 因此 Q=0; 又因为活塞导热而无摩擦, W=0,
1分
且平衡时 A、 B两侧温度相等, 即 TA2=TB2=T2。由闭口系能量方程得:
ΔU = ΔU A + ΔU B = 0
即: m AcV (T2 −TA1 )+ mBcV (T2 −TB1 ) = 0
2分
1分
因为, TA1=TB1=T1=300K, 于是终态平衡时, 两侧的温度均为: T1=T2=300K
2) 取整个气缸为闭口系, 当终态平衡时, 两侧压力相等, 设为 p2, 则:
1分
3分
1分
(mA + mB)RgT2
RgT2
)
VA1 +VB1
= ( pA1VA1 + pB1VB1
p2 =
V2
R T
g
1
R T
g 1
T2
T1(VA1 +VB1)
= (pA1VA1 + pB1VB1)
= 0.15MPa
p2 = pA1VA1
ln pA1 = 1.918J / K
3) ΔS A = −m ARg ln pA1
2分
2分
TA1
p2
p2 = pB1VB1 ln pB1
ΔSB = −mBRg ln pB1
= −1.352J / K
p2
TB1
整个气缸绝热系的熵变: ΔS = ΔS A + ΔSB = 0.566J / K
2分

4、 ( 15分)
解: 查附表知氮气的气体常数为 Rg=0.297kJ/(kg·K), 摩尔质量为 28g/mol。
1分
v2 = v1 = RgT1
= 0.297×10
3 ×
(35+ 273) = 0.457m
3
/kg
1分
1分
1分
1分
1分
p1
0.2 10
6
×
T2 = 0.2× (180+ 273) = 0.294MPa
p2 = p1 T
(35+ 273)
1
CVm = 5 R = 5 ×8.3145J/(mol⋅K) = 20.786J/(mol⋅K)
2
CVm
M
2
20.786J/(mol⋅K) = 742J/(kg⋅K)
=
28 10
cV =
×
-3
kg/mol
Cpm = 7 R = 7 ×8.3145J/(mol⋅K) = 29.101J/(mol⋅K)
2
2
Cpm
29.101J/(mol⋅K) =1039J/(kg⋅K)
cp =
=
1分
M
28 10 kg/mol
-3
×
1分
气体膨胀功: w = 0
技术功: wt = v1(p1 − p2) = 0.457×(0.2− 0.294)×10
1分
6
×10−
3
= −42.9kJ/kg
比焓变化量: Δh = cp(t2 −t1) =1.039×(180−35) =150.66kJ/kg=qp
2分
2分
比热力学能变化量: u c T 0.742 180 35 107.59kJ/kg = qV
Δ = Δ =
V
×(
− ) =
焓变化量: ΔH12 = m×Δh =1000kg×150.66kJ/kg=150660kJ=Qp
热力学能变化量: ΔU12 = m×Δu =1000kg×107.59kJ/kg=107590kJ=QV
1分
1分
5、 ( 10分)
解:
Qc = mccc(tc −tm)
Qw = mwcw(tm −tw)
2分
2分
∵Qc = Qw
mccc(tc −tm) = mwcw(tm −tw)
代入数据解得: tm = 32.48℃
Tm δQ
=∫Tm
mwcwdT = mwcw ln Tm = 6×4.187×ln 32.48+ 273
∫
=1.23kJ/K
2分
ΔSw =
ΔSc =
T
T
Tw
18+ 273
T
w
Tw
δQ
m mcccdT = mccc ln Tm = 0.8×0.47×ln 32.48+ 273 = −0.54kJ/K 2分
T
m
T
∫
=∫
Tc
T
T
Tc
1000+ 273
T
c
ΔSg = ΔSw + ΔSc =1.23− 0.54 = 0.69kJ/K
2分