工程热力学习题集及答案(1).doc

工程热力学习题集及答案
一、填空题
1．能源按使用程度和技术可分为 常规 能源和 新 能源。
2．孤立系是与外界无任何 能量 和 物质 交换的热力系。
3．单位质量的广延量参数具有 强度量 参数的性质，称为比参数。
4．测得容器的真空度，大气压力，则容器内的绝对压力为 54kpa 。
5．只有 准平衡 过程且过程中无任何 耗散 效应的过程是可逆过程。
6．饱和水线和饱和蒸汽线将压容图和温熵图分成三个区域，位于三区和二线上的水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水 饱和水 湿蒸气、 干饱和蒸汽 和 过热蒸汽 。
7．在湿空气温度一定条件下，露点温度越高说明湿空气中水蒸气分压力越 高 、水蒸气含量越 多 ，湿空气越潮湿。（填高、低和多、少）
8．克劳修斯积分 等于零 为可逆循环。
9．熵流是由 与外界热交换 引起的。
10．多原子理想气体的定值比热容 。
11．能源按其有无加工、转换可分为 一次 能源和 二次 能源。
12．绝热系是与外界无 热量 交换的热力系。
13．状态公理指出，对于简单可压缩系，只要给定 两 个相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。
14．测得容器的表压力，大气压力，则容器内的绝对压力为 。
15．如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。
16．卡诺循环是由两个 定温 和两个 绝热可逆 过程所构成。
17．相对湿度越 小 ，湿空气越干燥，吸收水分的能力越 大 。（填大、小）
18．克劳修斯积分 小于零 为不可逆循环。
19．熵产是由 不可逆因素 引起的。
20．双原子理想气体的定值比热容 。
21．基本热力学状态参数有：（　压力）、（温度　）、（体积）。
22．理想气体的热力学能是温度的（单值　）函数。
23．热力平衡的充要条件是：（系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零　）。
24．不可逆绝热过程中，由于不可逆因素导致的熵增量，叫做（熵产）。
25．卡诺循环由（两个可逆定温和两个可逆绝热　）热力学过程组成。
26．熵增原理指出了热力过程进行的（方向　）、（限度）、（条件）。
31．当热力系与外界既没有能量交换也没有物质交换时，该热力系为_孤立系_。
32．在国际单位制中温度的单位是_开尔文_。
33.根据稳定流动能量方程，风机、水泵的能量方程可简化为_－ws=h2－h1_。
34.同样大小的容器内分别储存了同样温度的氢气和氧气，若二个容器内气体的压力相等，则二种气体质量q a的大小为_小于。
35.已知理想气体的比热C随温度的升高而增大，当t2>t1时，的大小关系为__。
36.已知混合气体中各组元气体的质量分数ωi和摩尔质量Mi，则各组元气体的摩尔分数χi为__。
37.由热力系与外界发生_热量__交换而引起的熵变化称为熵流。
38.设有一卡诺热机工作于600℃和30℃热源之间，则卡诺热机的效率为_65.29%_。
39.在蒸汽动力循环中，汽轮机排汽压力的降低受_环境_温度的限制。
40.燃气轮机装置定压加热循环的_增压比_是决定循环热效率的唯一的条件。
41.与外界既无能量交换也无物质交换的热力系称为_孤立__热力系。
42.热力系的储存能包括_热力学能、宏观动能、重力位能__。
43.已知某双原子气体的气体常数Rr=260J/(kg·k)，则其定值定体质量比热容cv=_650__J/(kg·k)。
44.已知1kg理想气体定压过程初、终态的基本状态参数和其比热容，其热力学能的变化量可求出为Δu= cv(T2－T1)__。
45.定值比热容为cn的多变过程，初温为t1,终温为t2，其熵变量Δs=_ cnln。
46.水蒸汽的临界压力为_22.12_MPa。
47.流体流经管道某处的流速与_当地音速_的比值称为该处流体的马赫数。
48.汽轮机的排汽压力越低，循环热效率越高，但排汽压力的降低受到了_环境温度_的限制。
49.压气机增压比较大时，为了减少滞胀容积、提高容积效率，除了尽可能减小余隙容积外，通常还采取_多级压缩、中间冷却_的措施。
50.未饱和湿空气的相对湿度值在0-1_之间。
51. 根据热力系统和外界有无（物质）交换，热力系统可划分为开口系统和闭口系统。
52. 作为工质状态参数的压力应该是工质的（绝对压力）。
53. 稳定流动能量方程式为（q=(h2-h1)+(C22-C12)/2+g(Z2-Z1)+wS）。
54. 理想气体的定压比热CP和定容比热CV都仅仅是（温度）的单值函数。
55. 氧气O2的定压比热CP=0.219kcal/kgK,分子量μ=32.则其定容比热CV=(0.657)kJ/kgK。
56. 在P-V图上,经过同一点的定温线和定熵热线相比( 定熵线)较陡。
57. 将机械能转变为热能的循环叫做（逆向循环）。
58. 卡诺循环是由（两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程）组成的。
59. 水蒸汽定压发生过程所经历的三个阶段分别是（ 预热阶段、汽化阶段、过热阶段）。
60. 工质经过一个绝热节流过程后，熵（ 增大 ）
二、单项选择题
1._________过程是可逆过程。( C )
A.可以从终态回复到初态的 B.没有摩擦的
C.没有摩擦的准平衡 D.没有温差的
2.绝对压力p, 真空pv，环境压力Pa间的关系为( D )
A.p+pv+pa=0 B.p+pa－pv=0 C.p－pa－pv=0 D.pa－pv－p=0
3.闭口系能量方程为( D )
A.Q+△U+W=0 B.Q+△U－W=0 C.Q－△U+W=0 D.Q－△U－W=0
4.气体常量Rr( A )
A.与气体种类有关,与状态无关 B.与状态有关,与气体种类无关
C.与气体种类和状态均有关 D.与气体种类和状态均无关
5.理想气体的 是两个相互独立的状态参数。( C )
A.温度与热力学能 B.温度与焓 C.温度与熵 D.热力学能与焓
6.已知一理想气体可逆过程中,wt=w,此过程的特性为( B )
A.定压 B.定温 C.定体 D.绝热
7.卡诺循环如图所示,其吸热量Q1=( A )
1 2

4 3
T
S
A.RrT1ln B.RrT1ln

C.T1△S34 D.T1△S21
8.在压力为p时,饱和水的熵为s′;干饱和蒸汽的熵为s″。当湿蒸汽的干度0<x<1时,其熵为s,则( A )
A.s″>s>s′ B.s>s″>s′ C.s<s′<s″ D.s′>s>s″
9.电厂热力设备中，两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程 内的热力过程可视为定温过程。C
A.锅炉 B.汽轮机 C.凝汽器 D.水泵
10.可逆绝热稳定流动过程中,气流焓的变化与压力变化的关系为( B )
A. dh=－vdp B.dh=vdp C.dh=－pdv D.dh=pdv
11.水蒸汽动力循环的下列设备中,有效能损失最大的设备是( A )
A.锅炉 B.汽轮机 C.凝汽器 D.水泵
12.活塞式压气机的余隙容积增大使( B )
A.wc增大, ηv减小 B.wc不变, ηv减小
C.wc不变, ηv不变 D.wc减小, ηv减小
13.已知燃气轮机理想定压加热循环压气机进,出口空气的温度为T1、T2;燃烧室出口燃气温度为T3,则其理想循环热效率为(B )
A．1－ B.1－ C.1－ D.1－
14．饱和湿空气的相对湿度（ B ）
A．>1 B. =1 C. <1 D.0<<1
15.湿空气的焓h为（D ）
A.1kg湿空气的焓
B.1m3湿空气的焓
C.1kg干空气与1kg水蒸汽焓之和
D.1kg干空气的焓与1kg干空气中所含水蒸汽的焓之和
16.若已知工质的绝对压力P=0.18MPa，环境压力Pa=0.1MPa，则测得的压差为( B )
A.真空pv=0.08Mpa B.表压力pg=0.08MPa
C.真空pv=0.28Mpa D.表压力pg=0.28MPa
17.简单可压缩热力系的准平衡过程中工质压力降低，则( A )
A.技术功为正 B.技术功为负
C.体积功为正 D.体积功为负
18.理想气体可逆定温过程的特点是( B )
A.q=0 B. Wt=W
C. Wt>W D. Wt<W
19.若从某一初态经可逆与不可逆两条途径到达同一终态，则不可逆途径的△S必( B )可逆过程△S。
A.大于 B.等于 C.小于 D.大于等于
20.饱和蒸汽经历绝热节流过程后( C )
A.变为饱和水 B.变为湿蒸汽
C.作功能力减小 D.温度不变
21.绝热节流过程中节流前、后稳定截面处的流体( C )
A.焓值增加 B.焓值减少
C.熵增加 D.熵减少
22空气在渐缩喷管内可逆绝热稳定流动，其滞止压力为0.8MPa，喷管后的压力为0.2MPa，若喷管因出口磨损截去一段，则喷管出口空气的参数变化为( C )
A.流速不变，流量不变 B.流速降低，流量减小
C.流速不变，流量增大 D.流速降低，流量不变
23.把同样数量的气体由同一初态压缩到相同的终压，经( A )过程气体终温最高。
A.绝热压缩 B.定温压缩 C.多变压缩 D.多级压缩
三、判断题
1．处于平衡状态的热力系，各处应具有均匀一致的温度和压力. （√ ）
2．稳定流动系统中，维持工质流动的流动功和技术上可资利用的技术功，均是由热能转换所得的工质的体积功转化而来的。（ √ ）
3．稳定流动系统进出口工质的状态相同。（ X ）
4．稳定流动系统的能量方程可理解为控制质量系统的能量方程。 （√）
5．不可能把热量从低温物体传向高温物体。（ X ） 6．在相同温度界线之间变温热源可逆循环的热效率等于卡诺循环的 热效率。 （ X ）
7．水蒸气在定温过程中。 （X ）
8．湿空气的相对湿度越高，吸收水分的能力越强。（ X ）
9．理想气体的比定容热容是比体积的单值函数。（ X ）
10．当气流的M<1时，要使流速增加，则需使用渐扩喷管。（ X ）
11．热力系破坏平衡的速度要比恢复平衡的速度快得多。（ X ）
12．技术功为轴功和流动功之和。（ X ）
13．稳定流动系统与外界交换的功和热量相等且不随时间而变。（X ）
14．焓是开口系统中流入（或流出）系统工质所携带的取决于热力学状态的总能量。（ √ ）
15．不可能从单一热源取热使之完全变为功。（ X ）
16．概括性卡诺循环的热效率小于卡诺循环的热效率。（X ）
17．对任何温度的气体加压都能使其液化。（X ）
18．由饱和水定压加热为干饱和蒸汽的过程，温度不变。（√ ）
19．理想气体的比定压热容是温度的单值函数。（√ ）
20．工程上要求气体从M<1加速到M>1，则应采用拉伐尔喷管。（√ ）
21. 作为工质状态参数的压力应该是表压力。（X ）
22. 边界可以是真实存在的，也可以是假想的，还可以是移动的。（√ ）
23. 状态方程式PV=mRmT是针对mkg理想气体而言的。（X ）
24. 系统的熵只能增大，不能减小。（X ）
25. 当气流完全被滞止时，焓将增至最大。（√ ）
26. 蒸汽在汽轮机中膨胀时，由于有摩阻的存在，乏汽干度X2会增大。（X ）
27. 稳定流动是指不随时间而变的流动。（√ ）
28. 工质一边吸热，一边降温是可能的。（ √）
29. 热量和功是两个很重要的状态参数。（X ）
30. 蒸汽在喷管内动能的增量，总是等于其绝热焓降。（ √）
四、简答题
1.准平衡过程与可逆过程有何共同处?有何区别?有何联系?
答：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。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。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。
2.理想气体状态方程有哪些常见形式?方程中的常数项与物性是否有关?
答：1kg气体:pv=RrT mkg气体:pV=mRrT
1kmol气体：pVm=RT nkmol气体：pV=nRT
Rr是气体常数与物性有关，R是摩尔气体常数与物性无关。
3.干饱和蒸汽与湿饱和蒸汽的状态参数各有何特点?
答：干饱和蒸汽：x=1,p=ps t=ts
v=v″,h=h″ s=s″
湿饱和蒸汽：0<x<1,p=ps t=ts
v′<v<v″, h′<h<h″, s′<s<s″
4.何谓汽流在喷管中的临界状态?何谓临界压力比?理想气体的临界压力比与哪些因素有关?
答：流速为当地音速(Ma=1)时的状态称为流体的临界状态。
流体临界状态的压力(临界压力)与其滞止压力的比值，称为临界压力比。理想气体的临界压力比只与气体的物性有关(或比热比k有关)
5.何谓汽耗率?何谓热耗率?它们与热效率有什么关系?
答：汽耗率是每作1kw•h功(每发1度电)的新蒸汽耗量(汽耗量)。
热耗率是每作1kw•h功(每发1度电)的耗热量。
热耗率与热效率是直接关联的，热耗率越高，热效率就越低；
而汽耗率与热效率就没有这种对应关系，汽耗率低不一定热效率高，汽耗率高也不一定热效率低。
6.平衡状态与稳定态有什么联系与区别?
答：平衡态是指热力系的宏观性质不随时间变化的状态。稳定态是指热力系的状态不随时间而变化的状态。平衡必然稳定，稳定未必平衡。
7.能量方程q=△u+w和q=Cv△T+的适用条件有何不同?
答：前者：闭口系、任意工质、任意过程
后者：闭口系、理想气体、可逆过程
8.夏天，自行车在被太阳晒得很热的马路上行驶时，为什么容易引起轮胎爆破?
答：轮胎内气体压力为P= 为常数，当T升高时P随之升高，容易引起爆破。
9.不可逆过程熵的变化如何计算?
答：可以选择相同初、终状态间可逆过程熵的变化来计算。
10.在工程实际中，常引用哪些参数来表示因摩擦对喷管流动的影响?它们之间有何关系?
答：在工程实际中，常引用“速度系数”φ、“喷管效率”η和“能量损失系数”ξ来表示因摩擦对喷管流动的影响。三者之 间的关系为：
11. 画图表示绝对压力，表压力，真空度，大气压力之间的关系。
12. 热力学第一定律的实质是什么？并写出热力学第一定律的两个基本表达式
答：热力学第一定律的实质是能量转换与守恒原理。热力学第一定律的两个基本表达式为；
13. 热力学第二定律的实质是什么？并写出熵增原理的数学表达式。
答：热力学第二定律的实质是能量贬值原理。熵增原理的数学表达式为：dSiso≥0 。
14. 什么是可逆过程？实施可逆过程的条件是什么？
答：可逆过程为系统与外界能够同时恢复到原态的热力过程。实施可逆过程的条件是推动过程进行的势差为无穷小，而且无功的耗散。
五、名词解释(每小题5分，共25分)
1.热力系的储存能2.平均质量热容3.熵产4.稳定流动5.湿空气的焓
答： 1.热力系储存能包括：热力学能、宏观动能和重力位能。
2.对于c－t图上曲边梯形面积，由微积分中值定理知，必然存在－ξ值使得曲边梯形面积与一矩形面积相等，这个ξ值在c－t图上就是平均质量热容的概念。
3.不可逆过程中，不可逆因素引起的熵的变化称为熵产。
4.所谓稳定流动，是指流体流经管道中任意点的热力状态参数及流速等均不随时间而变化的流动过程。
5.湿空气的焓值等于干空气的焓值与水蒸气的焓值之和。
六、分析题
1、如图1，某种理想气体有两任意过程a-b和a-c，已知b，c在同一可逆绝热线上，试分析：Δuab和Δuac哪个大？
解：（方法一）
过b、c分别作等温线，因为 ，故
（方法二）考虑过程b-c

，
2、某理想气体经历4个过程，如图2所示。指出各过程加热或放热，膨胀或压缩。
解： 因为：
1-3：，且 则有 所以 边压缩边放热
1-2：，则

所以有 边膨胀边放热
1-4：
边膨胀边吸热
1-5：
边膨胀边吸热边降温

3、请分析以下几种说法正确吗？为什么？
（1）熵增大的过程必为不可逆过程
答：不正确。熵增大的过程不一定为不可逆过程，因为熵增大包括熵流和熵产两部分，如果熵流大于0，而熵产为0的可逆过程，上仍然是增大的。
（2）熵产的过程必为不可逆过程。
答：正确。熵产是由于热力过程中的不可逆因素导致的，因此当熵产，则此过程必定为不可逆过程。
4、某循环在700K的热源及400K的冷源之间工作，如图3所示。
（1）用克劳修斯积分不等式判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?
（2）用卡诺定理判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆?

图3

1

方法1：
设为热机循环
不可能
设为制冷循环：

符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循环
方法2：
设为热机循环

设为制冷循环

，所以是不可逆制冷循环
七、计算题
1．某蒸汽动力装置，蒸汽流量为40 t/h，进口处压力表读数为，进口比焓为kJ/kg；出口真空表读数为，比焓为kJ/kg ，当时当地大气压力为，汽轮机对环境放热为6.3×103kJ/h。试求：汽轮机进出口蒸汽的绝对压力各为多少？单位质量蒸汽经汽轮机对外输出功为多少？汽轮机的功率为多大？若进出口蒸汽流速分别为60m/s和140m/s时，对汽轮机输出功有多大影响？
解：（1）
（2）取汽轮机汽缸内壁和蒸汽进、出口为系统，则系统为稳定流动系统，能量方程为

进、出口的动能差和位能差忽略不计，则
(kJ/kg)
（3）汽轮机功率
(kW)
（4）

2．将0.8温度为1000℃的碳钢放入盛有6温度为18℃的水的绝热容器中，最后达到热平衡。试求此过程中不可逆引起的熵产。碳钢和水的比热容分别为和。
解：

代入数据解得：℃

3、0.5kmol某种单原子理想气体 ，由25℃，2m3可逆绝热膨胀到1atm，然后在此状态的温度下定温可逆压缩回到2m3。（1）画出各过程的p-v图及T-s图；（5分）（2）计算整个过程的Q，W，ΔU， ΔH及ΔS。
解：（1）画出各过程的p-v图及T-s图

（2）先求各状态参数

等温过程 ：热量=膨胀功=技术功

所以，放热

4．系统经一热力过程，放热8kJ，对外作功26 kJ。为使其返回原状态，对系统加热6 kJ，问需对系统作功多少？
解：根据能量方程有

(kJ)
5．一卡诺机工作在800℃和20℃的两热源间，试求：卡诺机的热效率；若卡诺机每分钟从高温热源吸入1000 kJ热量，此卡诺机净输出功率为多少kW？求每分钟向低温热源排出的热量。
解：（1）
（2）
（3）
6．空气从相同初态、℃经定容过程至终温℃，试求吸热量、膨胀功、技术功和初终态焓差。（空气的，，。）
解：

7、如图所示，气缸内充以空气，活塞及负载205kg，缸壁充分导热，活塞的初始高度为10cm，活塞的横截面积为100cm2，气缸内的空气初始温度为27℃，初始压力为771mmmHg。若取走90kg负载，待平衡后，求：（1）活塞上升的高度；（2）气体在过程中作的功，已知。
解：缸内气体为热力系-闭口系。突然取走90kg负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但由于非准静态，故过程不可逆。但可以应用第一定律解析式。由于缸壁充分导热，所以缸内的气体在热力变化过程中的温度是不变的。
首先计算状态1和状态2的基本参数，

(1) 求活塞上升的高度：
过程中质量不变，且等于

（2）气体在过程中作的功
根据热力学第一定律，， 以及
由于且T1=T2，
由于不计摩擦气体所做的功，分为两部分：
位克服大气所做的功；位活塞位能的增加量
则

或者
8、封闭气缸中气体初态p1=8MPa，t1=1300℃，经过可逆多变膨胀过程变化到终态p2=0.4MPa，t2=400℃。已知该气体的气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)，比热容为常数，cV=0.716 kJ/(kg·K)。（1）求多变过程的多变指数；（2）求多变过程的膨胀功；（3）试判断气体在该过程中各是放热还是吸热的？
解：（1）1到2是可逆多变过程，对初，终态用理想气体状态方程式有

所以多变指数

（2）多变过程的膨胀功

（3）多变过程的热量

故该可逆多变膨胀过程是吸热过程
9.m=2.26kg理想气体的气体常数Rr=430J/(kg·k)，比热比k=1.35。初温T1=477K，经可逆定体过程后终温T2=591K。求Q、ΔU、W、ΔS。
解：cv===1229J/(kg·k)
W=0
△U=mcv(T2－T1)=2.26×1.229×(591－477)=317kJ
Q=△U=317kJ
△S=mcvln=2.26×1.229×ln=0.595kJ/K
10.设炉膛中火焰的温度恒为tr=1500℃，汽锅内蒸汽的温度恒为ts=500℃，环境温度为t0=25℃，求火焰每传出1000kJ热量引起的熵产和作功能力损失。
解：ΔSg=
=0.73kJ/K
Ex1=T0·ΔSg
=(273+25)×0.73
=217.5kJ
11.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)，k=1.4，求喷管出口空气的温度、流速、马赫数。
解：==0.214<0.528 为缩放型喷管。
T2=T1(=1073×(=691K
c2===876m/s
M2==1.66
12. m=1.5kg空气按可逆定温过程由初态T1=328K,P1=0.25×106Pa变化到终态P2=0.15×106Pa，空气的Rr=0.287KJ/(kg·k)，试求此定温过程的Q、W、△U、△H。
解：Q=mRrTln=1.5×0.287×328×ln
W=mRrTln=Q=72.1KJ
△U=mCv(T2－T1)=0
△H=mCp(T2－T1)=0
13. 空气在渐缩喷管进口截面上的压力P1=1.5×106Pa，比体积V1=0.065m3/kg，VC1≈0；喷管出口截面上的压力P2=0.8×106Pa出口截面积A2=14cm2；设空气的Rr=287J/(kg·k)，比热容比K=1.4。试求：(1)喷管出口截面上的比体积V2，温度T2 (2)空气流经出口截面时的速度VC2
解：(1)P°=P1=1.5×106Pa,V°=V1=0.065m3/kg
则T°=
V2=V°
T2=
(2)VC2=
14. 某燃气轮机排气1.20kg/s，温度为T1=576K,定压排入温度T0=283K的环境；设排气的Cp=1.021KJ/(kg·k)。试求每小时燃气轮机的排气热量中的有效能和无效能。
解：每小时排气的放热量Qp:
Qp=mCp(T0－T1)=3600×1.2×1.021×(－576+283)=－1292341KJ/h
此热量中的有效能Qa:
Qa=
=3600×1.2×1.021×［(283－576)－283ln］=－405345.2KJ/h
此热量中的无效能Qu:
Qu=Qp－Qa=－1292341－(－405345.2)=－886995.8KJ/h
15.已知理想气体的定容比热cv=a+bT，其中a、b为常数。试导出其内能、焓和熵的计算公式。（10分）
解：
16.质量为2kg的某双原子气体，在可逆多变过程中压力从0.5MPa降至0.1MPa，温度从162°C降至27°C，作出膨胀功267 kJ，从外界吸热量66.8kJ。试求该理想气体的定值比热Cp和Cv (kJ/kg.K)
解：
17、 质量为3kg的空气，在可逆绝热压缩过程中压力从0.1MPa升高至6MPa，初始温度为300K，绝热指数为1.4，气体常数为287J/kgK。试求：1).将此过程表示在p-v图和T-s图上；（6分） 2.) 经可逆绝热压缩后的终态温度； （4分） 3.) 空气的定值比热cp和cv (J/kg.K)；（4分） 4)该过程的容积功和技术功。（6分） （共20分）
解：