工程热力学期末试题及答案

由天下分享时间：2024/12/19 15:21:47 加入收藏我要投稿点赞

工程热力学期末试题及答案

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、什么就是热力过程？可逆过程的主要特征就是什么？

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就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？

30?273.15?303、95kJ ?答: E??x,q?500??1?500?273.15??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、热机与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。 (1分)

?Siso?0证明:四个子系统构成的孤立系统熵增为

?Siso??ST1??ST2??SR??SW对热机循环子系统: ? S R ? 01分

1分

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。(绝热节流过程可瞧作稳态稳流过程,宏观动能与重力位能的变化可忽略不计)

?SISO?根据卡诺定理及推论: 则: ? S iso ?。1分 0?Q1Q2??0?0T1T2Q2T?1?2Q1T11分

?t??t,C?1?隔板 A B 自由膨胀

答:开口系一般能量方程表达式为

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绝热节流过程就是稳态稳流过程,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、什么就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就是否就愈大,愈有利？试证明您的结论。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:?R?T2qT?2?2T1?T2w?T,当

q2不变,?T?时,w?、?R?。即在同样q2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

Tr。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?s?sf?sg,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,q终状态相同,热力学能变化?u相同,故可逆与不可逆两种情况??u?w,因过程的初、

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。

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pT11v(1)n???(1)s

pTn=0n???n=01n=1(2)n=k1n=1(2)n=kv答: (1)

n?k; (2) 1?n?k

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就是不可逆的,上述各量就是否相同？(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,热力学能与焓变化量相同

T2T2v22pT=const11s三、计算题:(共50分)

mnkgs

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1、压气机在95 kPa、25 ℃的状态下稳定地以340 m3/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、025 m2,排出的压缩空气的参数为200 kPa、120 ℃。压气机的散热量为60 kJ/min。已知空气的气体常数Rg=0、287 kJ/(kg、K),比定热容cV=0、717 kJ/(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

??c1c2Q?Wsh?(h1??gz1)m?(h2??gz2)m?0

22??22即

Wsh????c1c2?Q?(h1??gz1)m?(h2??gz2)m (a)

22?2260?103??1000(J/s) 其中:Q??60

p1V95?103340m????6.2944(kg/s)

RgT1287?(273?25)60??c1?0m/s?z?0m??

mRgT26.2944?287?(273?120)mc2????141.99(m/s) ?2A2p2A2200?103?0.025?h?h2?h1?cp?T?(273?717)?(120?25)?95380.0(J/s)将以上数据代入式(a),可得压气机所消耗的功率为:

141.992Wsh??1000?6.2944?(?95380.0?)??6.648?105(J/s)

2?2、在高温环境中有一容器,A侧装有2 kg氮气,压力为0、07 MPa,温度为67℃; B侧装有8 kg氮气,压力为0、1 MPa,温度为17℃,。A与B的壁面均为透热壁面,它们之间用管道与阀门相连,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与B的容积分别为

2 kg 0、07MPa 67℃

N2 8 kg 0、1 MPa 17 ℃

VA?VB?mARgTA1PA1mBRgTB1PB12?297?340?2.8851 m3 60.07?108?297?2903??6.8904 m(4分) 60.1?10?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)

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终态时的气体压力

P2?⑵按题给,系统不对外作功,有

mRgT2V?10?297?313?0.0951 MPa(2分)

9.7755Q??U?mcvT2?cv(mATA1?mBTB1)?10?0.742?313?0.742?(2?340?8?290)(5分) ?2322.46?2226?96.46 kJ⑶原在A中的氮气熵变(2分)

?SA?mA(cplnT2P273?400.0951?Rgln2)?2?(1.039ln?0.297ln)??0.3540 kJ/K TAPA273?670.07原在B中的氮气熵变(2分)

?SB?mB(cpln全部氮气的熵变