工程热力学复习题集

二、1.提高新蒸汽的温度、压力和降低乏汽压力理论上都可以提高郎肯循环热效率。

〔正确〕
2.饱和湿蒸汽的温度和压力不能确定它的其他状态参数。

〔错误〕
3.只要气体的比热容是常数,Cp-Cv=Rg. 〔错误〕
4.准静态过程一定是可逆过程〔错误〕
5.喷管稳定流动的气体在各截面上的流速不同，但各截面的流量一样〔正确〕
6.理想气体只有取定比热容时，才能满足迈耶公式Cp-Cv=R〔错误〕
7.稳定状态不一定是平衡状态〔正确〕
8.绝热闭口系的熵增就是孤立系的熵增〔错误〕
9.绝热节流后气体的温度可能升高。

〔错误〕
10.饱和湿蒸汽的干球温度等于湿球温度等于露点温度〔正确〕
11.容器中气体的压力不变，那么压力表的读数绝对不变〔错误〕
12.饱和湿蒸汽的温度和压力不能确定其他状态参数〔正确〕
13.水蒸气在等压汽化过程中温度不变〔正确〕
14.第二永动机违反了热力学第一和第二定律〔错误〕
15.处于平衡状态势力系统应具有均匀一致的温度和压力〔正确〕
16.郎肯循环根底上实现再热可提高循环热效率〔正确〕
17.理想气体的比热容随气体种类不同各异，但对某种理想气体而言，比热容为常数。

〔错误〕
18.热力过程中，工质向外界放热，其温度不一定降低〔正确〕
19.不存在400的液态水。

〔正确〕
20.余隙容积是必需的但又是有害的，所以我们在设计气机的时候应尽量降低余隙容积。

〔正确〕
21.热量只适用于定温定熵过程。

〔错〕
22.节流过程是一个等焓过程。

〔错误〕
23.熵减的过程是可以发生的〔错误〕
24.工质的经一不可逆循环其熵一定增加〔错误〕
25.第一永动机违反了热力学第一定律〔正确〕
26.热力过程中，工质对外放热温度一定降低〔错误〕
27. 工质绝热节流后焓不变，压力不变，温度不定，熵增大〔错误〕
28.某绝热蒸汽轮机相对效率为0.91，蒸汽在该汽轮机中做功熵不变〔错误〕
29.理想气体的音速C=〔正确〕
30.不可逆过程可自发进展〔正确〕
31.燃机理论循环中压缩比愈大，其理论效率越高〔正确〕
闭口系与外界无物质交换，系统质量将保持恒定，那么，系统质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?
答：否。

当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时〔如稳态稳流系统〕，系统的质量将保持恒定不变。

开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。

这种观点对不对，为什么? 答：不对。

“绝热系〞指的是过程中与外界无热量交换的系统。

热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦完毕就无所谓“热量〞。

物质并不“拥有〞热量。

一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。

试判断以下各种说法是否正确：
(1)定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程；
(2)绝热过程即定熵过程；
(3)多变过程即任意过程。

答：①膨胀功〔压缩功〕都是容积〔变化〕功，定容过程是一种系统比体积不变，对控制质量或说系统容积不变的过程，因此说定容过程即无膨胀(或压缩)功的过程是正确的；
②绝热过程指的是系统不与外界交换热量的过程。

系统在过程中不与外界交换热量，这仅说明过程中系统与外界间无伴随
热流的熵流存在，但假设为不可逆过程，由于过程中存在熵产，那么系统经历该过程后会因有熵的产生而发生熵的额外增加，实际上只是可逆的绝热过程才是定熵过程，而不可逆的绝热过程那么为熵增大的过程，故此说法不正确；
③多边过程是指遵循方程Pv n = 常数〔n 为某一确定的实数〕的那一类热力过程，这种变化规律虽较具普遍性，但并不包括一切过程，因此说多变过程即任意过程是不正确的。

下述说法是否有错误：
⑴ 循环净功W net 愈大那么循环热效率愈高； ⑵ 不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率；
⑶ 可逆循环的热效率都相等，1
2t
1T T -
=η。

答：⑴说法不对。

循环热效率的根本定义为：1
net t
Q W =
η，循环的热效率除与循环净功有关外，尚与循环吸热量Q 1的大小有
关；
⑵说法不对。

根据卡诺定理，只是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间〞的条件下才能肯定不可逆循环的热效率一定小于可逆循环，离开了这一条件结论就不正确；
⑶说法也不正确。

根据卡诺定理也应当是在“工作于同样温度的高温热源和同样温度的低温热源间〞的条件下才能肯定所
有可逆循环的热效率都相等，1
2
t
1T T -
=η，而且与工质的性质与关，与循环的种类无关。

如果式中的温度分别采用各自的
放热平均温度和吸热平均温度那么公式就是正确的，即1
2t
1T T -
=η，不过这种情况下也不能说是“所有可逆循环的热效率
都相等〞，只能说所有可逆循环的热效率表达方式一样。

下述说法是否正确:.
⑴ 熵增大的过程必定为吸热过程： ⑵ 熵减小的过程必为放热过程； ⑶ 定熵过程必为可逆绝热过程。

答：⑴说法不对。

系统的熵变来源于熵产和热熵流两个局部，不可逆绝热过程中工质并未从外界吸热，但由于存在熵产工质的熵也会因而增大；
⑵说法是对的。

系统的熵变来源于熵产和热熵流两个局部，其中熵产必定是正值，因而仅当系统放热，热熵流为负值时，系统的熵值才可能减小；
⑶这种说法原那么上是不对的。

系统的熵变来源于熵产和热熵流两个局部，其中熵产必定是正值，对于不可逆的放热过程，其热熵流为负值，当热熵流在绝对数值上恰好与熵产一样时，过程将成为定熵的。

因此：可逆的绝热过程为定熵过程，而定熵过程却不一定是绝热过程。

下述说法是否有错误：
⑴ 熵增大的过程必为不可逆过程；⑵ 使系统熵增大的过程必为不可逆过程； ⑶ 熵产S g > 0的过程必为不可逆过程；⑷ 不可逆过程的熵变∆S 无法计算； ⑸ 如果从同一初始态到同一终态有两条途径，一为可逆，另一为不可逆，那么
可逆不可逆S S ∆>∆、 f,f,可逆不可逆S S >、 g,g,可逆不可逆S S >；
⑹ 不可逆绝热膨胀的终态熵大于初态熵，S 2>S 1，不可逆绝热压缩的终态熵小于初态熵S 2<S 1；⑺ 工质经过不可逆循环有
⎰
>0d s ；
0d r
<⎰
T q。

答：⑴说法不正确。

系统的熵变来源于熵产和热熵流两个局部，其中熵产必定是正值〔含零〕，热熵流那么可为正值，亦可为负值。

当系统吸热时热熵流为正值，即便是可逆过程〔熵产为零〕系统的熵也增大；
⑵此说法与⑴是一样的。

如果所说的“系统〞指的是孤立系统那么说法是正确的。

不过实在不应该这样模糊“系统〞这一概念！
⑶根据熵产原理，这一说法是正确的。

⑷此说法完全错误。

熵是状态参数，只要过程的初、终状态确定了，系统的熵变就完全确定，与过程无关。

因此，不可逆过程熵变的计算方法之一便是借助同样初、终状态的可逆过程来进展计算。

至于利用熵的一般关系式进展熵变计算，它们根本就与过程无关。

⑸ 根据熵为状态参数知，两种过程的端点状态一样时应有一样的熵变，认为 可逆不可逆S S ∆>∆是错误的；
不可逆过程将有熵产生，而可逆过程那么不会产生熵，因此说 g,g,可逆不可逆S S >是正确的；
熵是状态参数，过程端点状态一样时应有一样熵变，由系统熵方程g f S S S
+=∆，过程可逆时可逆f,S S =∆；不
可逆时
不可逆
不可逆g,f,S S S -∆=，式中
g,>不可逆S ，可见应有
f,f,不可逆可逆S S >，而不是
f,f,可逆不可逆S S >。

⑹此说法不对。

根据熵产原理，系统经历不可逆绝热过程后，无论是膨胀或受压缩，其熵都将增大。

⑺由熵为状态参数知，工质经过循环过程后其熵应不变，所以认为
⎰
>0d s 是不正确的；根据克劳修斯不等式知，
0d r
<⎰
T q
是正确的。

1
1、闭口系统：热力系与外界无物质交换的系统。

2、开口系统：热力系与外界有物质交换的系统。

3、绝热系统：热力系与外界无热量交换的系统。

4、孤立系统：热力系与外界有热量交换的系统。

5、热力平衡状态：热力系在没有外界作用的情况下其宏观性质不随时间变化的状态。

6、准静态过程：如果造成系统状态改变的不平衡势差无限小，以致该系统在任意时刻均无限接近于某个平衡态，这样的过程称为准静态过程
7、热力循环：热力系从某一状态开场，经历一系列中间状态后，又回复到原来状态。

8、系统储存能：是指热力学能、宏观动能、和重力位能的总和。

9、热力系统：根据所研究问题的需要，把用某种外表包围的特定物质和空间作为具体指定的热力学的研究对象，称之为热力系统。

2
1、热力学第一定律：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。

或者，第一类永动机是不可能制成的。

2、焓：可以理解为由于工质流动而携带的、并取决于热力状态参数的能量，即热力学能与推动功的总和。

3、技术功：技术上可资利用的功，是稳定流动系统中系统动能、位能的增量与轴功三项之和
4、稳态稳流：稳定流动时指流道中任何位置上的流体的流速及其他状态参数都不随时间而变化流动。

3
1、可逆过程：系统经过一个过程后，如果使热力系沿原过程的路线反向进展并恢复到原状态，将不会给外界留下任何影响。

2、热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能把热从低温物体转移到高温物体而不引起其他变化。

开尔文普朗克表述：不可能从单一热源吸热而使之全部转变为功。

3、可用能与不可用能：可以转变为机械功的那局部热能称为可用能，不能转变为机械功的那局部热能称为不可用能。

4、熵流：热力系和外界交换热量而导致的熵的流动量
5、熵产：由热力系部的热产引起的熵的产生。

6、卡诺定理:工作再两个恒温热源〔
1T 和2T 〕之间的循环，不管采用什么工质，如果是可逆的，其热效率均为1
21T T -
，
如果不是可逆的，其热效率恒小于1
21T T -。

7、工质火用：的对一定的环境而言，工质在某一状态下所具有的热力学能中理论上可以转化为可用能的局部。

8、孤立系统的熵增原理：在孤立系，一切实际过程〔不可逆过程〕都朝着使系统熵增加的方向进展，或者在极限情况下〔可逆过程〕维持系统的熵不变。

4
1、理想气体：分子本身不具有体积、分子间没有作用力的气体称为理想气体。

2、定压比热：单位质量的物质，在压力不变的条件下，作单位温度变化时相应的焓的变化。

3、定容比热：单位质量的物质，在比体积不变的条件下，作单位温度变化时相应的热力学能的变化。

4、迈耶公式及使用条件：g v p R C C +=00
，适用于理想气体。

5、比热的定义和单位:单位质量的物质在无摩擦平衡的特定过程中，做单位温度变化时所吸收或放出的热量。

6、气体常数与通用气体常数：气体常数：等于波尔滋蔓常数与每千克气体所包含的分子数的乘积。

通用气体常数：1mol 气体的气体常数。

7、实际气体的临界状态：纯物质的气、液两相平衡共存的极限热力状态。

一、简答题(每题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展的势差无限小，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，试问这局部热量的火用〔yong 〕值〔最大可用能〕为多少？
答：=⎪⎭
⎫ ⎝⎛
++-⨯=15.27350015.273301500,q
x E 303.95kJ
3. 两个不同温度〔T 1,T 2〕的恒温热源间工作的可逆热机，从高温热源T 1吸收热量Q 1向低温热源T 2放出热量Q 2，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△S W =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
4. B 中保持真空，如右图所示。

假设将隔板抽去，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。

自由膨
胀
12iso T T R S S S S S ∆=∆+∆+∆+∆W
1212
00ISO Q Q S T T -∆=
+++R
0S ∆=iso
S ∆=
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
，
那么上式可以简化为：
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；假设表为P i ，那么该组元的状态方程可写成：P i V = m i R i T 。

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：
T
T
w q T T T R ∆==-=
2
2212ε，当
2q 不变，T ∆↑时，↑w 、↓R ε。

即在同样2q 下(说明得到的收
益一样)，温差愈大，需消耗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 ，假设两过程中热源温度均为r T 。

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、终状态一样，因而系统的熵变一样。

由系统的熵方程g f s s s +=∆，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，w u q
+∆=，因过程的初、终状态一样，热力学能变化∆u 一样，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〕 三、计算题：〔共50分〕
1. 压气机在95 kPa 、25 ℃的状态下稳定地以340 m 3/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 m 2，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 。

空气的气体常数Rg=0.287 kJ/(kg.K)，比定热容c V =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
0)2()2(22
2
212
11=++-+++-•••
•
m gz c h m gz c h W Q sh
即
•••
•
++-+++=m gz c h m gz c h Q W sh
)2()2(22
2
212
11 〔a 〕
其中：)/(100060
10603
s J Q -=⨯-
=•
)/(2944.660
340)25273(2871095311s kg T R V p m g =⨯+⨯⨯==•
•
m
z s m c 0/01=∆≈
)
/(0.95380)25120()717273()/(99.141025
.010200)120273(2872944.6123222222s J T c h h h s m A p T mR A m c p g =-⨯+=∆=-=∆=⨯⨯+⨯⨯===
•
•
ρ 将以上数据代入式〔a 〕，可得压气机所消耗的功率为：
)/(10648.6)2
99.1410.95380(2944.6100052
s J W sh ⨯-=--⨯+-=•
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。

现翻开阀门，氮气由B 流向A 。

氮气可视为理想气体，气体常数R g,N2 = 297 J/(kg ·K)，过程中的平均定容比热容c v =0.742 kJ/( kg ·K)，假设压力平衡时容器中气体温度为t 2=40℃，试求：⑴平衡时终压力P 2；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
36
1
A 1A g A A m 8851.21007.0340
2972=⨯⨯⨯=
=P T R m V 3
6
1
B 1
B g B B m 8904.6101.02902978=⨯⨯⨯==
P T R m V 〔4分〕 取A+B 中的气体为系统〔CM 〕，
m = m A + m B = 2 +8 =10 kg
V = V A + V B = 2.8851 + 6.8904 = 9.7755 m 3〔2分〕
N 2 8 kg 0.1 MPa 17 ℃
N 2
2 kg 0.07MPa 67℃
终态时的气体压力
MPa 0951.07755
.9313
297102
g 2=⨯⨯=
=
V
T mR P 〔2分〕
⑵按题给，系统不对外作功，有
kJ
46.96222646.2322)29083402(742.0313742.010)
(B1B A1A v 2v =-=⨯+⨯⨯-⨯⨯=+-=∆=T m T m c T mc U Q 〔5分〕 ⑶原在A 中的氮气熵变〔2分〕
kJ/K 3540.0)07
.00951.0297ln .06727340273039ln .1(2)P P ln R T T ln
c (m S A 2g A 2p A A -=-++⨯=-=∆ 原在B 中的氮气熵变〔2分〕
kJ/K 7538.0)1
.00951.0297ln .01727340273039ln .1(2)P P ln R T T ln
c (m S B 2g B 2p B B =-++⨯=-=∆ 全部氮气的熵变
kJ/K 3998.07538.03540.0S S S B A =+-=∆+∆=∆〔1分〕
3. 将100 kg 温度为30 ℃的水与200 kg 温度为80 ℃的水在绝热容器中混合，假定容器壁与水之间也是绝热的，且水的比热容为定值，取K)kJ/(kg 187.4⋅=c
，环境温度为17 ℃。

求混合过程导致的可用能损失？〔16分〕
解：以绝热熔器水为研究对象，由其能量方程可得
cT
m m cT m cT m )(212211+=+
可得
K
m m T m T m T 33.336200100353
200303100212211=+⨯+⨯=++=
水的混合过程的熵变为
g f S S S +=∆
由于绝热0=f
S
)
/(186.3353
33
.336ln 187.420030333.336ln 187.4100ln ln
2
211K kJ T T
c m T T c m S S g =⨯+⨯=+=∆=
混合过程的做功能力的损失为
)(94.923186.32900kJ S T I g =⨯==。