工程热力学期末复习试题答案解析

科技大学《工程热力学》练习题参考答案第一单元一、判断正误并说明理由：1.给理想气体加热，其热力学能总是增加的。

错。

理想气体的热力学能是温度的单值函数，如果理想气体是定温吸热，那么其热力学能不变。

1.测量容器中气体压力的压力表读数发生变化一定是气体热力状态发生了变化。

错。

压力表读数等于容器中气体的压力加上大气压力。

所以压力表读数发生变化可以是气体的发生了变化，也可以是大气压力发生了变化。

2.在开口系统中，当进、出口截面状态参数不变时，而单位时间流入与流出的质量相等，单位时间交换的热量与功量不变，则该系统处在平衡状态。

错。

系统处在稳定状态，而平衡状态要求在没有外界影响的前提下，系统在长时间不发生任何变化。

3.热力系统经过任意可逆过程后，终态B的比容为v B大于初态A的比容v A，外界一定获得了技术功。

错。

外界获得的技术功可以是正，、零或负。

4.在朗肯循环基础上实行再热，可以提高循环热效率。

错。

在郎肯循环基础上实行再热的主要好处是可以提高乏汽的干度，如果中间压力选的过低，会使热效率降低。

6．水蒸汽的定温过程中，加入的热量等于膨胀功。

错。

因为水蒸汽的热力学能不是温度的单值函数，所以水蒸汽的定温过程中，加入的热量并不是全部用与膨胀做功，还使水蒸汽的热力学能增加。

7．余隙容积是必需的但又是有害的，设计压气机的时候应尽可能降低余隙比。

对。

余隙容积的存在降低了容积效率，避免了活塞和气门缸头的碰撞，保证了设备正常运转，设计压气机的时候应尽可能降低余容比。

8．燃机定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高。

错。

在循环增压比相同吸热量相同的情况下，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高；但是在循环最高压力和最高温度相同时，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率低。

9．不可逆过程工质的熵总是增加的，而可逆过程工质的熵总是不变的。

错。

熵是状态参数，工质熵的变化量仅与初始和终了状态相关，而与过程可逆不可逆无关。

10． 已知湿空气的压力和温度，就可以确定其状态。

错。

湿空气是干空气与水蒸汽的混合物，据状态公理，确定湿空气的状态需要三个状态参数。

二、简答题：1. 热力学第二定律可否表示为：机械能能完全转换为热能，而热能不能全部转换为机械能。

不可以。

机械能可以无条件地转化为热能，热能在一定条件下也可能全部转化为机械能。

2. 试画出蒸汽压缩制冷简单循环的T-s 图，并指出各热力过程以及与过程相对应的设备名称。

蒸汽压缩制冷简单循环的T-s 图.1-2为定熵压缩过程，在压缩机中进行；2-3为定压冷凝过程，在冷凝器中进行；3-4是节流降压过程，在节流阀中进行；4-1为定压蒸发过程，在蒸发器中进行。

3. 用蒸汽作循环工质，其放热过程为定温过程，而我们又常说定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低？考察蒸汽动力循环和柴油机循环的热效率时，根据热效率的定义121211T Tq q t -=-=η知道，热效率的大小与平均吸热温度和平均放热温度有关。

平均吸热温度越高，热效率越高。

蒸汽动力循环由于受到工质和材料的限制，其平均吸热温度是600℃左右；而柴油机循环的平均吸热温度是1300℃左右，所以蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低。

4. 压气机按定温压缩时气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济？压气机定温压缩与绝热压缩时所需要外界提供的功不一样，而需要外界提供的功等于压缩过程的技术功，定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小，济。

如p-v 图所示的压缩过程，可以看出 定温压缩的技术功是P1-1-2T-p2-p1的面积， 绝热压缩的技术功是P1-1-2s-p2-p1的面积。

显然定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小。

三.计算题：1. 1kg 氧气置于图所示的气缸，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无摩擦。

初始时氧气压力为0.5Mpa 、温度为27℃。

如果气缸长度为2L ，活塞质量为10kg ，试计算拔除销钉后，活塞可能达到的最大速度。

氧气的比热容)/(918.0K kg kJ c p ⋅=，k=1.395，)/(260.0K kg kJ R g ⋅=℃vP1 P2解：取气缸的氧气为研究对象。

根据热力学第一定律W U Q +∆=知道，加入系统的热量一部分用于增加系统的热力学能，一部分用于对外做功。

根据题意：活塞如果要达到最大速度，那么氧气膨胀过程中吸入的热量全部用于对外做功，所以氧气的热力学能不发生变化。

由于氧气可以看作理想气体，而理想气体的热力学能是温度的单值函数，所以氧气膨胀过程为可逆定温膨胀过程。

设环境温度为T 0，环境压力为P 0，氧气的质量为m ，活塞的质量为M ，活塞最大速度为V max 。

氧气初始状态的压力为P 1，温度为T 1，容积为V 1，氧气膨胀后的容积为V 2，膨胀过程的膨胀功为W 。

V P W MV ∆-=02max 21 211lnV V T R W g =111T mR V P g = 12V V V -=∆122V V = 所以有：2ln 1T R W g = 110/P T R V P g =∆ 代入数据：7.38484)2.02(ln )2715.273(2602ln 102111012max =-⨯+⨯=-=⨯⨯p T R P T R V g g s m V /73.87max =2.空气等熵流经一缩放喷管，进口截面上的压力和温度分别是0.58Mpa 、440K ，出口截面上的压力MPa p 14.02=。

已知喷管进口截面面积为2.6×10-3m 2，空气的质量流量为1.5kg/s ，试求喷管喉部面积及出口截面的面积和出口流速。

空气的比热容)/(005.1K kg kJ c p ⋅=，k=1.4，)/(287.0K kg kJ R g ⋅=解：根据题意知道，进口参数为MPa p 58.01=，K T 4401=。

出口截面上的压力MPa p 14.02=。

喷管进口截面A 1面积2.6×10-3m 2，空气的质量流量Q 为1.5kg/s 。

)/(61.1251,11,1s m c v c A q f f =⋅=)/(2177.01058.044028736111kg m p T R v g =⨯⨯==K c c T T pf 9.44721,210=+=Mpa T Tp p k k617.0)(11010=⋅=-528.0)12(10=+==-k kc cr k p p β )(32579.0617.0528.0528.00MPa p p cr =⨯=⋅=)(2.373)528.0(9.447)(4.114.1100K p p T T kk cr cr =⨯=⋅=--)/(32876.01032579.02.37328736kg m p T R v crcr g cr =⨯⨯==)/(2.3872.3732874.1,s m T kR c cr g cr f =⨯⨯==喷管喉部面积)(10273.12.38732867.05.123,min m c v Q A cr f cr -⨯=⨯=⋅=)(18.293)58.014.0(440)(4.114.110202K p pT T kk =⨯=⋅=--)/(60103.01014.018.29328736222kg m p T R v g =⨯⨯=⋅=出口流速)/(7.557)18.2939.447(10052)(2202,s m T T c c p f =-⨯⨯=-=出口截面的面积)(106167.17.55760103.05.1232,22m c v Q A f -⨯=⨯=⋅=3. 汽油机定容加热理想循环进气参数为C t ︒=271, MPa p 09.01=，若循环压缩比16=ε，定容增压比6.1=λ。

假设工质是空气，比热可取定值，)/(005.1K kg kJ c p ⋅=，R g =287 )/(K kg J ⋅，(1)画出循环p-v 图及T-s 图；(2)求循环的最高温度和最高压力；(3)计算循环的放热量、循环净功及循环的热效率。

解：（1）v s(2))(2.14552870598.010984.6)(5.9092870598.010365.4)(0598.0)(984.6365.46.1)(365.41609.0)()(0598.016957.0)(957.0166333622232323234.112112312311121K Rg v p T K Rg v p T kgmv v MPa p p p p MPa p v v p p kg m v v kg m m V v V V k k=⨯⨯===⨯⨯=====⨯=⋅===⨯==========λλεεεT 3 、p 3为循环的最高温度和压力(3))(44.01)()()()(957.031234344334314MPa p v v p v v p v v p p kgm v v kk k ======)(17.480287957.010144.06444K Rg v p T =⨯⨯==6698.01)/(36.129)30017.480(718.0)()/(8.391)5.9092.1455(718.0)(12142231=-==-⨯=-==-⨯=-=q q kg kJ T T C q kg kJ T T C q t V V η4.两个质量为m 的比热容为定值的相同物体，处于同一温度T ，将两物体作为制冷机的冷、热源，使热从一物体传出并交给另一物体，其结果是一个物体温度升高，一个物体温度降低。

证明当被冷却物体温度降到0T （T T <0）时所需最小功)2(002minT T T T mc W -+=证明：要使得整个系统完成这一过程所需功量最小，则必须有一可逆制冷机在此工作，保证所构成的孤立系统有0,=∆s i S所以有0ln ln 0,=+=∆T T mc T T mc S t si 得到 02T T T t =式中T t 为另一物体在过程终了所具有的温度。

由于过程中冷源传出热量 )(02T T mc Q -= 热源吸收热量)(1T T mc Q t -= 所以有)2()2()()(0020021min T T T T mc T T T mc T T mc T T mc Q Q W t t -+=-+=---=-= 第二单元一、判断正误并说明理由：1、稳定流动热力系必为平衡热力系;错。

稳定状态的系统部虽有确定的状态参数，但其是靠外界的影响来维持的。

2、技术功是流体的宏观动能，宏观位能及所作出的轴功三者之和定义的; 对。

技术功包括宏观动能，宏观位能及所作出的轴功。