高等工程热力学课终考题

高等工程热力学考试题（含答案）

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1、状态量（参数）与过程量有什么不同？常用的状态参数哪些是可以测量的？哪些又是不可直接测量的？

答：（1）

（2）常用的状态参数中可测量的有:压强、比体积、温度；不可直接测量的有：动力学能、焓、熵。

2、试述膨胀功、技术功和流动功的意义及关系，并将可逆过程的膨胀功和技术功表示在P-V 图上。

答：膨胀功W s 是指由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通过边界面向外界传递的机械功，也称容积功，⎰=

pdv w s 。

技术功W t 是指技术上可资利用的功，它是系统外机械能与轴功的和，即

s t w z g c w +∆+∆=

2

2

1⎰=

vdp 。

流动功W f 是指开口系付诸于质量迁移所作的功，它是进出口推动功之差，即

1122v p v p w f -=。

3、热力学第一定律和第二定律的实质分别是什么？写出各自的数学表达式。

答：（1）热力学第一定律的实质是能量转换和守恒定律，其表述为：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变，或第一类永动机是不可能造成的。

其中闭口系统能量方程的数学表达为：s w u q +∆=t w h +∆=，其中q 代表进入系统的能量，

u

∆表示内能增量，s w 为膨胀功，h ∆为焓的变化量，t w 是技术功。开口系统能量方程的表达

式为：2

2222211111

122net cv Q h c gz m h c gz m W dE δδδδ⎛⎫⎛⎫=+

+-++-+ ⎪ ⎪⎝

⎭⎝⎭

。 （2）热力学第二定律的实质是热功转换效率不可能为100%，其表述为不可能从单一

热源吸热，并使之完成转变为有用功而不引起其他变化。

其中其数学表达为：⎰

≤0T

Q δ或r

Q

S T δ∆≥

⎰

，其中⎰

≤0T

Q δ为循环过程，其中可逆过程取

“=”，不可逆过程取“<”。r

Q

S T δ∆≥⎰

为闭口系统，其中可逆过程取“=”，不可逆过程取“>”。

4、写出压缩因子表示的实际气体状态方程式，并说明压缩因子的物理意义。

答：（1）压缩因子表示的实际气体状态方程式为：ZRT pV m =，式中，m V 为摩尔体积，

T R p 、、分别为压强、气体常数和温度。

（2）压缩因子的物理意义是反映气体压缩性的大小，它与气体的种类有关，并且随着

温度、压强的变化而变化。

5、简述可逆过程的特征及实现可逆过程的条件。

答：（1）特征：如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向运行时，能使系统和外界都返回到原来的状态，而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程，否则为不可逆过程。

（2）条件：无摩擦的准静态过程，即系统内部与系统与外界之间不存在不平衡势差，

且没有耗散效应。

6、一个热力系统中熵的变化可分为哪两部分？指出他们的正负号。

答：一个热力系统中熵的变化可分为熵流和熵产，熵产是指由不可逆因素引起的熵变，用符号表示为g s ∆，熵流是指由于热流进、出系统所引起的系统熵变，用符号表示为f s ∆，即

f g s s s ∆+∆=∆sys 。其中，熵产在可逆过程中为零，不可逆过程中永远为正，绝不可能为负，

不可逆性越大，则熵产越大。系统吸热时，熵流为正，系统放热，熵流为负，绝热过程，熵流为零。

7、试在T-S 图上分别画出汽油机理想循环和柴油机混合加热循环简图。

答：汽油机理想循环为定容加热循环（Otto 循环）。

柴油机混合加热循环为萨巴德循环。

8、在下列两种情况下分别比较活塞式内燃机定压加热理想循环、混合加热理想循环及定容加热理想循环热效率的大小。

A ）初态相同，压缩比相同，循环吸热量q1相同； B

答：A ）因为

，q1相同，而定压加热理想循环、混合加热理想循环及定容加热

故热效率依次增加，定压加热理想循环热效率最低，定容加热理

B 3对各个循环是相同的，因此3-4q2相同，而定压加热理想循环、混合加热理想循环及定容加热理想循环的吸热量依次降低，故热效率依次降低，定压加热理想循环热效率最高，定容加热理想循环热效率最低，混合加热理想循环局中。

9、 请分析一下内燃机工作过程中压缩行程和膨胀行程中工质热力学指数的变化特点。

答：

已知绝热过程的方程式为C pV

k

=，设内燃机工作工程热力学指数为n,则k

k V p V p 2211=，

n

n

V p V p 2311= ，两式相比可得：3

22

1)

(

p p V V n

k =

-。

（1）压缩行程多变指数的变化：

压缩过程是柴油机继换气过程的第二个工作过程，是活塞自下止点向上止点运动中，直到活塞到达上止点前的燃油看是着火点为止。

在压缩过程初期，工质温度低于气缸壁温度，工质自气缸壁吸收热量，即t2>t3（吸

热过程比绝热过程，同体积变化温度变化要高）又根据PV=RT ，则3

2p p >1，又因为

2

1V V <1,

则k-n<0,即k

同理，压缩过程继续进行，工质受压及接受气缸壁等传给的热量后，温度继续上升，直至平均温度与气缸壁平均温度相等，这一过程可看做绝热过程，即k=n 。

在压缩过程后期，工质进一步压缩，温度升高，开始向气缸传热，与开始刚好相反，k>n 。

（2）膨胀过程多变指数的变化：

膨胀过程是柴油机做功的过程，在这一过程中，工质的部分热能转换为机械功。 在膨胀过程初期，后燃及分解产物重新化合所放出的热量高于工质散往气缸壁的热量，

工质吸热。即t2>t3（吸热过程比绝热过程，同体积变化温度变化要高）又根据PV=RT ，则c>1，又因为

2

1V V >1,则k-n>0,即k>n 。

膨胀过程继续进行，后燃减少，但分解产物的化合作用仍在进行，两者发出的热量接

近工质传给气缸壁的热量，可以看做绝热过程，即k=n 。

在膨胀过程后期，工质向缸壁散热，与开始刚好相反，k

10、试着给出利用人工活塞式打气泵给一只篮球充气所消耗功的计算方法。

解：1、模型建立：取篮球作为系统，取其为开口系统。设在δτ时间内充入篮球的质量为

1m δ ，开口系统的能量方程为：

2

2222211111

122net cv Q h c gz m h c gz m W dE δδδδ⎛

⎫⎛⎫=+

+-++-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

。

2、模型假设：根据现实情况，假设篮球是绝热的，并且篮球无气体流出，此系统与外界没有功传递，篮球内气体无宏观运动，充气的动、位能均很小。

3、模型求解：根据假设可知，0Q =δ，0m 2=δ，0W net =δ，0

2

12

1

=+gz c ，带入能量方

程可得：dW dE h ==11m δ，即所消耗的功为篮球气体内能增量。

若在τ时间内进入篮球的气体质量为m,则1

10

⎰

⎰=

m

dm h dW τ

，又h 恒定，可得：m h W 1=