工程热力学本科生期末复习总结题2答案

一判断题

1.均匀则一定平衡。反之平衡也一定均匀；（×）

2.稳定状态一定是平衡状态；（×）

3.判断一个热力过程是否可逆的条件是准平衡过程且无耗散效应；（√）

4.焓只有在流动工质中才存在；（×）

5.对于定压过程热力学第一定律的表达式可写为h

=；（√）

q?

6.闭口热力系吸收一定热量后，其熵一定增大；（√）

7.用压力表可以直接读出绝对压力值；（×）

8.自发过程为不可逆过程，非自发过程必为可逆过程；（×）

9.?=v pd

w可用于准平衡过程求功量；（×）

10.热力系没有通过边界与外界交换能量，系统的热力状态也可能变化；（×）

11.初、终态相同的热力过程，不可逆过程的熵变大于可逆过程的熵变；（×）

12.任意可逆循环的热效率都是ηt=1-T2/T1；（×）

13.经不可逆循环，系统和外界均无法完全恢复原态；（×）

14.理想气体的C p,C v值与气体的温度有关，则它们的差值也与温度有关；（×）

15.气体的比热可以从-∞变化到+∞的任何值；（×）

16.理想气体的比热容与工质、温度和过程有关；（√）

17.理想气体任意两个状态参数确定后，气体的状态就一定确定了；（×）

18.理想气体的的焓只和温度有关，是状态参数，而实际气体的焓不是状态参数；（×）

19.工质稳定流经热力设备时，所做的技术功等于膨胀功减去流动功；（√）

20.多变过程即任意过程；（×）

21.工质进行了一个吸热、升温、压力下降的多变过程，则多变指数n满足0

22.定温压缩是压气机最理想的工作模式；（√）

23.余隙容积的存在是耗功量增大；（×） 24.制冷系统的制冷系数肯定大于1；（×）

25.三种动力系统中蒸汽动力系统的效率是最高的，因为其最接近卡诺循环；（×）

26.绝热节流的温度效应可用一个偏导数来表征，这个量称为焦耳-汤姆逊系数。它是一个状态的单值函数。实际气体节流后温度可能升高、降低或不变；（√）

27.理想气体流过阀门，前后参数变化为Δs>0，ΔT=0；（√） 28.对于缩放喷管，出口压力随着背压的变化而变化，故其流量也随着背压的变化而变化；（×）

29.对于减缩喷管，当cr b p p ≤时，减低b p 流量保持不变；（√） 30.渐缩喷管出口气流的马赫数可以是任意非负数；（×） 31.喷管的流动过程中肯定能达到当地音速；（×）

32.湿空气的相对湿度下降，湿空气中所含水分不一定减少；（√） 33.水蒸气的焓熵图上，湿蒸气区的等温线既为等压线，是一组斜率相同的倾斜直线；（×）

34.对于饱和空气，d w t t t ==；（√）

35.对未饱和空气进行降温，含湿量先保持不变，再降低；（√） 36.对于水（蒸汽），任意两个状态参数可确定其状态；（错） 37.相对湿度较高的空气，其露点温度也较高；(×)

38.湿饱和蒸汽的焓等于饱和水的焓加上干度乘以汽化过程中1kg 饱和水变成干饱和蒸汽所吸收的热量；(√)

39.过热蒸汽的温度总是大于未饱和水的温度；( × )

40.湿空气在总压力不变，干球温度不变的条件下，湿球温度愈低，其含湿量愈小。（√） 二图示题

1. 利用p —v 图、T —s 图分析多变指数1

解：首先在p —v 图、T —s 图上画出四条基本过程线作为分析的参考线，然后依题意画出多变过程线1-2，如下图所示：

过程线1-2在绝热线的右方和定容线的右方，这表明是热膨胀过程（即q和w均为正）。又过程线在定温线的的下方，表明是一降温过程。

2.在p—v图上OA、OB为理想气体的多变过程，在表中填上这2个过程的⊿T、W、Q的正负号，并在p—v图上画出过程OC。

解：

3.根据给出的理想气体的T—S图，判断下列各过程参数的正负并填表（写出计算过程）。

.解：

4.如下图所示。v p -图上OA ，OB 为理想气体多变过程，在给出的下表中填写上这2个过程中△T ，W ，Q 的“+”，“-”号；并在v p -图上表示出OC 过程。（8分）

解：（共8′）A 、B 过程每空1′，C 过程线2′。 （共8′）A 、B 过程每空1′，C 过程线2′。

5.试在T —S 图上把理想气体任意两状态间的热力学能和焓的变化表示出来（简

v

要写出推到过程）。

.解：

6．将下图所示的水蒸气的饱和曲线和各热力过程相应地画到T—S图中。其中2-6、1-4、5-8为等温线，2-5-7为等熵线，1-C-2、3-4-5-6为等压线；

解：

7.某气体工质经历可逆等温吸热过程1-2，可逆多变膨胀过程2-3(κ>n>1),可逆等

温放热过程3-4，等熵压缩过程4-1画出该循环的p-v 图和T-s 图。 解：

8．定性地画出压缩蒸汽制冷循环的焓熵图。 解：

9．对于未饱和空气，它的干球温度、湿球温度及露点温度三者那个最大？那个最小？对于饱和空气，三者的大小关系又如何？在s T 图上表示之。（4分） 解：

s

v

s

（2′）

未饱和湿空气：t>t w >t d （1′） 饱和湿空汽：t=t w =t d （1′）

10. 试画出蒸汽压缩制冷循环的T —S 图，并用各状态点的焓值表示其制冷系数。

11． 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理想循环。

12.在T —S 图画出基本的朗肯循环和带再热循环，并简要说明再热循环的好处。

解：

再热循环可以提高循环热效率和提高汽轮机出口蒸汽的干度。

13．定性画出内燃机三种理想循环的v p -、s T -图。 解：混合加热：

定容加热：

定压加热：

v

s

14.定性地画出燃气轮机定压加热循环的v p -、s T -图。（6分） 解：

三简答题

1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？

答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。

2.有人认为，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，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？ 答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热

p T

v

s

p T

v

s

系。

3.促使系统状态变化的原因是什么？

答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变。

4.经历一个不可逆过程后，系统能否恢复原来状态？包括系统和外界的整个系统能否恢复原来状态？

答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。

5.工质及气缸、活塞组成的系统经循环后，系统输出的功中是否要减去活塞排斥大气功才是有用功？

答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。 6.能否由基本能量方程得出功、热量和热力学能是相同性质的参数结论？

答：不会，Q U W =?+可知，公式中的U ?为热力学能的差值，非热力学能，热力学

能为状态参数，与过程无关。

7.热力学能就是热量吗?

答：不是，热是能量的一种，而热力学能包括内位能，内动能，化学能，原子能，电磁能，热力学能是状态参数，与过程无关，热与过程有关。

8.热力学第一定律解析式有时写成下列两种形式： q u w =?+

2

1

q u pdV =?+?

分别讨论上述两式的适用范围.

答： q u w =?+适用于任何过程，任何工质。

2

1

q u pdV =?+? 可逆过程，任何工质

9.绝热过程的过程功w 和技术功t w 的计算式：

w =12u u -，t w =12h h -

是否只限于理想气体？是否只限于可逆绝热过程？为什么？

答：不只限于理想气体和可逆的绝热过程。因为q u w =?+和t q h w =?+是通用公式，适用于任何工质任何过程，只要是绝热过程0q =无论是可逆还是不可逆。所以w =12u u -，t w =12h h -不只限于可逆绝热过程。

10.请归纳热力过程中有哪几类不可逆因素？

答：。不可逆因素有：摩擦、不等温传热和不等压做功。

11.当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用2f c =似乎与无摩擦损耗时相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢？

答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。摩擦引起出口速度变小，出口动能的减

小引起出口焓值的增大。

12.既然绝热节流前后焓值不变，为什么做功能力有损失？

答：衡量做功能力是熵，不是焓值。节流过程是个不可逆过程熵增，做功能力必

然损失。

13如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩？为什么？

答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。

14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？

答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。

15从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程，这是否是必然的？

答：不是必然的，例如斯特林循环就没有绝热压缩过程。对于一般的内燃机来说，工质在气缸内压缩，由于内燃机的转速非常高，压缩过程在极短时间内完成，缸内又没有很好的冷却设备，所以一般都认为缸内进行的是绝热压缩。

16根据卡诺定理和卡诺循环，热源温度越高，循环热效率越大，燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合，使混合气体降低温度，再进入燃气轮机？

答：这是因为高温燃气的温度过高，燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度，所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作。同时加入大量二次空气，大大增加了燃气的流量，这可以增加燃气轮机的做功量。

17为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环？

答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。

18 混合气体中如果已知两种组分A 和B 的摩尔分数xA>xB ，能否断定质量分数也是ωA>ωB ？

答：否。i

i i eq

x M M ω=?，质量分数还与各组分的摩尔质量有关。 四、计算题

1.设热源温度H T =1300K ，冷源温度等于环境温度o T =288K ，热机的工质吸热平均温度为1T =600K ，放热平均温度2T =300K 。已知热机的热效率t η是以工质吸放热的平均温度作为卡诺循环效率c η的80%，若热机从热源吸热100kJ 求：

1）吸放热量的可用能； 2）实际热机所做出的功；

3）热机和热源、冷源整个装置的熵的变化量； 4）整个装置的做功能力损失。

解：

8

.37131.0288131.0208.0077.0288

6013001004.2)300

2881(60)1(8.77)13002881(100)1(6040100404.01004.0)600

300

1(8.08.021********=?=?=?=+-=+-=+-

=?=-=-==-?=-

==-=-==?==-?==total o o H total o xQ H o xQ o o c t S T w T Q T Q S kJ T T Q E kJ T T Q E kJ w Q Q kJ

w ηη

2. 有一热力循环，工质为空气，分别经历以下过程，由15℃，0.5MPa ，定

压加热到200℃，然后绝热膨胀，温度降低到100℃，接着定容冷却到15℃，最后等温压缩到初始状态。所有过程都是可逆的，试求循环热效率，并将该循环画在v p -、s T -图上。

解：

1点，=1t 15℃，=1p 0.5MPa ；2点：==12p p 0.5MPa ；，=2t 200℃；三点：=3t 100℃，

21

233)

/(p T T p k k

-=＝0.438 MPa ；4点：=4t 15℃，33

4

4p T T p =

＝0.338 MPa ； 循环的吸热量为：()12121T T c q q p -==＝185.93kJ ； 循环的放热量为：()1

4

14341342ln

p p T R T T c q q q g v --=+=＝93.3 则循环热效率为=-

=1

2

1q q t η49.8％ 3.某刚性容器内储有700㎏的空气，其初始压力1p =0.103MPa ，1t =5℃，为

了使其温度升高到27℃，设空气为理想气体，比热为定值，试求：

1）需加入多少热量？

2）若这些热量由2T =400K 的热源传给容器，则容器内空气与热源熵增为多少？

3）若状态变化只是从一个功源吸收能量实现，则空气与功源的熵增又为多少？

解：

K

kJ S S K kJ S K

kJ S K kJ S K

kJ T T C m m T T C S kJ T T mC Q total total

r v v v /3.380/3.38)3(/7.106.273.38/6.27400

11050

/3.385

27327

273ln 718.0700ln )ln ()2(11050)527(700718.0)().1(121212=?=?=?=-=?-=-=?=++??=??=?=?=-??=-=功源空气空气

4. 1kg 空气经历可逆过程a-b-c ，其中a-b 为多变指数n=0的多变过程，b-c

为n=K 的过程（K ：绝热指数）。已知K T b 600=，K T T c a 300==，若比热为定值，求过程a-b-c 的热力学平均温度m T .

解：8.432300600

ln 300

600ln

)(ln

=-=-=

=

-=

??

a

b pm a b pm a

b

pm p

a

b b

a

m T T C T T C T T C dT C

S S dS

T 5、某蒸汽动力循环，初参数为9MPa ，530?C 的水蒸气，经主汽门绝热节流后成为8MPa 的水蒸气进入可逆绝热的汽轮机中膨胀作功，直到压力降为0.004MPa 。忽略泵功。

试求：1）与没有节流相比，由于节流，单位工质在汽轮机中的功变化了多少？

2）节流引起的作功能力损失是多少？已知环境温度为25?C ； 3）节流后循环的热效率为多少？

4）将过程和作功能力损失示意地画在T-s 图上； 已知饱和水和饱和水蒸气的有关参数如下表：

解： 1)未节流时

1123459.7/, 6.7059/.h kJ kg s s kJ kg K ===

'

22

2'''22

0.78615s s x s s -==-

'''

22222112(1)2033.3/1426.4/h x h x h kJ kg

w h h kJ kg

=+-==-=

节流后

'113459.73446

3459.7/,52010525.6347043446

h h kJ kg T C -===+

?=-

同样可求''

12 6.8019/.s s kJ kg K ==

''12

'''22

0.79248s s

x s s -==-

''''''22222'

'212

(1)2048.7/1411/h x h x h kJ kg

w h h kJ kg

=+-==-=

2115.4/w w w kJ kg ?=-=-

2)节流引起的作功能力损失

'0011()14.95/T s T s s kJ kg π=?=-=

3)节流后循环的效率 循环吸热量

'

143338.4/q h h kJ kg =-=

则效率21

42.27%t w

q η==

4)图

6. 比ε(21/V V )=8K,

p c =1.004kJ/kg·K ）。

1）画出循环的p-v 图及T-S 图； 2）计算循环的最高压力及最高温度； 3）求循环热效率和净功量； 4）分析提高循环热效率的热力学措施

解：（1）

(2)

MPa T T p p K C q T T T T C Q K T v v

T T MPa p v v

p p v v k k 76.44

.685177384.11773717

.0780

4.685)(4.685;3.28)(84.1;4.188)(232

33223233224.01211224.12112=?===+=+=-=========---

（3）

kJ

q w q w v t o o

v t k v t 5.440780565.0565

.0)8/(11/111.1

.4.01.=?===

=-=-=-ηηεη

(4 ) 提高压缩比ε

7．容积V =0.5m 3的空气初压=0.3MPa,初温=150℃,经膨胀过程到终态

=0.08MPa,

=20℃,求过程中热力学能,焓及熵的变化量。空气作为理想气体,

其比热容可取定值, 气体常数

=287J/(kg·K)

；

=1005J/(kg·K)。

解：由状态方程g pV mR T =得

6110.3100.5

287(273150)

g p V m R T ??==?+=1.24 kg

由迈耶公式得

1005287v p g c c R =-=-=718 kJ/(kg ·K) 热力学能的变化为

21() 1.24718(15020)v U m u m c T T ?=?=-=??-=114.8 J

焓的变化为

21() 1.241005(15020)p H m h m c T T ?=?=-=??-=162.0 J

熵的变化为

22112930.08(ln

ln ) 1.24(1005ln 287ln )4230.3

p g T p S m s m c R T p ?=?=-=??-=12.68 J/K 8

．空气初态为=0.1MPa

、=20℃，经过两级活塞式压气机后，压力提高到

2.5MPa ，假定各级压缩过程的多变指数n =1.3。试求：（1）以耗功最小为前提的各级压比；（2）生产1kg 压缩空气理论上消耗的功；（3）各级气缸的出口温度；（4）若采用单级压缩，压气机消耗的功及出口温度。已知：R g =0.287 kJ/(kg·K)，c p =1.01 kJ/(kg·K)。

2．解：压缩机工作过程p-v 图如下

（1）由题意耗功为

11

23112

[()()2]1n n n n

c g n p p w R T n p p --=+-- ①

其中p 2为变量，故对其求导可得

满足2p 时，为压缩机最小耗功量

即

2312p p p p ====

（2）由①式得

1 1.31

3 1.3,min 12 1.3

[2()2]0.287(27320)[252]1 1.31

n n c g n p w R T n p --=-=??+??---

=327.79 kJ/kg

（3）由于各级多变指数相同，且采用级间冷却 12'3T T T T ==

低压级1

2211

()n n

T p T p -=

则其出口气温为

1 1.31

2 1.3211

()(27320)5n n

p T T p --==+?=424.8 K

同理高压级出口气温

113332'

122

()()n n n n

p p T T T p p --===T 2=424.8 K （4）单级压缩时

耗功为

1 1.31

3 1.311 1.3[()1]0.287(27320)[251]1 1.31

n n c g n p w R T n p --=-=??+?---=401.51 kJ/kg

出口气温为

1 1.313 1.33'11

()(27320)25n n

p T T p --==+?=615.8 K

9．某发电厂采用蒸汽动力循环（简单朗肯循环），蒸汽以14p MPa =，

o 1450C t =的初态进入汽轮机，汽轮机的相对内效率T 0.9η=，凝汽器中凝结温度

为30o C ，忽略泵功。已知环境温度为25 o C 。（14分）

试求：（1）汽轮机出口的干度，焓和熵 （2）循环热效率

（3）在T-s 图上画出循环各过程，并画出汽轮机的火用损失。 3．解：（1）由14p MPa =，o 1450C t =查表得 h 1=2835.6 kJ/kg ，s 1=6.1355 kJ/（kg ·K ）

又"'2122(1)s s xs x s ==+-

即汽轮机理论出口干度

'2"'22 6.13550.4365

8.45370.4365

s s x s s --==

--=0.711 汽轮机理论出口焓

'''

222(1)0.7112555.9(10.711)125.66h xh x h =+-=?+-?=1853.6 kJ/kg

由汽轮机相对内效率定义

12'

12

0.9T h h h h η-=

=- 得汽轮机实际出口焓

2'112()2835.60.9(2835.61853.6)T h h h h η=--=-?-=1969.8 kJ/kg

又'''2'22'(1')h x h x h =+-

则汽轮机的出口实际干度为

'

2'2'''

221969.8125.66

'2555.9125.66

h h x h h --==--=0.759 汽轮机实际出口熵为

'''

2'22'(1')0.7598.4537(10.759)0.4365s x s x s =+-=?+-?=6.5216 kJ/(kg ·K)

（2）循环热效率为

'

32h h ==125.66 kJ/kg

12'132835.61969.8

2835.6125.66

t h h h h η--=

=--=32.4% （3）过程T-s 图如下

火用损失为阴影部分

s