工程热力学试卷

（一）

一．填空题(每空1分,共8分)

1、 系统与外界之间没有__能量__传递和__物质__交换的系统，称为孤立系统。 2、 若已知工质的表压力为0.07MPa，当地大气压力为0.1MPa。则工质的绝对压力为 0.17 MPa。

3、 某工质在某过程中内能增加15KJ，对外作功15KJ，则此过程中工质与外界交换热量Q＝ 30 KJ。

4、 露点是对应于湿空气中水蒸气分压力下的 饱和 温度。 5、 当湿蒸汽的干度x＝1时， 工质全部为 干饱和蒸汽 。 6、 压缩因子z反映 实际 气体与 理想 气体的偏差程度。 二．单项选择题(6小题,每小题2分,共12分) 1、理想气体的焓是 C 的单值函数. （A）压力； （B）比体积；

（C）温度； （D）热力学能。

2、闭口系统从热源取热5000kJ，系统的熵增加为20 kJ/K，如系统在吸热过程中温度保持为300K，则这一过程是 B 。

（A）可逆的； （B）不可逆的； （C）不能实现的； （D）不能确定的。 3、湿空气加热过程的特征是湿空气的 B 不变。 （A）焓； （B）含湿量； （C）相对湿度； （D）温度。

4、用干、湿球温度计和露点仪对湿空气进行测量，得到3个温度：16℃，18℃，29℃，则干球温度t＝____C_____，湿球温度tw＝____________。 （A）16℃，18℃； （B）29℃，16℃； （C）29℃，18℃； （D）16℃，29℃。 5、多变过程是指 D 。

（A）一切热力过程； （B）一切可逆过程；

（C）一切不可逆过程； （D）一切符合的过程。

6、当空气以M<1的亚音速进入喷管而以M>1的超音速流出喷管时，流体速度 ，该喷管为 A 喷管。

（A）增大，缩放； （B）减小，渐扩； （C）减小，渐缩； （D）增大，渐缩。 三．简答题(5小题,每小题6分，共30分)

1、理想气体能否进行吸热而降温的过程？试用热力学第一定律解释之。

答：由热力学第一定律Q=ΔU+W。理想气体吸热，则Q>0，降温则ΔT<0，对于理想气体，热力学能是温度的单值函数，因此，ΔU<0。在此过程中，当气体对外作功，W>0，且气体对外作功大于热力学能降低的量，则该过程遵循热力学第一定律，因此，理想气体能进行吸热而降温的过程。 2、水在某温度条件下的饱和液体的焓为h’、熵为s’，饱和蒸汽的焓为h”、熵为s”，则此温度下，当湿蒸汽的干度为x时，请写出湿蒸汽的焓hx和熵sx的表达式。 答：湿蒸汽的焓和熵的表达式：

3、空气流经喷管，进口流速c1=0，进口压力为p1＝1MPa，出口压力为p2=0.5 MPa，请问应采用什么类型的喷管？（已知压力比β＝0.528）

1

答：临界压力： 所以应该采用渐缩渐扩喷管。

4、“对刚性容器中的水加热，使其在恒温下蒸发”。请判断该过程是否可逆，说明理由。

答：实现可逆过程的两个条件，一是过程没有势差，二是过程没有耗散效应。

如果水与加热热源之间没有温差，则该过程满足可逆过程的条件，是可逆过程；若水与加热热源之间有温差，则该过程不满足条件一，是不可逆过程。

5、试先在p-v图和T-s图上画出以自点1出发的四种基本热力过程的过程曲线的位置，然后在图上画出自点1出发的多变系数n＝1.6的压缩过程，并判断q，w，Δu的正负（工质为空气）。 答：q>0, w<0，Δu>0

四． 证明题(8分) 试证明服从范德瓦尔方程

的气体绝热自由膨胀时，

。

（提示：）

证明：气体绝热自由膨胀，则δq＝0，δw＝0。所以由热力学第一定律δq＝du+δw，可得du＝0。即

气体服从范德瓦尔方程，则将式（2）代入式（1），可得

（1） （2）

五． 计算题(共42分)

2

1、气体经历某一过程，在此过程中从外界吸热300kJ，同时气体的热力学能增加120 kJ，问：（1）此过程与外界交换的功量是多少？（2）经历此过程后，气体的比体积是增大还是减小了？（6分）

解：（1）由热力学第一定律 Q=ΔU+W,可得： W=Q-ΔU=300-120=180 kJ

（2）由（1）得：W>0,可知，比体积增大。

2、某热机循环，工质温度为TH=2000K的热源吸热QH，并向温度为TL=300K的热源放热QL。在下列条件下，试根据孤立系统熵增原理确定该机循环可能实现吗？是否是可逆循环？（1）QH＝1500 J，QL＝800 J；（2）QH＝2000 J，W0＝1800J（6分） 解：（1）将图中得热源、冷源和热机组成孤立系统，则

所以该循环可实现，但是不是可逆循环。 （2）由热力学第一定律 QL=QH-W=2000-1800=200（J）

该循环违背孤立系统熵增原理，故不能实现。

3、空气经历一个如图所示的动力循环。已知1-2为定熵过程，2-3为定温过程，3-1为定压过程，且：T1=1500K，T2=300K，p2＝1bar，将比热容当作定值比热容且绝热指数k＝1.4。求（1）p1；（2）循环的热效率η；（3）在T-s图上表示出该循环。（10分） 解：（1）由已知1-2为定熵过程，可得：

（2）循环吸热

循环放热

（3）

4、空调系统将温度为5℃，相对湿度为40％的室外空

气加热至25℃；然后，向空气流中喷入压力为400kPa的水蒸气，从而将最终的相对湿度又提高至40％。已知：B＝101325Pa。问：（1）如果室外空气进入空调系统时的体积流量为60m3/min，求加热空气所需的热流量；（2）计算喷入水蒸气的流量。（h-d图见附表）（8分）

3

解：由，从h-d图查得：h1＝11 kJ/kg(a)，d1＝2.2 g/kg(a) 将室外空气加热至t2＝25℃，可知；d2＝d1，从h-d图查得：h2＝31 kJ/kg(a) 向空气流中喷入水蒸气后，因温度保持不变，

从h-d图查得：h3＝45.5 kJ/kg(a)，d3＝8 g/kg(a) 室外空气的质量流量：

则干空气的质量流量：

加热空气所需的热流量：

喷入水蒸气的流量:

5、某蒸汽压缩式制冷机，用氨作致冷剂。致冷量为105kJ/h。冷凝器出口氨饱和液的温度为300K，压力为1.06MPa；节流后温度为260K，压力为0.255 MPa。经查表得：h1＝1570kJ/kg，h2＝1770 kJ/kg，h3=450 kJ/kg。试求：

（1）每千克氨的吸热量q2；（2）氨的质量流量；（3）压气机消耗的功率P；（4）冷却水带走的热量Q1；（5）致冷系数ε。（6）相同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数εc。（12分）

解：（1）每千克氨的吸热量：q2＝h1-h4＝1570-450＝1120（kJ/kg）

，

（2）氨的质量流量：

（3）压气机消耗的功率： （4）冷却水带走的热量为：

（5）制冷系数为：

（6）逆向卡诺循环的制冷系数

4

（二）

一．填空题(每空1分,共8分)

1、按照系统与外界之间物质和能量的交换情况，系统可分为开口系统、 闭口 系统、绝热系统、__孤立__系统。

2、露点是对应于湿空气中水蒸气分压力下的 饱和 温度。

3、工质在热机中经历一个不可逆循环回到初态，其熵的变化量总是__0__。 4、单位质量的理想气体被定容加热时，由于温度升高，则压强__增大__。 5、湿空气加热过程的特征是湿空气的 含湿量 不变。

6、对逆卡诺致冷循环，冷热源的温差越大，则致冷系数 越小 。

7.在最高温度与最低温度相同的所有循环中，以 卡诺 循环的热效率为最高。 二．最佳选择题(6小题,每小题2分,共12分)

1、理想气体在一个带活塞的气缸中膨胀，容器绝热，可以忽略热传递，则气体的温度 A 。

（A）减少； （B）保持不变； （C）增加； （D）无法确定。

2、对于水蒸气定压发生过程可分为三个阶段，下列选项中错误的是：___B___。 （A）未饱和水的定压预热过程； （B）未饱和水的定压汽化过程； （C）饱和水的定压汽化过程。 （D）水蒸气的定压过热过程。

3、在暖房温度和环境温度一定的条件下，冬天用热泵取暖和用电炉取暖相比，从热力学观点看 A 。

（A）热泵取暖合理； （B）电炉取暖合理； （C）二者效果一样； （D）无法确定。

4、以空气为工质所进行的某过程中，加热量的一半转变为功，则该过程的多变指数n为 D

（A）1.8； （B）1.6； （C）1.3； （D）0.6。

5、湿空气在总压力不变，干球温度不变的条件下，如果湿球温度越低，则其含湿量 B 。

（A）愈大 （B）愈小 （C）不变 （D）不确定

6、气体流经渐缩喷管而射向真空，则流速 ，流量 D 。 （A）增大，减小； （B）减小，增大； （C）减小，不变； （D）增大，不变。

三．简答题(5小题,每小题6分,共30分)

1、“对刚性容器中的水搅拌，使其在恒温下蒸发”。请判断该过程是否可逆，说明理由。

答：该过程是不可逆过程。因为对刚性容器中的水搅拌，机械功转变为热能，存在耗散效应，因而是不可逆过程。

2、 将p-v图表示的循环，如图所示，表示在T－s图上。图中：2-3，5-1，为定容过程；1-2，4-5为定熵过程；3-4为定压过程。

5

3、门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门降低室内温度的目的，你认为这种想法可行吗？请以门窗紧闭的房间为系统，利用热力学第一定律进行分析。

答：这种想法不可行的。根据热力学第一定律，选择房间为闭口系统，因为门窗紧闭，固可认为与外界之间没有热量交换，是绝热闭口系。由Q=ΔU+W,Q＝0，电冰箱工作消耗电功，W<0,可以得到ΔU>0。可见，在打开电冰箱后，房间内的空气温度最终会上升，因此通过敞开冰箱大门降低室内温度的想法是不可行的。

4、 在寒冷的阴天，虽然气温尚未达到0℃，但晾在室外的湿衣服会结冰，这是什么原因？

答：在寒冷的阴天，气温指的是室外空气的干球温度，而室外的湿衣服的温度是室外空气的湿球温度，虽然干球温度尚未达到0℃，但是其所对应的湿球温度已经达到或者低于0℃，所以晾在室外的湿衣服会结冰。

5、右图为蒸气压缩制冷循环的T-s图，试指出进行各热力过程相应设备的名称，并写出制冷量q2和制冷系数ε的计算式。

答：1-2过程的设备为压缩机， 2-3过程的设备为冷凝器， 3-4过程的设备为膨胀阀， 4-1过程的设备为蒸发器。

四．证明题(8分) 试证明服从范得瓦尔方程

的气体绝热自由膨胀时，

。 （提示：）

证明：气体绝热自由膨胀，则δq＝0，δw＝0。所以由热力学第一定律δq＝du+δw，可得du＝0。即

6

（1）

气体服从范德瓦尔方程，则将式（2）代入式（1），可得

（2）

五．计算题(5小题,共42分)

1、系统经一热力过程，放热8kJ，对外做功26kJ.为使其返回原状态，对系统加热6kJ，问需对系统做功多少？（8分） 解：由Q=ΔU+W得

ΔU =Q- W =-8-26=-34kJ 对于返回初态的过程 ΔU’=-ΔU=34 kJ

W’ =Q’-ΔU’=6-34=-28 kJ 2、卡诺循环工作于600℃及40℃两个热源之间，设卡诺循环每秒钟从高温热源取热100 kJ。求（1）卡诺循环的热效率；（2）卡诺循环产生的功率；（3）每秒钟排向冷源的热量。（8分）

解：（1）卡诺循环的热效率：

（2）卡诺循环产生的功率： （3）每秒钟排向冷源的热量：

3、某一刚性绝热容器，有一隔板将容器分为容积相等的两部分，每一部分容积为0.1m3。如容器一边是温度为40℃，压力为0.4MPa的空气，另一边是温度为20℃，压力为0.2MPa的空气。当抽出隔板后，两部分空气均匀混合而达到热力平衡。求混合过程引起的空气熵的变化。（10分）

解：选取两部分空气为系统，由题意可得：

混合后，m=m1+m2=0.638kg，V=V1+V2=0.2m3 在绝热混合过程中，混合后的温度：

混合过程中熵的变化为

，

7

4、有两股空气，压力均为大气压力B=101325Pa，温度分别为40℃和0℃相对湿度均为40%，它们之间的干空气流量百分比依次为60%和40% 。求混合后的温度和相对湿度。设混合后的压力仍为大气压力。（h-d图见附表）（8分）

解：由已知，查焓湿图可得： d1＝19g/kg(a)，h1＝89kJ/kg(a) d2＝1.5g/kg(a)，h2＝4.0kJ/kg(a)

对于湿空气的绝热混合过程，建立热平衡和湿平衡方程

代入数据解得：dc＝12g/kg(a)，hc＝55kJ/kg(a) 再根据dc和hc查焓湿图得：

5、空气进入一渐缩喷管，进口空气的压力

。 ，温度

℃，流速

m/s，

；

喷管背压，若喷管出口截面积f2=100mm2。求（1）喷管出口的气流速度（2）喷管出口的质量流量。（8分）

解：空气为双原子气体，则临界压力

所以，渐缩喷管出口截面处的压力

出口流速：

出口的质量流量：

8

（三）

一． 填空题(每空1分,共8分)

1、 相互接触的物体，若它们处于热平衡，则它们的 温度 必相等。

2、 某工质在某过程种内能增加15KJ，对外作功15KJ，则此过程中工质与外界交换热量Q＝ 30 KJ。

3、 某种蒸气经历不可逆吸热过程后，其熵变ΔS 〉 0；过程的熵流Sf〉 0；过程的熵产Sg 〉 0

4、 在喷管中，双原子气体的临界压力比β＝_ 0.528 ___。

5、 对逆卡诺致冷循环，冷热源的温差越大，则致冷系数 越小 。 6、 当湿蒸汽的干度x＝0时， 工质全部为 饱和液体 。 二． 最佳选择题(6小题,每小题2分,共12分) 1、下列说法正确的是____C __。

（A）不可逆的热力过程是指工质热力过程逆过程无法恢复到初始状态的过程； （B）由于准静态过程都是微小偏离平衡状态的过程，故从本质上说属于可逆过程； （C）任何可逆过程都是准静态过程；

（D）平衡状态是系统的热力状态参数不随时间变化的状态。 2、卡诺循环在 T1 及 T2 两热源间工作，T1 ＝1273 K、T2 ＝293K，从热源 T1 放出每100 kJ热量中有___ B ____能够变成循环净功？

（A）－77 kJ； （B）77 kJ； （C）23 kJ； （D）－23 kJ。

3、适合于____C______。

（A）仅闭口系，可逆过程； （B）仅稳流系，理想气体； （C）仅闭口系，理想气体，可逆过程；

（D）闭口系或稳流系，理想气体，可逆过程。 4、某种理想气体，气体常数R＝ 0.277 kJ/(kg·K)，绝热指数k = 1.384，则cv＝___D ___。

（A）0.116 kJ/(kg·K)； （B）0.998 kJ/(kg·K)； （C）0.393 kJ/(kg·K)； （D）0.721 kJ/(kg·K)。 5、下列偏微分关系中，正确的是 C 。 （A）

； （B）

；

（C）； （D）。

6、湿空气在外界的总压力不变以及干球温度不变的条件下，湿球温度越低，其含湿量 B 。

（A）越大； （B）越小； （C）不变； （D）不确定。

三． 判断题(对的划√，错的划×。10小题，每小题1分,共10分)

1、混合气体中质量成分较大的组分，其摩尔成分也一定大。 (_×_) 2、系统经历一个不可逆过程后，无论如何都不能回到初态。 (_×_) 3、由于绝热压缩过程不与外界交换热量，故所消耗的技术功较等温过程小。 (_×_)

4、影响压气机容积效率的主要因素只是余隙容积的大小。 (_×_) 5、已知湿蒸汽的压力和温度就可以确定湿蒸汽的状态。 (_×_) 6、对比参数表明了工质所处的状态偏离其临界状态的程度。 (_√_)

9

7、绝热节流前后工质的焓不变，是一等焓过程。 (_×_) 8、湿空气的相对湿度愈大，则其水蒸气分压力也愈大。 (_×_) 9、过冷温度愈低，蒸汽压缩式致冷循环的致冷系数就愈低。 (_×_) 10、工质在管道内流动，管道的最小截面即为临界截面。 (_×_) 四． 简答题(5小题,每小题6分，共30分) 1、试先在p-v图和T-s图上画出以自点1出发的四种基本热力过程的过程曲线的位置，然后在图上画出自点1出发的多变系数n＝1.6的压缩过程，并判断q，w，Δu的正负（工质为空气）。 答：q>0, w<0，Δu>0

2、与理想气体方程pv=RT相对照，范得瓦尔方程中，和b的引入各代表什么意义？

答：与理想气体方程相对照，范得瓦尔方程引入b考虑分子本身体积的修正项。b表示气体分子体积影响的修正值。它的存在使气体分子自由运动空间减小为（v-b）。引入考虑分子间相互作用力的修正项。由于分子间吸引力的作用使分子作用于壁面的压力减小，压力的减小正比于气体密度的平方，此外还与分子类型有关。以a表示分子间作用力强弱的特性常数，则压力减小量为：。

3、门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门降低室内温度的目的，你认为这种想法可行吗？请以门窗紧闭的房间为系统，利用热力学第一定律进行分析。

答：这种想法不可行的。根据热力学第一定律，选择房间为闭口系统，因为门窗紧闭，固可认为与外界之间没有热量交换，是绝热闭口系。由Q=ΔU+W,Q＝0，电冰箱工作消耗电功，W<0,可以得到ΔU>0。可见，在打开电冰箱后，房间内的空气温度最终会上升，因此通过敞开冰箱大门降低室内温度的想法是不可行的。

4、已知湿空气的温度t和相对湿度φ。试说明根据已知条件计算求解该湿空气露点的方法。

答：根据湿空气的温度t，查饱和水蒸气表求得该温度下的饱和压力ps，根据pv＝φ·ps求得水蒸气分压力pv，然后查饱和水蒸气表求得该压力下的饱和温度即为该湿空气的露点温度td。

5、气体在喷管中流动，欲使超音速气流加速应采用什么形式的喷管？为什么？

答：气体在喷管中流动，则流速增大，即dc>0。气体在喷管中以超音速流动，则马赫数M>1。由管道截面变化与气流速度的变化关系式df>0，即选用渐扩喷管。

10

可知：该喷管截面变化

五． 计算题(4小题,共40分)

1、有一绝热刚性容器，有隔板将它分成A、B两部分，开始时，A中盛有

的空气，B中盛有

，

的空气。求打开隔板后两容器达到平衡时的温度和压力。（8分）

解：取A与B容器中的气体为系统，为闭口系统。由热力学第一定律Q=ΔU+W。由题意可知Q=0，W=0，故：ΔU＝0 即：ΔUA+ΔUB＝0

设空气终态温度为T，空气比热为定值。则有：

而

，

代入上式可得：

终态压力

2、绝热封闭容器中装有空气0.8kg，初温T1=300K，现通过叶轮搅拌由外界输入功30kJ，终态变为2。求容器中空气的熵变化及熵流和熵产。已知：cp = 1.005kJ /(kg·K)，cv =0.718kJ/(kg·K)。（10分）

解：以绝热封闭容器中空气为系统，由热力学第一定律可得：Q=ΔU+W。 由题意可知Q=0，故：ΔU＝-W 即：

0.8×0.718×(T2-300)=-(-30) 解得：T2=352.23K 空气的熵变为：

熵流为：由

，所以空气的熵产为：

11

3、某蒸汽压缩式制冷机，用氨作致冷剂。致冷量为105kJ/h。冷凝器出口氨饱和液的温度为300K，压力为1.06MPa；节流后温度为260K，压力为0.255 MPa。经查表得：h1＝1570kJ/kg，h2＝1770 kJ/kg，h3=450 kJ/kg。试求：

（1）每千克氨的吸热量；（2）氨的质量流量；（3）压气机消耗的功率；（4）冷却水带走的热量；（5）致冷系数；（6）相同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数。（12分）

解：（1）每千克氨的吸热量：

q2＝h1-h4＝1570-450＝1120（kJ/kg） （2）氨的质量流量：

（3）压气机消耗的功率：

（4）冷却水带走的热量为：

（5）致冷系数为：

（6）逆向卡诺循环的致冷系数

4、空调系统将温度为5℃，相对湿度为40％的室外空气加热至25℃；然后，在保持空气温度不变的同时，向空气流中喷入压力为400kPa的水蒸气，从而将最终的相对湿度又提高至40％。已知：B＝101325Pa。问：（1）如果室外空气进入空调系统时的体积流量为60m3/min，求加热空气所需的热流量，（2）计算喷入水蒸气的流量。（10分）（h-d图见附表）

解：由，从h-d图查得：h1＝11 kJ/kg(a)，d1＝2.2 g/kg(a) 将室外空气加热至t2＝25℃，可知；d2＝d1，从h-d图查得：h2＝31 kJ/kg(a) 向空气流中喷入水蒸气后，因温度保持不变，

从h-d图查得：h3＝45.5 kJ/kg(a)，d3＝8 g/kg(a) 室外空气的质量流量：

则干空气的质量流量：

加热空气所需的热流量： 喷入水蒸气的流量:

，

12

（四）

一． 填空题(每空1分,共8分)

1、系统与外界之间没有任何 物质 和 能量 交换的系统，称为孤立系统。 2、方程式 q=Δh+wt适用于__一切__气体，__稳态稳流__过程。

3、在最高温度与最低温度相同的所有循环中，以 卡诺 循环的热效率为最高。 4、 温度 是判断热力系是否达到热平衡的依据。

5、湿空气加热过程的特征是湿空气的 含湿量 不变。 6、在喷管中，双原子气体的临界压力比为___0.528___。 二． 最佳选择题(6小题,每小题2分,共12分) 1、下列参数中属于过程量的是___C___。

（A）温度； （B）熵； （C）热量； （D）焓。

2、理想气体在一个带活塞的气缸中膨胀，容器绝热，可以忽略热传递，则气体的温度 A 。

（A）减少； （B）保持不变； （C）增加； （D）无法确定。

3、对于水蒸气定压发生过程可分为三个阶段，下列选项中错误的是：___B___。 （A）未饱和水的定压预热过程； （B）未饱和水的定压汽化过程； （C）饱和水的定压汽化过程。 （D）水蒸气的定压过热过程。

4、在暖房温度和环境温度一定的条件下，冬天用热泵取暖和用电炉取暖相比，从热力学观点看 A 。

（A）热泵取暖合理； （B）电炉取暖合理； （C）二者效果一样； （D）无法确定。 5、对比态状态方程的形式是 D 。 （A）F(pr,Tr,z)=0； （B）

（C）； （D）F(pr,Tr,vr)=0。

6、以空气为工质所进行的某过程中，加热量的一半转变为功，则该过程的多变指数n为 D

（A）1.8； （B）1.6； （C）1.3； （D）0.6。

三． 判断题(10小题,每小题1分,共10分)

1、理想气体绝热节流后温度下降。 (_×_) 2、可逆过程一定是准静态过程 (_√_) 3、理想气体的

与状态无关。 (_×_)

4、关系式是正确的。 (_√_) 5、孤立系统的熵可以变大，可以不变，但决不会减少。 (_√_) 6、内能(U)是状态量。 (_√_) 7、对比参数表明了工质所处的状态偏离其临界状态的程度。 (_√_) 8、通用气体常数与气体种类无关。 (_√_) 9、温度相同的空气和氧气，其音速也相同。 (_×_)

13

10、热泵的工作循环为正向循环。 (_×_)

四． 简答题(5小题,每小题6分,共30分)

1、 “对刚性容器中的水搅拌，使其在恒温下蒸发”。请判断该过程是否可逆，说明理由。

答：该过程是不可逆过程。因为对刚性容器中的水搅拌，机械功转变为热能，存在耗散效应，因而是不可逆过程。

将p-v图表示的循环，如图所示，表示在T－s图上。图中：2-3， 5-1，为定容过程；1-2，4-5为定熵过程；3-4为定压过程。

2、 对未饱和空气，湿球温度、干球温度及露点温度三者哪个大？哪个小？对于饱和空气，三者的大小将如何？

答：对未饱和空气，干球温度>湿球温度>露点温度 对饱和空气，干球温度=湿球温度=露点温度

3、 右图为蒸气压缩制冷循环的T-s图，试指出进行各热力过程相应设备的名称，并写出制冷量q2和制冷系数ε的计算式。 答：1-2过程的设备为压缩机， 2-3过程的设备为冷凝器， 3-4过程的设备为膨胀阀， 4-1过程的设备为蒸发器。

4、 为什么工质流经渐缩喷管时，其出口速度不能超过当地音速？

答：气体流经渐缩喷管时，dc>0，df<0。而由管道截面变化与气流速度的变化遵循关系式。若出口速度超过当地音速，则马赫数M>1，则上述关系式不成立。因此，出口速度不能超过当地音速。

五． 计算题(4小题,每小题10分,共40分)

1、具有1kg空气的闭口系统，其初态容积为V1，终态容积为V2（V2＝10 V1），当初态和终态温度均为T时，当分别经过（a）可逆定温膨胀；（b）向真空自由膨胀时，求该闭口系统对外所作的功和熵变。 解：1.可逆定温膨胀：

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2. 向真空自由膨胀:

由于终态确定，熵的变化就确定，不论是否可逆，可用可逆定温过程来计算熵变。即：

2、某一动力循环工作于温度为1000K及300K的热源与冷源之间，循环过程为1-2-3-1。其中1-2为定压吸热过程，2-3为可逆绝热膨胀过程，3-1为定温放热过程。点1的参数是，点2的参数是cp=1.01 kJ/（kg·K）。求循环热效率及净功。 解：2-3为可逆绝热膨胀过程，则点3的压力：

。如循环中是1kg的空气，其

吸热量：放热量：

循环热

效率：

循环净功：

3、有两股空气，压力均为大气压力B=101325Pa，温度分别为40℃和0℃相对湿度均为40%，它们之间的干空气流量百分比依次为60%和40% 。求混合后的温度和相对湿度。设混合后的压力仍为大气压力。（h-d图见附表）

解：由已知，查焓湿图可得： d1＝19g/kg(a)，h1＝89kJ/kg(a) d2＝1.5g/kg(a)，h2＝4.0kJ/kg(a)

对于湿空气的绝热混合过程，建立热平衡和湿平衡方程

代入数据解得：dc＝12g/kg(a)，hc＝55kJ/kg(a) 再根据dc和hc查焓湿图得：

4、空气进入一渐缩喷管，进口空气的压力

。 ，温度

℃，流速

m/s，

；

喷管背压，若喷管出口截面积f2=100mm2。求（1）喷管出口的气流速度（2）喷管出口的质量流量。

解：空气为双原子气体，则临界压力

所以，渐缩喷管出口截面处的压力

15

16

出口流速：

出口的质量流量：

（五）

一、简答题(每小题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??答： Ex,q?500??1???303.95kJ

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、热机和功源四个子系统构成的孤立系统熵增?Siso?0 。假设功源的熵变△SW =0。 证明：四个子系统构成的孤立系统熵增为 （1分） ?Siso??ST1??ST2??SR??SW

对热机循环子系统： ? 0 1分 S R ?

?QQ?SISO?1?2?0?0 1分

T1T2

根据卡诺定理及推论： QT1分 ?t??t,C?1?2?1?2 Q1T1则： S iso ? 0 。1分 ? 隔板 4. 刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空

A B 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，并简述自由膨胀 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）

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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

，

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：?R?T2qT?2?2，当q2不变，?T?时，w?、?R?。即在同样q2下(说T1?T2w?T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??u?w，因过程的初、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相比，可逆过程的过程功亦较大。（2分）

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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。

pT11v(1)n???(1)sn???n=0

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

s

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是不可逆的，上述各量是否相同？(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，热力学能和焓变化量相同

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T2T2v22pT=const11smnkgs

三、计算题：（共50分）

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??60p1V95?103340???6.294(kg4/s) m?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

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N2 2 kg 0.07MPa 67℃

N2 8 kg 0.1 MPa 17 ℃

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和B的容积分别为

VA?VB?mARgTA1PA1mBRgTB1PB12?297?340?2.8851 m3 60.07?108?297?2903（4分） ??6.8904 m60.1?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）

终态时的气体压力

P2?mRgT2V?10?297?313?0.0951 MPa（2分）

9.7755⑵按题给，系统不对外作功，有

Q??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(cplnT2P273?400.0951?Rgln2)?2?(1.039ln?0.297ln)?0.7538 kJ/K TBPB273?170.1全部氮气的熵变

?S??SA??SB??0.3540?0.7538?0.3998 kJ/K（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，假定容器内壁与水之间也是绝热的，且水的比热容为定值，取c?4.187kJ/(kg?K)，环境温度为17 ℃。求混合过程导致的可用能损失？（16分） 解：以绝热熔器内水为研究对象，由其能量方程可得

m1cT1?m2cT2?(m1?m2)cT 可得

T?m1T1?m2T2100?303?200?353??336.33Km1?m2100?200

水的混合过程的熵变为

?S?Sf?Sg

由于绝热Sf?0

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Sg??S?m1cln?100?4.187lnTT?m2clnT1T2336.33336.33?200?4.187ln?3.186(kJ/K)303353

混合过程的做功能力的损失为 I?T0Sg?290?3.186?923.94(kJ)

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