工程热力学习题答案解析
工程热力学习题集答案一、填空题
1．常规新
2．能量物质
3．强度量
4．54KPa
5．准平衡耗散
6．干饱和蒸汽过热蒸汽
7．高多
8．等于零
9．与外界热交换
10．7
2g R
11．一次二次12．热量
13．两
14．173KPa 15．系统和外界16．定温绝热可逆17．小大
18．小于零
19．不可逆因素
20．7
2g R
21、（压力）、（温度 ）、（体积）。 22、（单值）。
23、（系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零）。 24、（熵产）。
25、（两个可逆定温和两个可逆绝热） 26、（方向）、（限度）、（条件）。 31.孤立系； 32.开尔文(K)；
33.－w s =h 2－h 1 或 －w t =h 2－h 1
34.小于
35. 2
2
1
t 0
t t C
C
>
36.
∑=ω
ωn
1
i i
i
i
i M /M /
37.热量 38.65.29% 39.环境 40.增压比
41.孤立
42热力学能、宏观动能、重力位能 43.650 44.c v (T 2－T 1) 45.c n ln
1
2
T T
46.22.12
47.当地音速
48.环境温度
49.多级压缩、中间冷却 50.0与1 51.（物质） 52.（绝对压力）。
53.（q=(h 2-h 1)+(C 22
-C 12
)/2+g(Z 2-Z 1)+w S ）。 54.（温度） 55. (0.657)kJ/kgK 。 56. (定熵线) 57.（逆向循环）。
58.（两个可逆定温过程和两个可逆绝热过程） 59.（预热阶段、汽化阶段、过热阶段）。 60.（增大）
二、单项选择题
1.C
2.D
3.D
4.A
5.C
6.B
7.A
8.A
9.C 10.B 11.A 12.B 13.B 14.B 15.D
16.B 17.A 18.B 19.B 20.C 21.C 22.C 23.A
三、判断题
1．√2．√3．?4．√5．?6．?7．?8．?9．?10．?
11．?12．?13．?14．√15．?16．?17．?18．√19．√20．√21.（×）22.（√）23.（×）24.（×）25.（√）26.（×）27.（√）28.（√）
29.（×）30.（√）
四、简答题
1.它们共同处都是在无限小势差作用下，非常缓慢地进行，由无限接近平衡状态的状态
组成的过程。
它们的区别在于准平衡过程不排斥摩擦能量损耗现象的存在，可逆过程不会产生任何能量的损耗。
一个可逆过程一定是一个准平衡过程，没有摩擦的准平衡过程就是可逆过程。
2.1kg气体:pv=R r T mkg气体:pV=mR r T
1kmol气体：pV m=RT nkmol气体：pV=nRT
R r是气体常数与物性有关，R是摩尔气体常数与物性无关。
3.干饱和蒸汽：x=1,p=p s t=t s
v=v″,h=h″s=s″
湿饱和蒸汽：0 v′ 4.流速为当地音速(Ma=1)时的状态称为流体的临界状态。 流体临界状态的压力(临界压力)与其滞止压力的比值，称为临界压力比。 理想气体的临界压力比只与气体的物性有关(或比热比k有关) 5.汽耗率是每作1kw ·h 功(每发1度电)的新蒸汽耗量(汽耗量)。 热耗率是每作1kw ·h 功(每发1度电)的耗热量。 热耗率与热效率是直接关联的，热耗率越高，热效率就越低； 而汽耗率与热效率就没有这种对应关系，汽耗率低不一定热效率高，汽耗率高也不一 定热效率低。 6.平衡态是指热力系的宏观性质不随时间变化的状态。稳定态是指热力系的状态不随时间而变化的状态。平衡必然稳定，稳定未必平衡。 7.前者：闭口系、任意工质、任意过程 后者：闭口系、理想气体、可逆过程 8.轮胎内气体压力为P= V MR , T V MR r r 为常数，当T 升高时P 随之升高，容易引起爆破。 9.可以选择相同初、终状态间可逆过程熵的变化来计算。 10.在工程实际中，常引用“速度系数”φ、“喷管效率”η和“能量损失系数”ξ来表示因摩擦对喷管流动的影响。三者之间的关系为：ξ=1－φ2=1－η 11.略 12. 热力学第一定律的实质是什么？并写出热力学第一定律的两个基本表达式。答：热力学 第一定律的实质是能量转换与守恒原理。热力学第一定律的两个基本表达式为：q=Δu+w ；q=Δh+w t 13. 热力学第二定律的实质是什么？并写出熵增原理的数学表达式。答：热力学第二定律的 实质是能量贬值原理。熵增原理的数学表达式为：dS iso ≥0 。 14. 什么是可逆过程？实施可逆过程的条件是什么？ 答：可逆过程为系统与外界能够同时 恢复到原态的热力过程。实施可逆过程的条件是推动过程进行的势差为无穷小，而且无功的耗散。 五、名词解释 1.热力系储存能包括：热力学能、宏观动能和重力位能。 2.对于c －t 图上曲边梯形面积，由微积分中值定理知，必然存在－ξ值使得曲边梯形面积与一矩形面积相等，这个ξ值在c －t 图上就是平均质量热容的概念。 3.不可逆过程中，不可逆因素引起的熵的变化称为熵产。 4.所谓稳定流动，是指流体流经管道中任意点的热力状态参数及流速等均不随时间而变化的流动过程。 5.湿空气的焓值等于干空气的焓值与水蒸气的焓值之和。 六、分析题 1、解：（方法一） 过b 、c 分别作等温线，因为c b T T >，故c b u u > ab b a ac c a u u u u u u ?=->?=-即 （方法二）考虑过程b -c c b q u w u u w =?+=-+ 0c b q v v w =>> c b u u >，ac ab u u ?>? 2、 解： 因为：w u q +?= 1-3：131n k -<<，且313S T T >1及 >0,<0u q ? 所以<0w 边压缩边放热 1-2：122121T 所以有>0w 边膨胀边放热 ()1 2 g 1g 2121 1d 111n n R T R p w p v T T n p n -?? ????== =-=- ???--?????? ? 1-4： 1441410n T T S S ->>-∞>>且及 >0,>0u q ? ()14>01 g R w T T n = -- 边膨胀边吸热 1-5：151n k -<<5151且T <0,>0,>0u q w ? 边膨胀边吸热边降温 3、请问一下几种说法正确吗？为什么？ （1）熵增大的过程必为不可逆过程； 答：不正确。熵增大的过程不一定为不可逆过程，因为熵增大包括熵流和熵产两部分，如果熵流大于0，而熵产为0的可逆过程，上仍然是增大的。 （2）熵产0g S >的过程必为不可逆过程。 答：正确。熵产是由于热力过程中的不可逆因素导致的，因此当熵产0g S >，则此过程必定为不可逆过程。 4、某循环在700K 的热源及400K 的冷源之间工作，如图3所示。 （1）用克劳修斯积分不等式判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆? （2）用卡诺定理判别循环是热机循环还是制冷循环，可逆还是不可逆? 解： 方法1： 设为热机循环 1212δ14000kJ 4000kJ 10kJ/K 0700K 400K r r r Q Q Q T T T =-=-=>? 不可能 设为制冷循环： 1212δ14000kJ 4000kJ 10kJ/K 700K 400K r r r Q Q Q T T T =-+=-+=-? 符合克氏不等式，所以是不可逆制冷循环 方法2： 设为热机循环 C 400K 110.4286700K L h T T η=-=-= net 110000kJ 0.712614000kJ t W Q η= == C t ηη>不可能 设为制冷循环 0400K 1.33700K 400K c c c T T T ε= ==-- 2net 4000kJ 0.410000kJ Q w ε= == 图3 c εε 七、计算题 1．解： （1）1900098.669098.66p kPa =+= 298.6695.06 3.6p kPa =-= （2）取汽轮机汽缸内壁和蒸汽进、出口为系统，则系统为稳定流动系统，能量方程为 sh w z g c h q +?+?+?=221 36.310/400000.1575/q kJ kg =?= 进、出口的动能差和位能差忽略不计，则 sh w q h =-?0.1575(22403440)=---1200≈(kJ/kg) （3）汽轮机功率 3 440101200 1.33103600 m sh P q w ?== ?=?(kW) （4）222311 (14060)108/22 sh w c kJ kg -?=?=?-?= 80.67%1200 sh k sh w w ε?= == 2．解： ()c c c c m Q m c t t =- ()w w w m w Q m c t t =- c w Q Q = ()c c c m m c t t -()w w m w m c t t =- 代入数据解得：32.48m t =℃ 32.48273 ln 6 4.187ln 1.23/18273m m w w T T w w m w w w T T w m c dT T Q S m c kJ K T T T δ+?====??=+?? 32.48273 ln 0.80.47ln 0.54/1000273m m c c T T c c m c c c T T c m c dT T Q S m c kJ K T T T δ+?====??=-+? ? 1.230.540.69/g w c S S S kJ K ?=?+?=-= 3、 解： （1）画出各过程的p-v 图及T-s 图 （2）先求各状态参数 ()113 15500mol 8.314J/(mol K)27325K 2m 6.1939310Pa 6.11atm nRT p V ???+== =?= 1 1.6711.67 22111MPa 298K 144.26K 6.11MPa p T T p κκ --???? ==?= ? ? ?? ?? 1 11.67 331212 6.11MPa 2m 5.906m 1MPa p V V p κ ????==?= ? ? ???? 33231144.26K 2m T T V V ==== 33 500mol 8.314J/(mol K)144.26K 299855Pa 2m p ???= = 等温过程 ：热量=膨胀功=技术功 3122323232 3 3 ln 2m 500mol 8.314J/(mol K)144.26K ln 5.906m 649.4kJ T V Q Q Q Q W nRT V ----=+====????=- 所以，放热 ()()()()12231223 3122 ln 500mol 3 4.1868J/(mol K)298144.26K 649.4kJ 316.12kJ T Vm W W W U U W V nC T T nRT V ---=+=-+=-+=????-+-= 131313 649.4kJ 316.62kJ 965.52kJ U Q W ---?=-=--=- ()() ()13313965.52kJ 299.855619.393kPa 2m 1604.6kJ pm H nC T T U pV -?=-=?+?=-+-?= 3313 11ln ln 144.26K 500mol 3 4.1868J/(mol K)ln 298K 4.56kJ/K Vm T V S n C R T V -???=+?? ? ?=????=- 4．解：根据能量方程有 111Q U W =?+ 222Q U W =?+ 12U U ?=-? 1122Q W W Q ∴-=- 2121W Q Q W =+- 2121862628W Q Q W =+-=-+-=-(kJ) 5．解： （1）20273 1172.7%800273 L c H T T η+=-=-=+ （2）000.727100012.12()606060 c H W Q P kW η?= === （3）(1)1000(10.727)273L H c Q Q kJ η=-=?-= 6．解 31 3 216 10.28710(35273)0.442/0.210 g R T v v m kg p ??+====? 221 1(180273)0.20.294(35273) T p p MPa T +==?=+ 21()0.717(18035)103.97/V q c t t kJ kg =-=?-= 0=w 63112()0.442(0.20.294)101041.5/t w v p p kJ kg -=-=?-??=- 21() 1.004(18035)145.6/p h c t t kJ kg ?=-=?-= 7、解： 缸内气体为热力系-闭口系。突然取走90kg 负载，气体失去平衡，振荡后最终建立新的平衡。虽不计摩擦，但由于非准静态，故过程不可逆。但可以应用第一定律解析式。由于缸壁充分导热，所以缸内的气体在热力变化过程中的温度是不变的。 首先计算状态1和状态2的基本参数， 11F 205 771133.32981000.3039MPa A 100 b P P =+=?+?= 6331100101010V A h m --=?=??= 21T T = 6432()()10010(10)10V A h h h h h m --=?+?=+???=+?? 22F 20590 771133.32981000.2156MPa A 100 b P P -=+ =?+?= (1) 求活塞上升的高度： 过程中质量不变，且等于 11 221212 g g PV PV m m R T R T = == 341 2120.303910(10)100.2156 P V V h P --= =?=+?? 4.1 cm h ?= （2）气体在过程中作的功 根据热力学第一定律，Q U W =?+， 以及122211U U U m u m u ?=-=- 由于{}{}21/,KJ Kg k m m u T ==且T 1=T 2，0u ?= 由于不计摩擦气体所做的功，W 分为两部分： 1W 位克服大气所做的功；2W 位活塞位能的增加量 则2 2(20590)9.81 4.110 46.25p W E mgh J -=?==-???= 421771133.3210010 4.11042.14b W P A h J --=??=?????= 1246.2542.1488.4W W W J ?=+=+= 或者，6422 20.215610Pa 10010m 4.110m 88.4W p A H J --=?=?????= 8.解： （1）1到2是可逆多变过程，对初，终态用理想气体状态方程式有 ()()g 13 16 1g 23 26 2 287J/(kg K)1300273K 0.05643m /kg 810Pa 287J/(kg K)400273K 0.48288m /kg 0.410Pa R T v p R T v p ??+===???+= = =? 所以多变指数 661233 21ln(/)ln(810Pa/0.410MPa) 1.395ln(/)ln(0.48288m /kg /0.05643m /kg) p p n v v ??=== （2）多变过程的膨胀功 ()()12287J/(kg K) 1573673K 653.92kJ/kg 1 1.3951 g R w T T n ?= -= -=-- （3）多变过程的热量 ()()210.716kJ/(kg K)6731573K 653.92kJ/kg 9.52kJ/kg 0 V q u w c T T w =?+=-+=??-+=> 故该可逆多变膨胀过程是吸热过程 9.c v = r R 1k 1-= 1 35.1430 -=1229J/(kg ·k) W=0 △U=mc v (T 2－T 1)=2.26×1.229×(591－477)=317kJ Q=△U=317kJ △S=mc v ln 12T T =2.26×1.229×ln 477 591 =0.595kJ/K 10.ΔS g = 273 15001000 2735001000+- + =0.73kJ/K E x1=T 0·ΔS g =(273+25)×0.73 =217.5kJ 11. 12p p =7 .015.0=0.214<0.528 为缩放型喷管。 T 2=T 1(k 1k 1 2) p p -=1073×(4 .114.1)7 .015 .0-=691K c 2=)T T (c 221p -=)6911073(10042-??=876m/s M 2= 22a c =691 2874.1876?? 1.66 12.Q=mR r Tln 21P P =1.5×0.287×328×ln KJ 1.721015.01025.06 6 =?? W=mR r Tln 2 1 P P =Q=72.1KJ △U=mC v (T 2－T 1)=0 △H=mC p (T 2－T 1)=0 13.(1)P °=P 1=1.5×106Pa,V °=V 1=0.065m 3/kg 则T °=K 7.339287 065 .0105.1R V P 6r =??=?? V 2=V °kg /m 102.0108.010 5.1065.0) P P (34 .11 66 K 12 =? ?? ? ?????=? T 2=K 3.284287 102 .0108.0R V P 6r 22=??= (2)V C2= s /m 6.333)3.2847.339(2871 4.14 .12)T T (R 1K K 22r =-??-?=-?- 14.每小时排气的放热量Q p : Q p =mC p (T 0－T 1)=3600×1.2×1.021×(－576+283)=－1292341KJ/h 此热量中的有效能Q a : Q a =]T T ln T )T T [(mC dT )T T 1(mC Q )T T 1(m 0010p 0T T p 0 T T 0 10 1--=- =δ- ? ? =3600×1.2×1.021×［(283－576)－283ln 576 283 ］=－405345.2KJ/h 此热量中的无效能Q u : Q u=Q p －Q a =－1292341－(－405345.2)=－886995.8KJ/h 15.ΔS g = 273 15001000 2735001000+- + =0.73kJ/K E x1=T 0·ΔS g =(273+25)×0.73 =217.5kJ 16.Q=mR r Tln 21P P =1.5×0.287×328×ln KJ 1.721015.01025.06 6 =?? W=mR r Tln 2 1 P P =Q=72.1KJ △U=mC v (T 2－T 1)=0 △H=mC p (T 2－T 1)=0 17.解： （1）1900098.669098.66p kPa =+= 298.6695.06 3.6p kPa =-= （2）取汽轮机汽缸内壁和蒸汽进、出口为系统，则系统为稳定流动系统，能量方程为 sh w z g c h q +?+?+?=221 36.310/400000.1575/q kJ kg =?= 进、出口的动能差和位能差忽略不计，则 sh w q h =-?0.1575(22403440)=---1200≈(kJ/kg) （3）汽轮机功率 3 440101200 1.33103600 m sh P q w ?== ?=?(kW) （4）222311 (14060)108/22 sh w c kJ kg -?= ?=?-?= 8 0.67%1200 sh k sh w w ε?= == 18. 19. 20.