工程热力学期末试题及答案第五版建环专业适用Word文档格式.docx
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W=0。
证明:
四个子系统构成的孤立系统熵增为
(1分
对热机循环子系统:
1分1分
根据卡诺定理及推论:
1
4.A中存有高压空气,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,并简述为什么。
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
开口系一般能量方程表达式为
自由膨胀
12isoTTRSSSSS∆=∆+∆+∆+∆W
1212
00ISOQQSTT-∆=
+++R0S∆=iso0
S∆=
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。
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:
T
wqTTTR
∆==-=
2
2212ε,当
2q不变,T∆↑时,↑w、↓Rε。
即在同样2q下(说明
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
rT。
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。
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gfsss
+=∆,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,wuq
+∆=,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。
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。
pv
s
(1
kn>
;
(2kn<
<
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。
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
三、计算题:
(共50分
1.压气机在95kPa、25℃的状态下稳定地以340m3/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0.025m2,排出的压缩空气的参数为200kPa、120℃。
压气机的散热量为60kJ/min。
已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg.K,比定热容cV=0.717kJ/(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
02(2(22
212
11=++-+++-∙∙∙
∙
mgzchmgzchWQsh
即
∙∙∙
++-+++=mgzchmgzchQWsh
2(2(22
21211(a
其中:
/(100060
10603
sJQ-=⨯-
=∙
/(2944.660
34025273(2871095311skgTRVpmg=⨯+⨯⨯==∙
m
zsmc0/01=∆≈
/(0.9538025120(717273(/(99.141025
.010200120273(2872944.6123222222sJTchhhsmApTmRAmcpg=-⨯+=∆=-=∆=⨯⨯+⨯⨯===
ρ将以上数据代入式(a,可得压气机所消耗的功率为:
/(10648.62
99.1410.95380(2944.6100052
sJWsh⨯-=--⨯+-=∙
2.在高温环境中有一容器,A侧装有2kg氮气,压力为0.07MPa,温度为67℃;
B侧装有8kg氮气,压力为0.1MPa,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=297J/(kg·
K,过程中的平均定容比热容cv=0.742kJ/(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
3
6
1A1AgAAm8851.21007.03402972=⨯⨯⨯=
=PTRmV36
B1
BgBBm8904.6101.02902978=⨯⨯⨯==
PTRmV(4分取A+B中的气体为系统(CM,
N28kg0.1MPa17℃
N2
2kg0.07MPa67℃
m=mA+mB=2+8=10kg
V=VA+VB=2.8851+6.8904=9.7755m3(2分
终态时的气体压力
MPa0951.07755
.9313
297102
g2=⨯⨯=
=
V
TmRP(2分
⑵按题给,系统不对外作功,有
kJ
46.96222646.232229083402(742.0313742.010
(B1BA1Av2v=-=⨯+⨯⨯-⨯⨯=+-=∆=TmTmcTmcUQ(5分⑶原在A中的氮气熵变(2分
kJ/K3540.007
.00951.0297ln.06727340273039ln.1(2PPlnRTTln
c(mSA2gA2pAA-=-++⨯=-=∆原在B中的氮气熵变(2分
kJ/K7538.01
.00951.0297ln.01727340273039ln.1(2PPlnRTTln
c(mSB2gB2pBB=-++⨯=-=∆全部氮气的熵变
kJ/K3998.07538.03540.0SSSBA=+-=∆+∆=∆(1分
3.将100kg温度为30℃的水与200kg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KkJ/(kg187.4⋅=c,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
cTmmcTmcTm(212211+=+
可得
K
mmTmTmT33.336200100353
200303100212211=+⨯+⨯=++=
水的混合过程的熵变为
gfSSS+=∆
由于绝热0=fS
/(186.3353
33
.336ln187.420030333.336ln
187.4100lnln2
211KkJTT
cmTTcmSSg=⨯+⨯=+=∆=
混合过程的做功能力的损失为
(94.923186.32900kJSTIg=⨯==
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