工程热力学期末复习题答案.docx
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工程热力学期末复习题答案
江苏科技大学
《工程热力学》练习题参考答案
第一单元
一、判断正误并说明理由：
1.给理想气体加热，其热力学能总是增加的。
错。
理想气体的热力学能是温度的单值函数，如果理想气体是定温吸热，那么其
热力学能不变。
1.测量容器中气体压力的压力表读数发生变化一定是气体热力状态发生了变
化。
错。
压力表读数等于容器中气体的压力加上大气压力。
所以压力表读数发生变化
可以是气体的发生了变化，也可以是大气压力发生了变化。
2.在开口系统中，当进、出口截面状态参数不变时，而单位时间内流入与流出
的质量相等，单位时间内交换的热量与功量不变，则该系统处在平衡状态。
错。
系统处在稳定状态，而平衡状态要求在没有外界影响的前提下，系统在长时
间内不发生任何变化。
3.热力系统经过任意可逆过程后，终态B的比容为vB大于初态A的比容vA，外
界一定获得了技术功。
错。
外界获得的技术功可以是正，、零或负。
4.在朗肯循环基础上实行再热，可以提高循环热效率。
错。
在郎肯循环基础上实行再热的主要好处是可以提高乏汽的干度，如果中间压
力选的过低，会使热效率降低。
6．水蒸汽的定温过程中，加入的热量等于膨胀功。
错。
因为水蒸汽的热力学能不是温度的单值函数，所以水蒸汽的定温过程中，加
入的热量并不是全部用与膨胀做功，还使水蒸汽的热力学能增加。
7．余隙容积是必需的但又是有害的，设计压气机的时候应尽可能降低余隙比。
对。
余隙容积的存在降低了容积效率，避免了活塞和气门缸头的碰撞，保证了设备正常运转，设计压气机的时候应尽可能降低余容比。
8．内燃机定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高。
错。
在循环增压比相同吸热量相同的情况下，定容加热理想循环热效率比混合加
热理想循环热效率高；但是在循环最高压力和最高温度相同时，定容加热理想循环热效率比
混合加热理想循环热效率低。
9．不可逆过程工质的熵总是增加的，而可逆过程工质的熵总是不变的。
错。
熵是状态参数，工质熵的变化量仅与初始和终了状态相关，而与过程可逆不
可逆无关。
10．已知湿空气的压力和温度，就可以确定其状态。
错。
湿空气是干空气与水蒸汽的混合物，据状态公理，确定湿空气的状态需要三
1
个状态参数。
二、简答题：
1.热力学第二定律可否表示为：
机械能能完全转换为热能，而热能不能全部转
换为机械能。
不可以。
机械能可以无条件地转化为热能，热能在一定条件下也可能全部转化为机械能。
2.试画出蒸汽压缩制冷简单循环的T-s图，并指出各热力过程以及与过程相对
应的设备名称。
蒸汽压缩制冷简单循环的
T-s图.1-2为定熵压缩过程，在压缩机中进行；
2-3为定压冷凝过
程，在冷凝器中进行；
3-4是节流降压过程，在节流阀中进行；
4-1为定压蒸发过程，在蒸
发器中进行。
T
2
3
41
s
0
3.用蒸汽作循环工质，其放热过程为定温过程，而我们又常说定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低？
q2
T2
t
1
1
考察蒸汽动力循环和柴油机循环的热效率时，
根据热效率的定义
q1
T1知道，
热效率的大小与平均吸热温度和平均放热温度有关。
平均吸热温度越高，热效率越高。
蒸汽
动力循环由于受到工质和材料的限制，其平均吸热温度是
600℃左右；而柴油机循环的平均
吸热温度是1300℃左右，所以蒸汽动力循环反较柴油机循环的热效率低。
4.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？
压气机定温压缩与绝热压缩时所需要外界提供的功不一样，而需要外界提供的功等于压缩过
程的技术功，定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小，所以定温压缩反较绝热压缩更为经
济。
如p-v图所示的压缩过程，可以看出
p
定温压缩的技术功是
P1-1-2T-p2-p1的面积，
2T
2s
P2
绝热压缩的技术功是
P1-1-2s-p2-p1的面积。
2
P1
1
0
v
显然定温压缩的技术功比绝热压缩的技术功小。
三.计算题：
1.1kg氧气置于图所示的气缸内，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无摩擦。
初
始时氧气压力为0.5Mpa、温度为27℃。
如果气缸长度为2L，活塞质量为10kg，试计算拔除销钉后，活塞可能达到的最大速度。
氧气的比热容
cp0.918kJ/（kgK），k=1.395，Rg0.260kJ/（kgK）
p=0.5Mpa
t=27℃
p0=0.1Mpa
t0=27℃
l销钉
2l
解：
取气缸内的氧气为研究对象。
根据热力学第一定律QUW知道，加入系统的热量一部分用于增加系统的热力学
能，一部分用于对外做功。
根据题意：
活塞如果要达到最大速度，那么氧气膨胀过程中吸入的热量全部用于对外做功，所以氧气的热力学能不发生变化。
由于氧气可以看作理想气体，而理想气体的热力学能是温度的单值函数，所以氧气膨胀过程为可逆定温膨胀过程。
设环境温度为T0，环境压力为P0，氧气的质量为m，活塞的质量为M，活塞最大速度为Vmax。
氧气初始状态的压力为P1，温度为T1，容积为V1，氧气膨胀后的容积为V2，膨胀过程的膨胀功为W。
1MVmax2
WP0V
2
WRgT1lnV1
P1V1
mRgT1
VV2V1
V2
V2
2V1
所以有：
W
RgT1ln2
P0VRgT1/P1
代入数据：
1
2
RgT1ln2P0
RgT1
260
（273.1527）（ln20.2）
38484.7
2
10Vmax
p1
Vmax
87.73m/s
3
2.空气等熵流经一缩放喷管，进口截面上的压力和温度分别是
0.58Mpa、440K，
出口截面上的压力p20.14MPa。
已知喷管进口截面面积为
-3
2
2.6×10
m，空气
的质量流量为1.5kg/s，试求喷管喉部面积及出口截面的面积和出口流速。
空气
的比热容cp
1.005kJ/（kg
K），k=1.4，Rg0.287kJ/（kgK）
解：
根据题意知道，进口参数为p1
0.58MPa，T1440K。
出口截面上的压力
p2
0.14MPa。
喷管进口截面
A1面积2.6×10-3m2，空气的质量流量
Q为1.5kg/s。
q
A1cf,1
cf,1
125.61（m/s）
v1
v1
RgT1
287
440
0.2177（m
3
/kg）
p1
0.58
106
T0
c
2
f,1
T1
447.9K
2cp
k
p0
p1（T0）k1
0.617Mpa
T1
pcr
2
k
c
（
）k1
0.528
p0
k
1
pcr
0.528
p0
0.528
0.6170.32579（MPa）
T0（pcr
k1
1.4
1
Tcr
）k
447.9
（0.528）1.4
373.2（K）
p0
vcr
RgTcr
287
373.2
0.32876（m
3
/kg）
pcr
0.3257910
6
cf,cr
kRgTcr
1.4287373.2
387.2（m/s）
喷管喉部面积
Amin
Qvcr
1.50.32867
1.27310
3
（m
2
）
cf,cr
387.2
p2
k
1
0.14
T2
T0
）k
440（
（
）
p0
0.58
1.41
1.4293.18（K）
4
v2
Rg
T2
287
293.18
0.60103（m
3
/kg）
p2
0.14
106
出口流速
cf,2
2cp（T0
T2）
2
1005（447.9
293.18）557.7（m/s）
A2
Qv2
1.50.60103
1.616710
3
2
）
出口截面的面积
cf,2
557.7
（m
3.汽油机定容加热理想循环进气参数为
t127C,
p1
0.09MPa，若循环压缩
比16，定容增压比1.6。
假设工质是空气，比热可取定值，
cp1.005kJ/（kgK），Rg=287J/（kgK），
（1）画出循环p-v图及T-s图；
（2）求循
环的最高温度和最高压力；（3）计算循环的放热量、循环净功及循环的热效率。
解：
（1）pT
3
3
2
4
4
2
1
1
0
0
v
s
V1
16
V2
v1
V1
0.957（m
3
）
v1
0.957
3
m1
v2
0.0598（m
）
kg
16
kg
p2
p1（v1）k
p1
k
0.09
161.4
4.365（MPa）
v2
p3
p3
p2
1.6
4.365
6.984（MPa）
（2）
p2
v3
v20.0598（m3
kg
）
T2
p2v2
4.365
106
0.0598
909.5（K）
Rg
287
T3
p3v3
6.984
106
0.0598
1455.2（K）
Rg
287
5
T3、p3为循环的最高温度和压力
（3）
v4
v10.957（m3
）
kg
p4
（v3）k
p4
（v3）k
p3（v2）k
p301.44（MPa）
p3
v4
v4
v1
T4
p4v4
0.144
106
0.957
480.17（K）
Rg
287
q1
CV（T3
T2）
0.718
（1455.2
909.5）
391.8（kJ/kg）
q2
CV（T4
T1）
0.718
（480.17
300）129.36（kJ/kg）
q2
0.6698
t
1
q1
4.两个质量为m的比热容为定值的相同物体，处于同一温度T，将两物体作为制冷机的冷、热源，使热从一物体传出并交给另一物体，其结果是一个物体温度升
高，一个物体温度降低。
证明当被冷却物体温度降到T0（T0T）时所需最小功
2
Wminmc（TT02T）
T0
证明：
要使得整个系统完成这一过程所需功量最小，则必须有一可逆制冷机在此工作，保证所构成的孤立系统有
Si,s
0
所以有
Si,s
mcln
T0
mcln
Tt
0
得到
Tt
T2
T
T
式中Tt为另一物体在过
T0
程终了所具有的温度。
由于过程中冷源传出热量
Q2
mc（T
T0）
热源吸收热量
Q1mc（TtT）
所以有
WminQ1
Q2
mc（Tt
T）
mc（T
T0）
mc（Tt
T0
2T）
T2
T0
2T）
mc（
T0
6
第二单元
一、判断正误并说明理由：
1、稳定流动热力系必为平衡热力系;
错。
稳定状态的系统内部虽有确定的状态参数，但其是靠外界的影响来维持的。
2、技术功是流体的宏观动能，宏观位能及所作出的轴功三者之和定义的;
对。
技术功包括宏观动能，宏观位能及所作出的轴功。
3、物质经历一个定温变化过程以后，其热力学能变化位零;
错。
对任意一非理想气体来说，其热力学能都是內未能内位能与内动能之和，而温
度仅是内动能的表征。
4、使系统熵增加的过程一定是不可逆过程;
错。
过程的熵变包括熵产和熵流两部分，过程可逆与否主要看熵产是大于还是等于
零。
如果某一过程的熵增加，该过程可以是在熵产等于等于零的情况下，熵流大于零。
因此
这句话不正确。
5、在初压不变时，背压愈低，气体通过拉阀尔喷管出口截面上流速和流量都愈大;
错。
对缩放喷管来说，当背压降到临界压力时，气体流速达到音速。
若背压继续降低，气体流量保持不变。
6、1kg空气可以由p1=0.1MPa，t1=25℃被绝热压缩到p2=0.5MPa，t2=250℃;
对。
由scplnT2Rlnp21.004ln2732500.287ln0.50.1030
T1p1273250.1
7、在增压比相同的情况下，有余隙与无余隙的压气机在压缩1kg气体时耗功必相同;
对。
在增压比相同的情况下，有余隙与无余隙的压气机在压缩1kg气体时所耗循环
净功相等。
8、物质的气化潜热随着饱和温度的提高而增大;
错。
物质的气化潜热随着饱和温度的提高而减小。
9、逆卡诺循环的冷、热温差越大，则该循环的制冷系数越高;
错。
因为温差加大耗功也随之增大，所以说制冷系数不一定提高。
10、当把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终态时，则可逆定温压缩过程最为省
功.
对。
从p-v图中技术功的大小可以看出。
二、简答题：
1.如图所示，理想气体有两个任意过程a—b及a—c，b、c在同一条绝热线上，试问
uab与uac哪个大？
若b、c在同一条等温线上，结果又如何？
p
b
ac
ov
7
b、c在同一条绝热线上，
uab大于uac
若b、c在同一条等温线上，
uab等于uac
2、在T-s图上有两个定压线p1,p2，试比较p1,p2的大小。
T
P1
P2
0s
P2小于p1。
假设有一定熵过程1-2，可以看出
T1大于T2，所以系统做出技术功。
3、当工质为定值比热容的空气时，试问可逆定压过程中加入的热量有百分之多少转变成膨胀功？
由热力学第一定律第二表达式
qdh
，可逆定压过程中加入的热量
vdp
q
dh
cpdt。
由热力学第一定律第一表达式
q
du
w，膨胀功w
qdu。
将
q
dh
w
q
du
cpdtcvdt
cv
cpdt代入膨胀功的表达式，得到
q
cpdt
1
q
cp
三.计算题：
1.如图所示，已知气缸内空气p1=2×10
5Pa，弹簧刚度k=40kN/m，活塞直径D=0.4m，活塞重
可忽略不计，而且活塞与缸壁间无摩擦。
大气压力
p2=5×
5
10Pa。
求该过程弹簧的位移及气
Q
体作的膨胀功。
图3.4
.解：
以弹簧为系统，其受力τ=kL，弹簧的初始长度为
L1
1（p1p0）A
kk
8
（2
1）
105
4
0.42
40
=0.314m
103
弹簧位移
L（12）/k（p1p0）A/k
（5
2）
105
4
0.42
40
=0.942m
103
气体作的膨胀功原则上可利用可用功计算，但此时
p与V的函数关系不便确定，显
然，气体所作的膨胀功W应该等于压缩弹簧作的功W1加克服大气阻力作的功W2，因此若能求出W1与W2，则W也就可以确定。
2
L2
1
k（L22
L12）
W1
dL
kLdL
1
L1
2
1
40
[（0.314
0.942）2
0.3142]
2
29.58kJ
W2
p0AL
1105
0.42
0.942
118401
4
11.84kJ
W=W1+W2=29.58+11.84=41.42k
2.压气机空气由P1=100kPa，T1=400K，定温压缩到终态P2=1000kPa，过程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多25%。
求：
压缩每kg气体的总熵变。
解：
取压气机为控制体。
按可逆定温压缩消耗轴功：
WSO
RTlnv2
RTlnP1
0.287
400ln100
264.3kJ/kg
v1
P2
1000
实际消耗轴功：
WS1.25264.3
330.4
kJ/kg
由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：
WSh1qh2
因为理想气体定温过程：
h1=h2
故：
qWS330.4kJ/kg
孤立系统熵增：
SisoSsysSsur
稳态稳流：
Ssys0
9
S
S
S
q
P1
q
sur
2
Rln
1
T0
P2
T0
0.287ln
100
330.4
0.44kJ/kgk
1000
300
3.由不变气体源来的压力
p1
1.5MPa，温度T1
27oC的空气，流经一喷管进入压力保
持在pb
0.6MPa的某装置中，若流过喷管的流量为
3kg/s，来流速度可忽略不计，试设
计该喷管？
解;
①求滞止参数
因cf10，所以初始状态即可认为是滞止状态，则
p0p1,T0T127273300K
②选型
Pb
0.6MPa
0.4
cr
0.528
p0
1.5MPa
所以，为了使气体在喷管内实现完全膨胀，需选宿放喷管，则
p2pb0.6MPa。
③求临界截面及出口截面参数（状态参数及流速）
pcr
rcrp0
0.528
1.5MPa
0.792MPa
pcr
（k
1）/k
0.4/1.4
Tcr
300K
0.792MPa
250.0K
T0
1.5MPa
p0
vcr
RgTcr
287J/（kg
K）
250.0K
0.09059m
3
/kg
pcr
0.792
106Pa
cf,cr
kRgTcr
1.4
287J/（kgK）
250.0K
316.9m/s
或
cf,cr
2cp（T0
Tcr
）
p2
pb0.6MPa
p2
（k1）
/k
0.4/1.4
T2
0.6MPa
230.9K
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