【正文】 1 江蘇科技大學(xué) 《工程熱力學(xué)》練習(xí)題參考答案 第一單元 一、 判斷正誤并說明理由： ，其熱力學(xué)能總是增加的。 錯(cuò)。 理想氣體的熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，如果理想氣體是定溫吸熱，那么其熱力學(xué)能不變。 1. 測量容器中氣體壓力的壓力表讀數(shù)發(fā)生變化一定是氣體熱力狀態(tài)發(fā)生了變化。 錯(cuò)。 壓力表讀數(shù)等于容器中氣體的壓力加上大氣壓力。所以壓力表讀數(shù)發(fā)生變化可以是氣體的發(fā)生了變化，也可以是大氣壓力發(fā)生了變化。 2. 在開口系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)、出口截面狀態(tài)參數(shù)不變時(shí)，而單位時(shí)間內(nèi)流入與流出的 質(zhì)量相等，單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量與功量不變，則該系統(tǒng)處在平衡狀態(tài)。 錯(cuò)。 系統(tǒng)處在穩(wěn)定狀態(tài)，而平衡狀態(tài)要求在沒有外界影響的前提下，系統(tǒng)在長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生任何變化。 3. 熱力系統(tǒng)經(jīng)過任意可逆過程后，終態(tài) B的比容為 vB大于初態(tài) A的比容 vA，外界一定獲得了技術(shù)功。 錯(cuò)。 外界獲得的技術(shù)功可以是正，、零或負(fù)。 4. 在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上實(shí)行再熱，可以提高循環(huán)熱效率。 錯(cuò)。 在郎肯循環(huán)基礎(chǔ)上實(shí)行再熱的主要好處是可以提高 乏汽的干度，如果中間壓力選的過低，會使熱效率降低。 6． 水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量等于膨脹功。 錯(cuò)。 因?yàn)樗羝臒崃W(xué)能不是溫度的單值函數(shù)，所以水蒸汽的定溫過程中，加入的熱量并不是全部用與膨脹做功，還使水蒸汽的熱力學(xué)能增加。 7． 余隙容積是必需的但又是有害的，設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的時(shí)候應(yīng)盡可能降低余隙比。 對。 余隙容積的存在降低了容積效率，避免了活塞和氣門缸頭的碰撞，保證了設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)壓氣機(jī)的時(shí)候應(yīng)盡可能降低余容比。 8． 內(nèi)燃機(jī)定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率 高。 錯(cuò)。 在循環(huán)增壓比相同吸熱量相同的情況下，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率高；但是在循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時(shí)，定容加熱理想循環(huán)熱效率比混合加熱理想循環(huán)熱效率低。 9． 不可逆過程工質(zhì)的熵總是增加的，而可逆過程工質(zhì)的熵總是不變的。 錯(cuò)。 熵是狀態(tài)參數(shù)，工質(zhì)熵的變化量僅與初始和終了狀態(tài)相關(guān)，而與過程可逆不可逆無關(guān)。 10． 已知濕空氣的壓力和溫度，就可以確定其狀態(tài)。 錯(cuò)。 濕空氣是干空氣與水蒸汽的混合物，據(jù)狀態(tài)公理，確定濕空氣的狀態(tài)需要 三 2 個(gè)狀態(tài)參數(shù)。 二、簡答題： 1. 熱力學(xué)第二定律可否表示為：機(jī)械能能完全轉(zhuǎn)換為熱能，而熱能不能全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 不可以。機(jī)械能可以無條件地轉(zhuǎn)化為熱能，熱能在一定條件下也可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 2. 試畫出蒸汽壓縮制冷簡單循環(huán)的 Ts 圖，并指出各熱力過程以及與過程相對應(yīng)的設(shè)備名稱。 蒸汽壓縮制冷簡單循環(huán)的 Ts 圖 .12 為定熵壓縮過程，在壓縮機(jī)中進(jìn)行； 23 為定壓冷凝過程，在冷凝器中進(jìn)行； 34 是節(jié)流降壓過程，在節(jié)流閥中進(jìn)行； 41 為定壓蒸發(fā)過程，在蒸發(fā)器中進(jìn)行。 3. 用蒸汽作循環(huán)工質(zhì)，其放熱過程為定溫過程， 而我們又常說定溫吸熱和定溫放熱最為有利，可是為什么蒸汽動力循環(huán)反較柴油機(jī)循環(huán)的熱效率低？ 考察蒸汽動力循環(huán)和柴油機(jī)循環(huán)的熱效率時(shí)，根據(jù)熱效率的定義 1212 11 TTqqt ?????知道，熱效率的大小與平均吸熱溫度和平均放熱溫度有關(guān)。平均吸熱溫度越高，熱效率越高。蒸汽動力循環(huán)由于受到工質(zhì)和材料的限制，其平均吸熱溫度是 600℃左右；而柴油機(jī)循環(huán)的平均吸熱溫度是 1300℃左右，所以蒸汽動力循環(huán)反較柴油機(jī)循環(huán)的熱效率低。 4. 壓氣機(jī)按定溫壓縮時(shí)氣體對外放出熱量，而按絕熱壓縮時(shí)不向外放熱，為什么定溫壓縮反較絕 熱壓縮更為經(jīng)濟(jì)？ 壓氣機(jī)定溫壓縮與絕熱壓縮時(shí)所需要外界提供的功不一樣，而需要外界提供的功等于壓縮過程的技術(shù)功，定溫壓縮的技術(shù)功比絕熱壓縮的技術(shù)功小，所以定溫壓縮反較絕熱壓縮更為經(jīng)濟(jì)。如 pv 圖所示的壓縮過程，可以看出 定溫壓縮的技術(shù)功是 P112Tp2p1 的面積， 絕熱壓縮的技術(shù)功是 P112sp2p1 的面積。 T s 1 2 3 4 0 p v 0 P1 P2 1 2T 2s 3 顯然定溫壓縮的技術(shù)功比絕熱壓縮的技術(shù)功小。 三 .計(jì)算題： 1. 1kg 氧氣置于圖所示的氣缸內(nèi)，缸壁能充分導(dǎo)熱，且活塞與缸壁無摩擦。初始時(shí)氧氣壓力為 、溫度為 27℃。如果 氣缸長度為 2L，活塞質(zhì)量為 10kg，試 計(jì) 算 拔 除 銷 釘 后 ， 活 塞 可 能 達(dá) 到 的 最 大 速 度 。 氧 氣 的 比 熱 容)/(9 KkgkJc p ?? ， k=， )/(2 KkgkJR g ?? 解： 取氣缸內(nèi)的氧氣為研究對象。 根據(jù)熱力學(xué)第一定律 WUQ ??? 知道，加入系統(tǒng)的熱量一部分用于增加系統(tǒng)的熱力學(xué)能，一部分用于對外做功。根據(jù)題意：活塞如果要達(dá)到最大速度，那么氧氣膨脹過程中吸入的熱量全部用于對外做功，所以氧氣的熱力學(xué)能不發(fā)生變化。由于氧氣可以看作理想 氣體，而理想氣體的熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，所以 氧氣膨脹過程為可逆定溫膨脹過程。 設(shè)環(huán)境溫度為 T0，環(huán)境壓力為 P0，氧氣的質(zhì)量為 m，活塞的質(zhì)量為 M，活塞最大速度為 Vmax。氧氣初始狀態(tài)的壓力為 P1，溫度為 T1，容積為 V1，氧氣膨脹后的容積為 V2，膨脹過程的膨脹功為 W。 VPWMV ???02ma x21 211 ln VVTRW g? 111 TmRVP g? 12 VVV ??? 12 2VV? 所以有： 2ln1TRW g? 110 / PTRVP g?? 代入數(shù)據(jù)： 8 4 8 4)( l n)(2602ln1021 1 1012m a x ?????????? p TRPTRV gg smV / ? l 2l 銷釘 p0= t0=27℃ p= t=27℃ 4 ，進(jìn)口截面上的壓力和溫度分別是 、 440K，出口截面上的壓力 MPap ? 。已知噴管進(jìn)口截面面積為 103m2，空氣的質(zhì)量流量為 ，試求噴管喉 部面積及出口截面的面積和出口流速?？諝獾谋葻崛?)/( KkgkJc p ?? ， k=， )/(2 KkgkJR g ?? 解： 根據(jù)題意知道，進(jìn)口參數(shù)為 MPap ? ， KT 4401 ? 。出口截面上的壓力MPap ? 。噴管進(jìn)口截面 A1 面積 103m2，空氣的質(zhì)量流量 Q 為 。 )/(,1 1,1 smcv cAq ff ??? )/( 440287 361 11 kgmp TRv g ????? KccTTpf 1,210 ??? M paTTpp k k )( 11010 ??? ? )12( 10???? ?k kccr kpp ? )(3 2 5 7 0 M P app cr ????? )()()( 00KppTT kkcrcr ????? ?? )/(3 2 8 7 2 5 7 36 kgmp TRv cr crgcr ????? )/(, smTkRc crgcrf ????? 噴管喉部面積 )( 23,m i n mc vQA crf cr ??????? )() (440)( 0202 KppTT kk ????? ?? 5 )/(6 0 1 0 362 22 kgmp TRv g ?????? 出口流速 )/()(10052)(2 202, smTTcc pf ??????? 出口截面的面積 )(106 1 6 6 0 1 0 232, 22 mc vQA f ??????? 3. 汽油機(jī)定容加熱理想循環(huán)進(jìn)氣參數(shù)為 Ct ??271 , MPap ? ，若循環(huán)壓縮比 16?? ，定容增壓比 ?? 。假設(shè)工 質(zhì) 是 空 氣 ， 比熱 可 取 定 值 ，)/( KkgkJc p ?? ， Rg=287 )/( KkgJ ? ， (1)畫出循環(huán) pv 圖及 Ts 圖； (2)求循環(huán)的最高溫度和最高壓力； (3)計(jì)算循環(huán)的放熱量、循環(huán)凈功及循環(huán)的熱效率。 解： （ 1） p T 3 3 2 4 4 2 1 1 0 0 v s (2))(287)(287)()()()()(16)(1663336222323232312112312311121KRgvpTKRgvpTkgmvvM P appppM P apvvppkgmvvkgmmVvVVkk??????????????????????????????????? 6 T3 、 p3 為循環(huán)的最高溫度和壓力 (3) )()()()()(31234344334314M P apvvpvvpvvppkgmvvkkk ?????? )( 6444 KRg vpT ????? )/()()()/()()(12142231???????????????qqkgkJTTCqkgkJTTCqtVV? m 的比熱容為定值的相同物體，處于同一溫度 T，將兩物體作為制冷機(jī)的冷、熱源，使熱從一物體傳出并交給另一物體，其結(jié)果是一個(gè)物體溫度升高，一個(gè)物體溫度降低。證明當(dāng)被冷卻物體溫度降到 0T （ TT?0 ）時(shí)所需最小功 )2( 002m i n TTTTmcW ??? 證明： 要使得整個(gè)系統(tǒng)完成這一過程所需功量最小，則必須有一可逆制冷機(jī)在此工作，保證所構(gòu)成的孤立系統(tǒng)有 0, ?? siS 所以有 0lnln 0, ???? TTmcTTmcS tsi 得到 02TTTt?式中 Tt 為另一物體在過程終了所具有的溫度。 由于過程中 冷源傳 出熱量 )( 02 TTmcQ ?? 熱源吸收熱量 )(1 TTmcQ t ?? 所以有 )2()2()()(0020021m i nTTTTmcTTTmcTTmcTTmcWtt???????????? 7 第二單元 一、判斷正誤并說明理由： 穩(wěn)定流動熱力系必為平衡熱力系 。 錯(cuò)。 穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)部雖有確定的狀態(tài)參數(shù)，但其是靠外界的影響來維持的。 技術(shù)功是流體的宏觀動能，宏觀位能及所作出的軸功三者之和定義的 。 對。技術(shù)功包括宏觀動能，宏觀位能及所作出的軸功。 物質(zhì)經(jīng)歷一個(gè)定溫變化 過程以后，其熱力學(xué)能變化位零 。 錯(cuò)。 對任意一非理想氣體來說，其熱力學(xué)能都是內(nèi)未能內(nèi)位能與內(nèi)動能之和，而溫度僅是內(nèi)動能的表征。 使系統(tǒng)熵增加的過程一定是不可逆過程 。 錯(cuò)。 過程的熵變包括熵產(chǎn)和熵流兩部分，過程可逆與否主要看熵產(chǎn)是大于還是等于零。如果某一過程的熵增加，該過程可以是在熵產(chǎn)等于等于零的情況下，熵流大于零。因此這句話不正確。 在初壓不變時(shí)，背壓愈低，氣體通過拉閥爾噴管出口截面上流速和流量都愈大 。 錯(cuò)。 對縮放噴管來說，當(dāng)背壓降到臨界壓力時(shí)，氣體流速達(dá)到音速。若背壓繼 續(xù)降低，氣體流量保持不變。 1kg 空氣可以由 p1=， t1=25℃被絕熱壓縮到 p2=， t2=250℃ 。