2013年工程热力学考题A-标答

武汉大学动力与机械学院2013—2014第一学期期末考试《工程热力学》试卷A标准答案班级：__________学号：___________姓名：___________成绩：___________一、选择题（2×5＝10分）（以下各题四个备选答案至少有一个是正确的，不选、错选得零分，漏选得1分，选对得2分）1.自由膨胀过程BDA．是准平衡过程B．不是准平衡过程C．是可逆过程D．不是可逆过程2.工质的总储存能包括ABCA．热力学能B．宏观动能C．重力位能D．流动功3.理想气体的比热与ACDA．气体的种类有关B．压力有关C．温度有关D．热力过程有关4.双原子气体的多变指数为1.8的膨胀过程中BCA．热力学能增大B．对外放热C．对外做技术功D．焓不变5.卡诺供暖循环，热源温度为T1，环境温度为T0，从低温热源吸热q2，向高温热源放热q1，则其需要的循环功为ADA．q1(1-10TT)B．q1(011TTT)C．q2(010TTT)D．q2(01TT-1)二、填空题（4×5＝20分）已知：空气的气体常数Rg=287J/（kg·K），定压比热cp＝1004J/（kg·K）。1.汽轮机的排汽焓为2300kJ/kg，进入凝汽器凝结放热为饱和水流出，其焓为140kJ/kg；凝汽器内的循环冷却水吸收排汽放热后，温度升高了10℃，则每冷却1kg排汽需要的冷却水量为51.59kg。已知水的比热cp＝4.1868kJ/(kg·K)。2.温度为400K的恒温热源向温度为300K的环境放热100kJ，该传热过程引起的做功能力损失为25kJ。3.空气在渐缩喷管内流动，其进口温度为500K，流速为200m/s，其滞止温度为519.92K。4.提高燃气轮机装置循环热效率的方法有增大增压比、回热、在回热基础上分级压缩及中间冷却、在回热基础上分级膨胀及中间再热。5.1atm的湿空气，温度为30℃，水蒸气的分压力为3000Pa，根据下表，确定其相对湿度为70.67%。饱和水蒸气参数t(℃)2223242526272829303132P(Pa)26442810298531693363356737814007424544954757三、简答题（5×6＝30分）1.怎样使用平均比热容表计算定压过程（过程初、终温已知）的吸热量？【答】在平均比热容表中，由初、终温找出其对应的平均定压比热容值，则吸热量为q=c0-t2*t2-c0-t1*t1。2.什么是自发过程？举出两例，并说明自发过程的特点。【答】自发过程是能够独立、无条件地自动进行的过程。如功热转化、有限温差传热、自由膨胀、混合过程都属于自发过程，其特点是不可逆和导致能量贬值。3.水蒸气的定压加热过程中，其温度、比容、焓和熵等状态参数怎样变化？【答】比容、焓和熵增大；温度升高到饱和温度后，汽化成饱和蒸汽（汽化过程中温度不变），继续加热则温度继续升高，成为过热蒸汽。4.空气在已设计好的喷管内做有摩阻的绝热流动，相比无摩阻的可逆绝热流动（空气的初态相同），其出口温度、比容、流速和流量怎样变化？【答】出口温度T2T2s，比容v2v2s，流速cf2cf2s，流量qm2qm2s。5.在T-s图上比较、分析活塞式压气机的定温压缩和定熵压缩过程的耗功量。【答】活塞式压气机的定温压缩过程的耗功量小于定熵过程。参第四版教材P268图8-4（b）。定温压缩：技术功的绝对值等于放热量的绝对值，为面积1-2T-j-n-1。定熵压缩：技术功的绝对值等于Δh1-2s，也即为Δh2T-2s，为定压线下的面积2T-2s-n-j-2T。6.绘制湿空气的冷却去湿过程，并说明该过程中空气温度、含湿量和焓的变化情况。【答】温度降低、含湿量在冷却过程中不变，在去湿过程中降低，焓降低。参第四版教材P391图12-16。四、计算题（4×10＝40分）已知：空气的气体常数Rg=287J/（kg·K），定压比热cp＝1004J/（kg·K）。环境温度T0=300K。1.一刚性绝热容器，中间隔板将容器一分为二，左侧为2kg的350K、3MPa的高压空气，右侧为真空。抽出隔板后空气充满整个容器，并达到新的平衡状态。求该过程的做功能力损失。【解】已知：m1=2kg，p1=3Mpa，T1=350K抽去隔板，根据ΔU=Q-W=0，热力学能不变，温度不变（3分）容积扩大一倍，即V2/V1=2（2分）ΔS＝mΔs＝m*Rg*ln(v2/v1)=0.398kJ/K（3分）I=T0*ΔS=119.36kJ（2分）2.空气在渐缩喷管进行定熵流动。已知空气的进口参数为p1=2.8MPa,T1=600K，出口处背压力pb＝0.1MPa，出口截面积A2＝40cm2。求喷管能达到的最大质量流量。【解】已知：p1=2.8Mpa，T1=600K；pb=0.1Mpa；A2＝40cm2确定临界参数：pcr=νcrp0=1.4784Mpapb（2分）由于是渐缩喷管，因此空气在喷管出口最高只能达到临界压力，Tcr=T0νcr(k-1)/k=499.92K（2分）v2=vcr=RgTcr/pcr=0.097m3/kg（2分）出口流速cf2=ccr=[2000cp(T1-Tcr)]1/2=448.29m/s（2分）由qm=A2c2/v2=18.49kg/s（2分）3.燃气轮机装置某定压加热理想循环中，工质视为空气，进入压力机的温度T1=300K、压力为p1=0.1MPa,，循环增压比π＝8，循环增温比τ＝4。为提高循环热效率，采用极限回热。设比热为定值，试求循环热效率。【解】已知：p1=0.1Mpa，T1=300K；π＝8，τ＝4如不采用回热的普通定压加热理想循环，则压气机出口温度为T2=T1(p2/p1)(k-1)/k=T1π(k-1)/k=543.43K，（1分）燃烧室出口温度为T3=τT1=1200K，（1分）燃气轮机出口温度为T4=T3/(p3/p4)(k-1)/k=T3/(p2/p1)(k-1)/k=T3/π(k-1)/k=662.45K。（1分）如采用极限回热，则可将进入燃烧室的气体温度由T2提高到T4，而离开回热器的燃气温度由T4降低到T2，（1分）循环吸热量q1=cp*(T3-T4)=539.7kJ/kg，（2分）循环放热量q2=cp*(T2-T1)=244.4kJ/kg，（2分）循环热效率ηt=1-q2/q1=54.71%。（2分）4.可逆的一次再热蒸汽动力循环，进入汽轮机的新汽参数为：p1=15MPa，t1=500℃，从汽轮机高压缸排出的蒸汽压力为4MPa，加热到500℃后再进入汽轮机低压缸。冷凝器内维持压力5kPa。忽略泵功,试求循环热效率。水蒸气参数pths'hh'ssMPa℃kJ/kgkJ/kgKkJ/kgkJ/kgkJ/kgKkJ/kgK15.05003309.76.34714296.82952.26.347145003445.27.09090.00532.9137.772561.20.47628.3952【解】已知：p1＝15Mpa，t1＝500℃；p2＝0.005Mpa；prh＝4Mpa，trh＝500℃（1）确定1点状态：由p1、t1查过热蒸汽表，得到h1＝3309.7kJ/kg，s1=6.3471kJ/kg·K（2）确定再热前a点状态：由于1-a为定熵过程，sa=s1，查表得到ha＝2952.2kJ/kg1kg蒸汽在高压缸内的作功量wTH=h1-ha＝357.5kJ/kg（1分）（3）确定再热后b点状态：再热过程a-b为定压过程，pb＝pa＝prh，查压力为0.5Mpa的过热蒸汽表，得到hb＝3445.2kJ/kg，sb=7.0909kJ/kg·K1kg蒸汽在再热器中的吸热量qrh=hb-ha＝493kJ/kg（1分）（4）确定排汽2点状态：由于b-2为定熵过程，s2=sb，查压力为p2的饱和水和饱和蒸汽表可知，s's2s”，故在背压p2＝0.005Mpa下为湿蒸汽状态。x2=(s2-s')/(s”-s')=0.835295（1分）h2=x2h”+(1-x2)h'＝2162.05kJ/kg（1分）1kg蒸汽在中低压缸内的作功量wTL=hb-h2＝1283.15kJ/kg（1分）（5）确定锅炉给水3点状态：3点为排汽压力下的饱和水状态，故h3＝h2'＝137.77kJ/kg1kg新蒸汽在锅炉中的吸热量q1=h1-h3＝3171.93kJ/kg（1分）（6）计算再热循环热效率1kg水在锅炉中的吸热量qb=q1＋qrh＝3664.93kJ/kg（1分）1kg新蒸汽在汽轮机中的作功量wT=wTH＋wTL＝1640.65kJ/kg（1分）1kg蒸汽在凝汽器中的放热量q2=h2-h2'＝2024.28kJ/kg（1分）循环热效率ηt=wT/qb=44.77%（1分）主考老师：樊天竞刘先斐系主任：郭江