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08级能源与动力学院考试试卷第1页共6页工程热力学Ⅰ(A卷)(闭卷,150分钟)班级姓名学号成绩一、简答题(每小题5分,共40分)1.什么是热力过程?可逆过程的主要特征是什么?答:热力系统从一个平衡态到另一个平衡态,称为热力过程。可逆过程的主要特征是驱动过程进行的势差无限小,即准静过程,且无耗散。2.温度为500°C的热源向热机工质放出500kJ的热量,设环境温度为30°C,试问这部分热量的火用(yong)值(最大可用能)为多少?答:15.27350015.273301500,qxE303.95kJ3.两个不同温度(T1,T2)的恒温热源间工作的可逆热机,从高温热源T1吸收热量Q1向低温热源T2放出热量Q2,证明:由高温热源、低温热源、热机和功源四个子系统构成的孤立系统熵增。假设功源的熵变△SW=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分则:。1分4.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分,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。答: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。B隔板A自由膨胀12isoTTRSSSSSW121200ISOQQSTTR0S22tt,C1111QTQTiso0Siso0S08级能源与动力学院考试试卷第2页共6页(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)答:开口系一般能量方程表达式为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。答: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:TTwqTTTR22212,当2q不变,T时,w、R。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。08级能源与动力学院考试试卷第3页共6页答: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。(2分)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。pvTs11pv1n=0n=1n=kn(1)(2)Ts1n=0n=1n=kn(1)(2)答:(1)kn;(2)kn1评分:四条基本线(2分)两条曲线(2分)n取值(1分)08级能源与动力学院考试试卷第4页共6页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。)答: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Ts12Ts12mnk2v2pgT=const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0)2()2(22221211mgzchmgzchWQsh即mgzchmgzchQWsh)2()2(22221211(a)其中:)/(10006010603sJQ)/(2944.660340)25273(2871095311skgTRVpmgmzsmc0/0108级能源与动力学院考试试卷第5页共6页)/(0.95380)25120()717273()/(99.141025.010200)120273(2872944.6123222222sJTchhhsmApTmRAmcpg将以上数据代入式(a),可得压气机所消耗的功率为:)/(10648.6)299.1410.95380(2944.6100052sJWsh2.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361A1AgAAm8851.21007.03402972PTRmV361B1BgBBm8904.6101.02902978PTRmV(4分)取A+B中的气体为系统(CM),m=mA+mB=2+8=10kgV=VA+VB=2.8851+6.8904=9.7755m3(2分)终态时的气体压力MPa0951.07755.9313297102g2VTmRP(2分)⑵按题给,系统不对外作功,有kJ46.96222646.2322)29083402(742.0313742.010)(B1BA1Av2vTmTmcTmcUQ(5分)⑶原在A中的氮气熵变(2分)kJ/K3540.0)07.00951.0297ln.06727340273039ln.1(2)PPlnRTTlnc(mSA2gA2pAA原在B中的氮气熵变(2分)kJ/K7538.0)1.00951.0297ln.01727340273039ln.1(2)PPlnRTTlnc(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N28kg0.1MPa17℃N22kg0.07MPa67℃08级能源与动力学院考试试卷第6页共6页壁与水之间也是绝热的,且水的比热容为定值,取K)kJ/(kg187.4c,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KmmTmTmT33.336200100353200303100212211水的混合过程的熵变为gfSSS由于绝热0fS)/(186.335333.336ln187.420030333.336ln187.4100lnln2211KkJTTcmTTcmSSg混合过程的做功能力的损失为)(94.923186.32900kJSTIg
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