高等工程热力学习题

姓名： ；学号：高等工程热力学试题 (2006.9～2007.1研)一、 基本概念题(共52分＋4分)1、 简述热力学研究的基本内容和建立经典热力学体系的基本研究路线是什么？(3分、3分)2、 对于以下各例，说明所规定的系统作的功、热、内能、熵的变化（a ）一质量为M 重物（系统）在真空重力场中下落过程。

(2分)(b) 一木质雪橇（系统）从无摩擦的水平冰层滑到粗糙金属板上而停止（雪橇为刚性绝热材料制成，取地面为参考坐标）。

(4分)3、 写出特征函数焓h 的基本表达式和熵函数()v T s ,的微分方程式。

(2分、3分)4、 写出利用饱和液体焓的通用对应比方程()r r T f h ∆='∆和已知物性的A 物质(例如R22)，求温度为B物质(例如R134a)在温度2T 的比焓值的步骤，并简要说明正确选择通用对比参数的方法。

(6分)5、 简述偏摩尔参数与化学势的异同点，以及偏摩尔参数与偏离函数的区别(3分、3分)6、 说明熵变、熵增、熵流、熵源强度的概念及其区别 。

(5分)7、 写出太阳辐射能的总体和光谱辐射能的有效能表达式。

(6分)试说明光谱等效温度与黑体温度本质的异同点(加分：4分)8、 给出理论最高燃烧温度和平衡火焰温度的定义，需要什么方程或条件才可求出平衡火焰温度。

(6分)9、 以磁系统的热力能()H S U ˆ,函数的基本微分方程为例，说明处理特殊系统热力系统的关键点是什么？(6分)二、 已知1mol 液态苯的在标准大气压P 0下凝固点Tm ＝268.2K ，凝固热9874S =∆h J/mol ，熔点K 7.278=f T ，熔解热 9916=f h J/mol ， 固体和液体比热分别为61.122=ps c J/(K ·mol) 和80.126=pf c J/(K ·mol) 。

求熔化时熵变，并判断熔化过程能否自发进行。

(12分)三、 请把下面的T-s 图转为流程图，并说明各部件的名称，标识热、功的进出。

1True or false(20pts)1) Mass can cross the system boundary in the Open system .(T)2) Heat and work can not cross in the Closed system. (F)3)Intensive property is a property that is independent of the extent or mass of the system.(T)4)Heat exchangers are devices that transfer energy between fluids at different temperatures.(T)5) Heat engine can have a thermal efficiency of 100%. (F)6)Heat Engines are Devices that are used to convert heat to work.(T)7)The decrease in quality is always accompanied by an increase in entropy.(T)8)Reversible processes actually can occur in nature.F)9)Energy can be neither created or destroyed;it can only change forms.（T）10)Both Heat and Work are associated with a process and a state.(F)11)Once the temperature equality is established,the heat transfer stops.(T)12)The direction of heat transfer is always from the lower temperature body to the higher temperature.body.(F)13)Work is not a property of a system or its surroundings.(T)14)Closed Feedwater Heaters require a separate pump for each heater.(F)15)The reheat process in general can significantly change the cycle efficiency.(T)2Chosing a correct answer(30pts)1) A thermodynamic system generally has a boundary, this boundary （b）a)can be personally defined from your own interestsb)can only be defined following certain rolesc)is depend on the physical boundariesd)is independent on the physical as well as personal wills2) A system is called a closed system when （c）a)there is only heat exchange between the system and its surroundingsb)there is only work interactions between the system and its surroundingsc)there are both heat exchange and work interactoins between the system and its surroundingsd)there are neither heat exchange nor work interactions between the system and its surroundings3)The specific internal energy,u,other than U,of a system is determined by the（c）of the systema) volume b) pressure c) temperature d) mass4) An example of internal property of a system is （c？）a)mass b)total volume c)pressure d)enthalpy5) A steady state process is related to （a ？）a) a closed system with invarible propertiesb) a control volume with its property changesc) an open system keeping its properties constantd) a closed system having its properties changed6) A good approximation for a stream flowing through a porous plug is （a ）a) h in = h out b) P in = P out c)T in = T out d) a and b e) b and c7) Δ T= 0 is true （d ）a) for an adiabatic process. b) if no work is done.c) for an isentropic process. d) for a reversible process.8) Characteristics of Heat Engines include （e ）a) They receive heat from a high-temperature source.1b)They convert part of this heat to work.c)They reject the remaining waste heat to low-temperature sink.d) They operate on a cycle.e)all of above9) Quality （a）a) is defined by M /M + M ) liq liq vapb) is defined by v = x v + (1-x) v f gc)equals zero for a saturated vapor.d)is only defined in the two phase region.e)is the fraction of mass that is liquid.10) A good approximation for a stream flowing through a heat exchanger is （e？）a) h = h in out b) P = P in out c) T = T in outd) a and b e) b and c11)In an adiabatic process:（b）a)temperature cannot change.b)there is no heat flow.c)internal energy cannot change.d) a and be)a,b and c12) Which of the following is an extensive property ? （b）a)temperature b)weight c)compositiond)pressure e)none of the above13) What is the efficiency of an ideal Carnot heat engine cycle operating between 38 C and 482 C ? （c）a) 90 % b) 89 % c) 59 % d) 16 % e) 11 %14) Which of the following does not have units of energy? （d）a) N-m b) kw-hr c) Pa-m3 d) All have units of energy15)Extensive properties（d）a)apply at a point.b) do not depend on the size of the system.c)depend on position within a system.d)are proportional to the mass of a system.e)are printed in the tables in the back of your book.3Provide definition for the following terms(10pts)1)Internal energy:Internal energy is really the kinetic and potential energy of the atoms in the molecules.2)Heat:Energy crossing the system boundary,not associated with mass,due to a temperature difference.3)Work:Work is the energy transfer associated with a force acting through a distance.4) Closed system: No mass crosses the boundary. Heat and work can cross.5) Open system: Mass can cross the system boundary.4Answering and calculations(40pts)1) Feedwater Heater:Inlet 1 T1 = 200 ºC, p1 = 700 kPa, m1 40 kg/s2Inlet 2 T2 = 40 ºC, p2 = 700 kPa,Exit sat. liquid, p3 = 700 kPa,Find m 2 ?, m 3 ? andV 2 ? A2 = 25 cm2 Steady State m i m e m 1 m 2 m 3AVvInlet 2: compressed liquidTable A-4, v2 = 0.001008 m3/kgExit: saturated liquid Table A-5, v3 = 0.001108 m3/kgm 3 (AV)3v 3 0.060.00110854.15 kg/s m 2 m 3 m 1= 54.15 – 40 = 14.15 kg/sV m 2v 2 (14.15)(0.001008) 5.7 m/s2) A rigid tank contains 10 kg of water at 90 ºC. If 8 kg of the water is in the liquid form and the rest is in the vapor form. Determine the pressure in the tank and the volume of the tank . Table A-4, Psat = 70.14 kPa, P = Psat = 70.14 kPaTable A-4, vf = 0.001036 m3/kg, vg = 2.361 m3/kg v = vf + x(vg -vf) = 0.001036 + 0.2(2.361 – 0.001036) = 0.473 m3/kg V = mv = 10(0.473) = 4.73 m33)Heat is transferred to a heat engine from a furnace at a rate of 80 MW. If the rate of waste heat rejection to a nearby river is 50 MW, determine the net power output and the thermal efficiency. W Q H Q L 80 50 30 MWQ H 80 MW, Q L 50 MW0.375Q H 80 m A V 2 A 0.00252(AV)3 0.06 m 3 /sW304) A heat engine receives 600 kJ of heat from a high-temperature source at 1000 K during a cycle. It converts150kJ of this heat to work and rejects the remaining450kJ to a low-temperature sink at300 K. Determine if this heat engine violates the 2nd law of thermodynamics on the basis of(a)the Clausius inequality.(b)the Carnot principle.(a)Clausius inequalityQ QH QL600450T T T10003003H L= - 0.9 kJ/K < 0(b) Carnot principleth 1 Q Q H L 1 0.25T 300ηth < ηrev5)A heat pump maintains a house at a specified temperature. The rate of heat loss of the house and the power consumption of the heat pump are given. The exterior temperature outside of the house is T L , 20C. The interior temperature e inside of the house is T H ,220C. The rate of heat loss of the house is Q H , 110.000kj/h. It is to be determined if this heat pump can do thejob.Assumptions: The heat pump operates steadily.Analysis: The power input to a heat pump will be a minimum when the heat pump operates in a reversible manner. The coefficient of performance of a reversible heat pump depends on the temperature limits in the cycle only, and is determined fromCOP HPjev =11（T /T ）LH = 11（2273K ）/(22273K ) 14.75The required power input to this reversible heat pump is determined from the definition of the coefficient of performance to beW net.jev.min= Q H = 110.000kj /h ( 1h ) =2.07kwThis heat pump is powerful enough since 8 kw >2.07 kw.6) 0.5 kg of air undergoes a Carnot cycle with η = 0.5.Given the initial pressure p1 = 700 kPa, initial volume V1 = 0.12 m3 and heat transfer during the isothermal expansion process Q12 = 40 kJ, Find the highest and the lowest temperatures in the cycle.p 1V 1 (700)(0.12)mR (0.5)(0.287)T H T 1 585.4 K H COP P 14.75 3600srev 1 T L 1 10000.7 Hth T T Q T，T L = 292.7 K4 H1 L 1 L Q H T H 1 1 0.5 0.5 L。

高等工程热力学考试题（含答案）姓名： 专业：1、状态量（参数）与过程量有什么不同？常用的状态参数哪些是可以测量的？哪些又是不可直接测量的？答：（1）（2）常用的状态参数中可测量的有:压强、比体积、温度；不可直接测量的有：动力学能、焓、熵。

2、试述膨胀功、技术功和流动功的意义及关系，并将可逆过程的膨胀功和技术功表示在P-V 图上。

答：膨胀功W s 是指由于系统容积发生变化（增大或缩小）而通过边界面向外界传递的机械功，也称容积功，⎰=pdv w s 。

技术功W t 是指技术上可资利用的功，它是系统外机械能与轴功的和，即s t w z g c w +∆+∆=221⎰=vdp 。

流动功W f 是指开口系付诸于质量迁移所作的功，它是进出口推动功之差，即1122v p v p w f -=。

3、热力学第一定律和第二定律的实质分别是什么？写出各自的数学表达式。

答：（1）热力学第一定律的实质是能量转换和守恒定律，其表述为：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变，或第一类永动机是不可能造成的。

其中闭口系统能量方程的数学表达为：s w u q +∆=t w h +∆=，其中q 代表进入系统的能量，u∆表示内能增量，s w 为膨胀功，h ∆为焓的变化量，t w 是技术功。

开口系统能量方程的表达式为：22222211111122net cv Q h c gz m h c gz m W dE δδδδ⎛⎫⎛⎫=++-++-+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭。

（2）热力学第二定律的实质是热功转换效率不可能为100%，其表述为不可能从单一热源吸热，并使之完成转变为有用功而不引起其他变化。

其中其数学表达为：⎰≤0TQ δ或rQS T δ∆≥⎰，其中⎰≤0TQ δ为循环过程，其中可逆过程取“=”，不可逆过程取“<”。

rQS T δ∆≥⎰为闭口系统，其中可逆过程取“=”，不可逆过程取“>”。

4、写出压缩因子表示的实际气体状态方程式，并说明压缩因子的物理意义。

题目类型一、填空题二、简答题三、分析推理题四、证明题五、说明题六、计算题一、填空题（共30分，每空1分）1、可逆过程是准静态过程的充分条件。

2、系统与外界既无能量交换又无质量交换的系统叫做孤立系统。

3、如大气压力为0.1MPa，则容器内真空度的最大值为0.1 MPa。

4、处于平衡状态的系统，其内部不存在势差。

5、膨胀功、技术功以及系统进出口的流动功四者的关系式为w t+p2v2=w+p1v16、制冷系数的取值范围是（0，+∞）。

7、范德瓦尔方程提出的基本观点为：实际气体分子本身占有体积，实际气体分子间存在吸引力。

8、压缩因子的定义是实际气体的比热与按理想气体求得的比热的比值。

9、定容过程加给系统的热量用于提高系统的内能；定压过程加给系统的热量用于提高系统的焓。

10、理想气体的真实比热不仅与气体的种类有关，还与气体的温度有关。

11、气体总压力与分压力之间遵循道尔顿定律；总容积与分容积之间遵循阿密盖特定律。

12、闭口系统的特点是控制质量；开口系统的特点是控制体积。

13、理想气体绝热节流前后，熵增大，温度不变。

14、活塞式压缩机的余隙对排气量有影响；对单位压缩轴功无影响。

15、在卡诺循环中，对热效率影响较大的是低温热源的温度。

16、凝华现象只有在物质的三相点压力以下才可能发生。

17、热力学第二定律的数学表达式为ds iso≥0 。

18、喷水蒸气加湿的过程为等温加湿过程，喷水加湿的过程为等焓加湿过程。

19、如1 kg湿空气中含有0.5kg水蒸气，则这种湿空气的含湿量为1000g/kg（a）。

20、获得超音速气流的两个条件是βb≤βc和采用渐缩渐扩喷管。

21、相对于蒸气压缩制冷而言，空气压缩制冷的缺点是制冷系数小；和单位工致的制冷量小。

22.在等熵流动中，由亚音速气流加速为超音速气流的过程中，以下参数是如何变化（增大、减小）：温度减小、比容增大、音速减小。

二、简答题：（共20分，每小题5分）１、简述背压式热电循环的原理，说明其意义。

工程热力学考试和答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 热力学第一定律的数学表达式为：A. ΔU = Q + WB. ΔH = Q + WC. ΔG = Q + WD. ΔS = Q/T + W/T答案：A2. 理想气体的内能仅与下列哪个因素有关？A. 体积B. 压力C. 温度D. 质量答案：C3. 在绝热过程中，下列哪项是恒定的？A. 焓B. 熵C. 内能D. 温度答案：B4. 卡诺循环的效率与下列哪个因素有关？A. 工作介质B. 循环类型C. 热源温度D. 热汇温度答案：C5. 理想气体的比热容在下列哪种情况下是恒定的？A. 等压过程B. 等容过程C. 绝热过程D. 等熵过程答案：D6. 根据热力学第二定律，下列哪项是正确的？A. 热量不能自发地从低温物体传向高温物体B. 熵总是减少的C. 热机的效率可以超过100%D. 任何过程都是可逆的答案：A7. 理想气体的绝热指数γ与下列哪个比值有关？A. Cp/CvC. R/CvD. R/Cp答案：A8. 理想气体的节流过程是：A. 等温过程B. 等压过程C. 等熵过程D. 等容过程答案：C9. 理想气体的混合过程中，下列哪项是守恒的？A. 内能B. 焓C. 熵答案：D10. 根据热力学第三定律，下列哪项是正确的？A. 绝对零度是可以达到的B. 绝对零度时，所有完美晶体的熵为零C. 绝对零度时，所有物质的内能为零D. 绝对零度时，所有物质的熵为零答案：B二、填空题（每题2分，共20分）11. 理想气体的比热容Cp和Cv之间的关系为：Cp = Cv + _______。

答案：R12. 理想气体的绝热指数γ定义为：γ = _______ / Cv。

答案：Cp13. 卡诺循环的效率η_Carnot = 1 - T_Cold / _______。

答案：T_Hot14. 理想气体的熵变ΔS可以通过公式ΔS = _______ / T计算。

答案：Q_Rev15. 理想气体的节流过程是 _______ 过程。

一、单选题。

（每题2分，共16分）1.若已知工质的绝对压力P=0.18MPa，环境压力Pa=0.1MPa，则测得的压差为( )A.真空p v=0.08MpaB.表压力p g=0.08MPaC.真空p v=0.28MpaD.表压力p g=0.28MPa2.简单可压缩热力系的准平衡过程中工质压力降低，则( )A.技术功为正B.技术功为负C.体积功为正D.体积功为负3.理想气体可逆定温过程的特点是( )A.q=0B. W t=WC. W t>WD. W t<W4.若从某一初态经可逆与不可逆两条途径到达同一终态，则不可逆途径的△S必( )可逆过程△S。

A.大于B.等于C.小于D.大于等于5.饱和蒸汽经历绝热节流过程后( )A.变为饱和水B.变为湿蒸汽C.作功能力减小D.温度不变6.绝热节流过程中节流前、后稳定截面处的流体( )A.焓值增加B.焓值减少C.熵增加D.熵减少7.空气在渐缩喷管内可逆绝热稳定流动，其滞止压力为0.8MPa，喷管后的压力为0.2MPa，若喷管因出口磨损截去一段，则喷管出口空气的参数变化为( )A.流速不变，流量不变B.流速降低，流量减小C.流速不变，流量增大D.流速降低，流量不变8.把同样数量的气体由同一初态压缩到相同的终压，经( )过程气体终温最高。

A.绝热压缩B.定温压缩C.多变压缩D.多级压缩二、填空题。

（每空2分，共30分）1、温度是衡量_____________的一个物理量，热力学温标的计量单位是_________。

2、物系的温度是用以判别物系间是否处于_________状态的参数。

3、理想气体的逸度等于______，逸度和逸度系数都是物质_______的函数。

4、压缩因子、偏差函数和逸度系数等表示实际流体对理想气体的____________。

5、热力学能和体积不变的简单封闭系统就将等同于________系统。

6、__________称为克劳修斯不等式，对______循环，上式等号成立。

北京工业大学硕士研究生2006-2007学年第一学期期末考试试卷课程名称：高等工程热力学 2007年1月5日一．对于一定质量的物体m ，假定它的初温为T ，比热为c ，请问在环境温度为T 0（<T ）时，它所具有的火用值是多少？如果T <T 0呢？（本题共14分）二．某物质的状态方程为()T V f p =其中p 是压力，V 是体积，T 是绝对温度，而f (V )是V 的已知函数。

试证明该物质的内能与体积无关，仅是温度的函数（本题共17分）三．已知某气体的状态方程为，()p Tp a RT pv ωsin += 其中，a 和ω是已知常数。

试给出该气体的逸度系数Φ的计算公式。

（本题16分）四．已知1kg 的某流体在温度T 下从压力为p 1的状态1经过一可逆等温过程被压缩至压力为p 2的状态2。

假定在该过程中比容v 随压力p 的变化关系为，p a v ln =m 3/kg其中a 为已知常数，试计算该过程外界对流体所做的功及流体内能的增加。

假定该流体的热膨胀系数β为()Tvp b p T v v ωβsin 1=∂∂= K -1 其中b 和ω是两个已知常数。

（本题共18分）五．试就二级相变证明，第二Ehrenfest 方程为，()αγαγββ--=Tv c c dT dp p p 其中p 是压力（Pa ），T 是温度（K ），c p 是定压比热（J/(kg ·K)），v 是比容，而是β定压容积膨胀系数，p Tv v ∂∂=1β K -1下标α和γ表示与二级相变对应的两个相。

（本题共18分）六．试就由k 种组元组成的无化学反应的热力学系统证明，如果定义巨热力势Ω=pV ，则∑++=Ωii i d n pdV SdT d μ其中S 是熵，T 是温度，p 是压力，V 是容积，n i 组元i 的摩尔数，而μi 是组元i 的化学势。

进一步证明，如果选择T ，V ，μ1，μ2，μ3，…，μk 作热力学独立变量，那么是Ω系统的特性函数。