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1、全国硕士研究生入学统一考试全国硕士研究生入学统一考试工程热力学考试大纲工程热力学考试大纲 真题及答案真题及答案I I 考查目标考查目标要求掌握热能与机械能相互转换的基本规律，并能够应用此规律对热力过程和热力循环进行分析和计算。II II 考试形式和试卷结构考试形式和试卷结构一、试卷满分及考试时间试卷满分为 150 分，考试时间 180 分钟。二、答题方式答题方式为闭卷、 笔试。 允许使用计算器 （仅仅具备四则运算和开方运算功能的计算器） ，但不得使用带有公式和文本存储功能的计算器。三、试卷内容与题型结构分为概念题和计算题两大类。概念题包括：名词解释、填空题、判断题、作图分析题、简答题。概念题和
2、计算题分值各占50左右。IIIIII 考查内容考查内容1、基本概念：掌握热力系统、平衡状态、状态参数及其数学特征、理想气体状态方程、准静过程及可逆过程的概念并会用系统的状态参数的关系对可逆过程的功、热量进行计算等。2、热力学第一定律：熟练掌握能量方程在不同条件下的表达形式， 并对非稳定流动能量方程有初步认识；掌握系统储存能量、热力学能、焓的概念；掌握容积变化功、流动功、技术功和轴功的概念；能够正确应用热力学第一定律对能量转换过程进行分析、计算。3、热力学第二定律： 理解热力学第二定律的实质；掌握卡诺循环和卡诺定理；掌握熵的概念和孤立系统熵增原理， 能够判别热力过程进行的方向及掌握能量耗散的计算
3、方法； 了解可用能的概念及计算方法。4、理想气体的性质及热力过程:熟练掌握理想气体状态方程；理解理想气体比热容的概念并熟练掌握利用定值比热容计算过程中热量、 热力学能、焓和熵变化；熟练掌握对四种基本热力过程及多变过程的分析， 计算过程中状态参数的变化及与外界功量和热量的交换； 能够将热力过程表示在 p-v 图和 T-s图上，并判断过程的性质。5、 热力学一般关系式及实际气体的性质： 了解热力学一般关系式； 掌握范德瓦尔方程 （包括各项物理意义） ；掌握对比态原理，会计算对比参数并能利用通用压缩因子图进行实际气体的计算。6、水蒸气的性质及热力过程： 掌握蒸气的各种术语及其意义； 了解水蒸气的定压
4、发生过程及其在 p-v 图和 T-s图上的一点、两线、三区、五态；了解水蒸气图表的结构并会应用；掌握水蒸气热力过程的热量和功量的计算。7、气体和蒸气的流动：掌握一元定熵稳定流动基本方程组；掌握喷管中气体流速、 流量的计算， 会进行喷管外形的选择和尺寸的计算； 理解喷管效率并会计算存在摩擦损失时的流速和流量；明确滞止焓、临界截面、临界参数的概念。掌握绝热滞止、绝热节流、流动混合过程的计算。8、压气机：掌握活塞式压气机和叶轮式压气机的工作原理；掌握不同压缩过程（绝热、1定温、多变）状态参数的变化规律、耗功的计算以及压气机耗功的计算；了解多级压缩、中间冷却的压气机的工作情况，了解余隙容积对活塞式压气
5、机工作的影响。9、热机装置、制冷装置及其循环：掌握各种装置循环的工作流程； 掌握将实际循环理想化为工质理想循环的一般方法， 并会对循环的各个热力过程进行热力分析； 掌握各种循环吸热量、放热量、循环净功、热效率或制冷系数的分析计算方法；会分析对循环能量利用经济性的影响因素并能够提出提高能量利用率方法和途径。10、理想混合气体及湿空气：掌握理想混合气体的概念；掌握理想混合气体的组分、摩尔质量、密度、气体常数以及比热容、热力学能、焓和熵的计算；明确湿空气、未饱和湿空气、饱和湿空气的含义；掌握绝对湿度、相对湿度、含湿量的概念；能够分析、计算湿空气的基本热力过程。IVIV. . 题型示例及参考答案题型示
6、例及参考答案一、名词解释： （20分）1、多变过程：2、临界点：3、滞止焓：4、相对湿度：5、干度：二、是非判断题： （正确地打“” ；错误的打“” ，并加以改正。 ） （20分）1、工质从状态1变化到状态2，不论中间经历了什么过程，其熵的变化都相等。2、用100的热源非常缓慢地给冰、水混合物加热，混合物经历的是准静态过程。 该加热过程是可逆过程。3、任何燃气轮机装置都可以通过回热的措施提高其热效率。4、沸腾的水总是烫手的。5、压气机的绝热压缩过程，由于无散热损失，所以在压力升高比一定的条件下，所消耗的功最小。6、空气的湿球温度总是低于干球温度。7、水蒸气的定压气化过程，由于温度不变，所以内能
7、不变。8、处于热力学平衡状态的系统必然是一个均匀系统。9、两杯温度不同的水，在等压下进行绝热混合，其熵不变。10、一绝热容器中间有隔板分开，一侧装有空气，另一侧为真空，现抽去隔板，由于空气经历了绝热膨胀过程，所以温度下降。三、选择题： （21分）21、下列说法正确的是。（a）工质对外作出膨胀功，就一定吸热；（b）吸热过程一定升温；（c）要使工质升温，就一定通过加热的方式实现；（d）工质体积膨胀，是使热变功的的根本途径。2、某实验报告称，温度为800K、压力为6Mpa的燃气进入燃气轮机，在燃气轮机内绝热膨胀后流出燃气轮机。在燃气轮机出口测得的数据是：p2 = 0.9Mpa，T2= 450K，则该
8、过程是。(cp1.004kJ /kg.KRg 0.2874kJ /kg.K)（a）可逆的（b）不可逆的（c）不可能实现的3、某制冷循环中，工质从温度为73的冷源吸热100kJ，并将220kJ的热量传递给温度为27的热源，则此循环为。（a）可逆循环（b）不可逆循环（c）不可能实现4、工质经历了一个放热、升温、压力增加的多变过程，该过程多变指数的范围是。（a）0 n 1（b）1 n k（c）n k（d）n 05、 系统经历了一个不可逆的放热过程， 在该过程中， 外界对系统作功150 kJ， 系统放热100kJ，则系统的熵的变化。（a）S 0（b）S 0（c）S 0（d）无法判别6、热力学第一定律和
9、第二定律表明，对于实际热力过程。（a）能量守恒，可用能也守恒（b）能量守恒，可用能增加（c）能量守恒，可用能减少（d）能量减少，可用能也减少7、空气在渐缩形喷管中作一元、定熵流动，已知进口状态T1=300K、p1=5bar、cf1=100m/s，背压pb=1bar，则喷管出口。（a）p2pp（b）2（c）2（d）p2 pbp1p1p1三、分析题： （37分）31、试推导理想气体定压比热cp与定容比热cv关系式 ：cpcv= Rg。 （5分）2、燃气轮机理想简单循环的废气排气温度高达400500，废气排放到大气中的余热很为可观，因此，有人提出下述三种方案，试分析是否有效，为什么？（1） 、将燃气
10、轮机出口的排气送入另一个透平作功；（2） 、将排气送入压气机升压后在送入透平作功；（3） 、将排气送入回热器，预热压气机前的空气。 （10分）3、试根据下列条件在无其他动力源的情况下，设计出两种低温余热利用装置的方案，并比较这两种方案在各自理想的条件下的余热利用率。低温余热源温度：t2150：高温热用户的温度：300；环境温度：25。（提示：余热利用率即为向高温热源提供的热量与低温余热源放热量之比。 ）（12分）4、画出朗肯循环的Ts图，并通过图说明蒸气初、终参数对循环热效率的影响。 （10分）四、计算题： （52分）h1、有一储气罐，初始时其内部为真空，如图所示，现连接于输气管道进行充气。已
11、知输气管内空气状态始终保持稳定，p1=3 Mpa，T1300 K，h1=301.8 kJ/kg。储气罐的容积为0.5m3，当储气罐内气体的压力为2Mpa时，停止充气。如忽略充气过程中气体的流动动能及重力位能的影响，而且管路、储气罐、阀门都是绝热的，若该气体与温度的变化关系为u0.72TkJ/kg，求充气后储气罐内气体的温度。 （10分）真 空2、 压力为6 Mpa， 干度为0.75的蒸汽稳定流D1经一个直径为0.02 m的绝热管道， 经过阀门后绝热节流到0.1 Mpa。如图所示，若要求节流前后蒸汽的流速保持不变，则节流后管道直径应为多少米？（12分）p(Mpa)0.16h(kJ/kg)417.
12、521213.3h(kJ/kg)2675.12783.8v(m3/kg)0.00104320.0013190v(m3/kg)1.69430.03244D23、有一台可逆热机，经历了定容吸热12、定熵膨胀23 和定温放热 31 三个过程完成了一个循环。假设工质是理想气体，比热为定值，循环各点的温度T1、T2、T3已知。（1）试将此循环定性地表示在p-v 图和 T-s图上。（2）试写出以各点温度表示的循环热效率计算式。（3）试讨论改变哪一点参数可以提高循环热效率？用平均温度法在T-s图上加以说明。（12分）44、在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500降低到 250，所放出的热量用以生产水蒸
13、气。 压力为 9.0Mpa， 温度为 30的锅炉给水被加热、 汽化、 过热成压力为 9.0Mpa，温度为 450的过热蒸汽。将烟气近似为空气，取比热为定值，且 cp=1.079kJ/kgK。试求：（1）产生 1kg 过热蒸汽需要多少 kg 烟气？（2）生产 1kg 过热蒸汽时，烟气熵的减小以及过热蒸汽的熵增各为多少？（3） 将烟气与水蒸气作为孤立系统， 求生产 1kg 过热蒸汽时， 孤立系统熵的增大为多少？设环境温度为 15，求作功能力损失。 （18 分）附表：未饱和水和过热蒸汽参数表（部分）p (Mpa)9.09.0t ()30450h (kJ/kg)133.863256.0s (kJ/kg
14、K)0.43386.4835参考答案参考答案一、名词解释;（20 分）1、 多变过程：一切有规律的热力过程的总称。2、 临界点：当压力增加至某一压力时，饱和水的状态和干饱和蒸汽的状态重合，成为为汽、水不分的状态，为临界点。3、 滞止焓：绝热滞止时气体的焓为滞止焓。它等于绝热流动中任一位置气体的焓与流动动能之和。4、 相对湿度：未饱和湿空气的绝对湿度与同温度下饱和湿空气的绝对湿度的比值。表示了湿空气中水蒸汽含量的饱和程度。5、 干度：湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量成分。二、是非判断题： （正确地打“” ；错误的打“” ，并加以改正。 ）（20 分）1、 工质从状态 1 变化到状态 2，不论中间经历
15、了什么过程，其熵的变化都相等。对。 熵是状态参数。2、 用 100的热源非常缓慢的给冰、水混合物加热，混合物经历的是准静态过程。该加热过程是可逆过程。错。温差传热。3、 任何燃气轮机装置都可以通过回热的措施提高其热效率。错。回热的条件是气轮机出口温度高于压气机出口（燃烧室进口）温度。4、 沸腾的水总是烫手的。错。沸腾时的温度与压力有关，压力越低，温度越低，因此，沸腾不一定烫手。5、 压气机的绝热压缩过程，由于无散热损失，所以在压力升高比一定的条件下，所消耗的功最小。错。 等温压缩最省功。56、 空气的湿球温度总是低于干球温度。错。对于饱和湿空气湿球温度等于干球温度。7、 水蒸气的定压气化过程，
16、由于温度不变，所以内能不变。错。水蒸汽不是理想气体。8、 处于热力学平衡状态的系统必然是一个均匀系统。错。平衡状态不一定是均匀状态，例如饱和蒸汽。9、 两杯不同温度的水，在等压下进行绝热混合，其熵不变。错。绝热混合过程是不可逆过程，熵增加。10、绝热容器中间有隔板分开，一侧装有空气，另一侧为真空，现抽去隔板，由于空气经历了绝热膨胀过程，所以温度下降。错。内能不变，温度不变。三、选择题： （21 分）1、判断后选择的正确答案是（d）。（a） 、工质对外作出膨胀功，就一定吸热；（b） 、吸热过程一定升温；（c） 、要使工质升温，就一定通过加热的方式实现；（d） 、工质体积膨胀，是使热变功的的根本途
17、径。2、某实验报告称，温度为 800K，压力为 6Mpa 的燃气进入燃气轮机，在燃气轮机内绝热膨胀后流出燃气轮机。在燃气轮机出口测得的数据是，p2 = 0.9Mpa，T2 = 450K，试分析，该过程是(c)。 （cp0 4 1 ./ k J.k gK R 2 8 7 0 4 ./ .k J ) k gK（a）可逆的：（b）不可逆的：（c）不可能实现的。3、某制冷循环中，工质从温度为73的冷源吸热 100kJ，并将热量 220KJ 传给温度为 27的热源，则此循环为：(b)。（a）可逆循环（b）不可逆循环（c）不可能实现4、工质经历了一个放热，升温，压力增加的多变过程，其多变指数变化的范围是（
18、b）。a、0 n 1；b、1 n k；c、n k；d、n 05、 系统经历了一个不可逆的放热过程， 过程中， 外界对系统作功 150kJ， 系统放热 100kJ，则系统的熵的变化（d）。a、S 0；b、S 0；c、S 0；d、无法判别6、热力学第一定律和第二定律表明，对于实际热力过程（c）。a、能量守恒，可用能也守恒；b、能量守恒，可用能增加；c、能量守恒，可用能减少；d、能量减少，可用能也减少。7、 空气在渐缩形喷管中作一元、 定熵流动， 已知进口状态 T1=300K、 p1=5bar、 cf1=100m/s，背压 pb=1bar，则喷管出口(a)。a、p2pp；b、2；c、2d、p2 pb
19、。p1p1p16三、分析题： （37 分）1、试推导理想气体定压比热cp与定容比热 cv关系式 ：cpcv= Rg（5 分）解：cpodhdTcvodudTcpo cvo Rg或cpocvo Rg2、燃气轮机理想简单循环的排气温度高达400500，这部分排气放到大气中的余热很为客观，有人提出下述三种方案，试分析是否有效，为什么？（1） 、将燃气轮机出口的排气送入另一个透平作功；（2） 、将排气送入压气机升压后在送入透平作功；（3） 、将排气送入回热器，预热压气机前的空气。（10 分）解： （1） 、 虽然燃气轮机理想简单循环的排气温度高达400500， 但压力已接近大气压力，无膨胀空间，所以不
20、可能将燃气轮机出口的排气送入另一个透平作功。（2） 、将排气送入压气机升压后在送入透平作功，不可能，因为压缩机消耗功与透平作功抵消。热机循环目的是热变功，无吸热过程，不可能实现热机循环。（3） 、将排气送入回热器，预热压气机前的空气，是可行的。压缩后温度升高，节能。3、试根据下列条件在无其他动力源的情况下，设计出两种低温余热利用装置的方案，并比较这两种方案在各自理想的条件下的余热利用率。低温余热源温度：t2150：高温热用户的温度：300；环境温度：25（提示：余热利用率即为向高温热源提供的热量与低温热源放热量之比。 ）（12 分）解：t 150Q2制冷机Q1t 300W0Q1,热机Q2,t
21、25（1） 、制冷机：Q2150273 2.82W0300150Q2 2.82W0Q1 3.82W0热机：25273 t Q1W0 Q11 0.48Q1300273 2.08W0Q1热利用率(2)、热机：7t 150Q1热机Q2t 25W0Q2,制冷机Q1,t 3003.82W02.08W0Q1Q1 0.617Q22.82W0W0 Q1t Q1125273 0.296Q1150273Q1 3.378W0制冷机： Q1300273 2.084W030025 2.084W0Q1热能利用率 2.084Q1 0.617Q13.3784、画出朗肯循环的 T-s图，并通过图说明蒸气初、终参数对循环热效率的
22、影响。 （10 分）T1提高蒸汽初温后：Tm1Tm1，Tm2Tm2T11T1Tm2由t1Tm1可知提高蒸汽初温后热效率提高。03022T2sTTm1，Tm2Tm2p1p111T提高蒸汽初压后：Tm1Tm2由t1Tm1可知提高蒸汽初压后热效率提高。003022T2sTm1降低乏气压力后：TTm1，Tm2Tm2003318T2T222此时虽然Tm1降低，但是它对整个加热过程的平均加热温度影响较小。Tm2由t1Tm1可知降低乏气压力后热效率提高。四、计算题： （52 分）1、有一储气罐，初始时其内部为真空，如图所示，现连接于输气管道进行充气。已知输气管内空气状态始终保持稳定，hp1 3Mpa，T1
23、300K，h1301.8kJ /kg。储气罐的容积为 0.5m3，当储2Mpa,时，停止充气。如忽略充气过程中气体的流动动能及重力位能的影响，而且真 空管路、储气罐、阀门都是绝热的，若该气体与温度的变化关系为u 0.72TkJ /kg，求充气后储气罐内气体的温度。（10 分）解：取储气罐为开口系统。dm0 qm1 qm2ddU0 qm1h1 0d00qm1d m0U02U01U0 h1qm1d m0h1m0u0 m0h1u0 h10. 7 2 T083 0 1.T0 4 1 9. 1 K72、压力为 6Mpa，干度为 0.75 的蒸汽稳定流经一个直径为 0.02m 的绝热管道，经过阀门后绝热节
24、流到 0.1Mpa。如图所示，若要求节流前后蒸汽的流速保持不变，则节流后管道直径为多少米？（12 分）p(Mpa)0.16D1解：稳定流动：qmh(kJ/kg)417.521213.3h(kJ/kg)2675.12783.8v(m /kg)0.00104320.00131903v(m /kg)1.69430.032443D2Acfv C9进口处： x1(v1v1) 0.0013190.75(0.032440.001319) 0.0247m3/kgv1 v1 x1(h1h1) 1213.30.75(2783.81213.3) 2391.175kJ /kgh1 h13.140.022A1 3.14
25、104m244出口处：d2h1 h1 2391.175kJ /kgx22391.175417.521973.655h2h2 0.874h2h22675.1417.522257.58 x2(v2v2) 0.00104320.874(1.69430.0010432)1.481m3/kgv2 v2Ac1f 1v1A2cf 2v2A1A2v1v2A13.14104A2 v21.4811.883102m2v10.0247d24A241.883102 0.155m3.143、有一台可逆热机，经历了定容吸热 1-2、定熵膨胀 2-3 和定温放热 3-1 之后完成了一个循环。假设工质是理想气体，比热为定值，循
26、环各点的温度T1、T2、T3已知。（1）试将此循环定性地表示在p-v 图和 T-s图上。（2）试写出循环热效率计算式。（3）试讨论改变哪一点参数可以提高循环热效率？用平均温度法在T-s图上加以说明。解： （1）PT22”213133”vs（2）吸热量：q1 cv0(T2T1)10因为 2-3 过程是定熵膨胀过程，所以有k1k1T2v2T3v3又因为 12 过程是定容吸热过程，所以v1v2；31 是定温放热过程，所以T1T3。所以k1k1k1T2v1k1T1v3T2v2T3v3v1 T1v3T21k1v1RgT1T1T放热量：q2 RgT1lnln cv0T1ln1v3k 1T2T2T1Tcv0
27、T1lnT1ln2q2T2T111所以热效率t1q1cv0(T2T1)T2T1（3）如图所示，通过提高状态点2 的参数可以提高循环热效率。Tm2从由平均温度表示的热效率公式：t1Tm1可以看出：提高状态点2 的参数后，平均放热温度Tm2不变，而平均吸热温度Tm1升高，所以循环热效率t提高。4、在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500降低到 250，所放出的热量用以生产水蒸气。 压力为 9.0Mpa， 温度为 30的锅炉给水被加热、 汽化、 过热成压力为 9.0Mpa，温度为 450的过热蒸汽。将烟气近似为空气，取比热为定值，且cp=1.079kJ/kgK。试求：（1）产生 1kg 过热蒸
28、汽需要多少 kg 烟气？（2）生产 1kg 过热蒸汽时，烟气熵的减小以及过热蒸汽的熵增各为多少？（3） 将烟气与水蒸气作为孤立系统， 求生产 1kg 过热蒸汽时， 孤立系统熵的增大为多少？设环境温度为 15，求作功能力损失。 （18 分）附表：未饱和水和过热蒸汽参数表（部分）p(Mpa)9.09.0t()30450h (kJ/kg)133.863256.0s(kJ/kgK)0.43386.4835解：（1） 、下标“1”代表烟气， “2”代表蒸汽， “ ”代表入口， “ ”代表出口。11t1) h2h2m1cp1(t1m1h2h23256.6133.863122.74 2.315kg需要 2.315kg 烟气。t1)1.079(1500250)1348.75cp1(t1T1250 2.3151.079ln 4.476kJ /kg.K（2） 、烟气熵的减少：S1 m1cp1lnT11500蒸汽熵的增加：S2 m2(s2 s2) 6.4835 0.4338 6.0497kJ /kg.K（3） 、Siso S1 S2 4.4766.0497 1.5737kJ /kg.K作功能力损失：WlT0Siso (15273)1.5737 453.226kJ12