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1、工程热力学一、填空（每空 2 分，总计 20 分）1、基本热力学状态参数有：（压力）、（温度）、（体积）。2、根据系统与外界有无质量交换可将系统分为：（开口系统）、（闭口系统）。3、热力平衡的充要条件是：（系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零）。4、理想气体是实际气体在（高温）、（低压）时的抽象。5、热力学第一定律的两种表达式分别是：（Q=U+W）、（Q=H+Wt）。二、简答题（20 分）1、实现机械能和热能相互转化的工质要求具备哪些性质，什么最适合做工质？理想气体的假设是什么?（5 分）答：1）实现机械能和热能相互转化的工质要求具备：膨胀性,热容量,流动性；稳定性，安全性,对环境
2、友善价廉，易大量获取；2）气体最适合做工质；2 2 分分1 1 分分2 2 分分3）理想气体的假设：分子是些弹性的、不具体积的质点，分子间互相没有作用力。2、如图 1 所示的电加热装置，容器中盛有空气，并设有电阻丝，试问取什么为系统，系统与外界交换的是热量；取什么为系统，系统与外界交换的是电功；取什么为系统，系统与外界没有任何能量交换。（5 分）答：取容器内的空气为系统，系统与外界交换的是热量；取容器内的空气和电热丝为系统，系统与外界交换的是电功；图11 1 分分2 2 分分取绝热容器和电热丝、电源为系统，系统与外界没有任何能量交换。2 2 分分3、如图 2 所示，在两恒温热源T11000K、
3、T2300K 之间工作的热机作出的循环静功为Wnet。热机从高温热源吸热量为Q1，向冷源放热为Q2。分别采用卡若定理和克劳修斯积分来分析下面的热机是否能实现?（10 分）(1)若Q12000kJ,Q2=000kJ,Wnet=1200kJ，则该热机能否实现？(2)若Q12000kJ,Q2=500kJ,Wnet=1500kJ，则该热机能否实现？答：方法一、采用卡诺定理5 5 分分（1）卡诺热机的效率为：tC1T23001 70%T11000图2实际的工作效率为：t能实现。w1200 60%所以，ttC，即该热机不可2000能实现。5 5 分分方法二、采用克劳修斯积分Q2000800（1）该热 0.
4、667kJ/K 0,符合克劳修斯积分不等式，T1000300机可能实现。Q2000500（2）该热机 0.333kJ/K 0,违背克劳修斯积分不等式，T1000300不可能实现。三、计算题：（60 分）1、气缸中密封有空气，初态为，p1=0.2MPa,V1=0.4m3，缓慢胀到V2 0.8m3。（1）过程中pV持不变；（2）过程中气体先循pMPa 0.4 0.5Vm3膨胀到Vm 0.6m3，再维持压力不变，膨胀到V2=0.8m3。分别求出两过程中气体作出的膨胀功。(10 分)解：（1）由气体的膨胀功定义可得，1 1 分分1 1 分分1 1 分分1 1 分分(2)根据题意，此时气体的膨胀功可写为
5、，1 1 分分2 2 分分1 1 分分1 1 分分1 1 分分2、1kmol 氮气由 p1=1MPa，T1=400K 变化到 p2=0.4MPa，T2=900K，求：熵变量S。（1）摩尔热容可近似为定值；（2）藉助气体热力表计算。（10 分）解：（1）摩尔热容近似为定值氮为双原子气体摩尔熵变量：1 1 分分1 1 分分1 1 分分1 1 分分熵变量：（2）热容为变值时1 1 分分2 2 分分1 1 分分1 1 分分1 1 分分3、1mol 理想气体，从状态1经定压过程达状态2，再经定容过程达状态3，另一途径为经1-3直接到达3（见图3），1-3 为直线。已知p1=0.1MPa，T1=300K，
6、v2=3v1，p3=2p2，试证明：(10分)证明：（1）由热力学第一定律，图3因 23 为定容过程，W23=0，（a）（b）两式相加得而2 2 分分在p-v 图上，过程线下面积代表过程功，显见W1-3W1-2或所以W1-3W1-2因此，1 1 分分（2）12 为定压过程，则有所以，23 为定容过程，则有所以，2 2 分分4 4 分分1 1 分分4、1.5kmol 某种单原子理想气体，由45,3m3可逆绝热膨胀到 1atm，然后在此状态的温度下定温可逆压缩回到3m3。（按定值摩尔热容分析）（1）画出各过程的p-v图及T-S图；（2）计算整个过程的Q，W，U，H及S。（15 分）解：P1nRT1
7、15008.314(27345)1.321926106Pa13.05atmV132 2 分分1 1 分分11P2kk1atm1.67)1.67113.48K从而有T2T1()318(P13.05atm111P13.05atm1.671k)13.97m3V2V1()3(P21atm1 1 分分1 1 分分1 1 分分1 1 分分T3 T2 113.48K,V3 V1 3m3P315008.314113.48 4.72105Pa3等温过程热量=膨胀功=技术功Q123 Q12Q23 Q23 QT 23 nRT lnV3V21 1 分分1.58.314113.48ln3 2177kJ13.971 1
8、分分V32 2 分分V2W1-2-3W12W23(U1U2)WT 23 nCvm(T1T2)nRT ln1.53R(318113.48)(2177)1649kJ21 1 分分1 1 分分 U13 Q13W13 2177 1649 3826kJH13 nCpm(T3T1)1.55R(T3T1)6366kJ21 1 分分1 1 分分TV 113.483 19.3kJS13 nCvmln3 Rln31500RlnT1V131825、某理想气体经历 4 个过程，如 Ts 图（图 4）1）将各过程画在 pv 图上，并说明作图过程；2）指出过程加热或放热，膨胀或压缩，升温或降温。（15 分）解：因为：q u w1-3：1 n13 k，且T3T1及S30,q0所以w0边压缩、边放热、边升温1-2：k n12 且T2T1及S2S1，则u0,q0边膨胀、边放热、边降温1-4：0 n14 且T4T1及S4 S1u0,q0w Rgn1T1T40边膨胀、边吸热、边升温3 3 分分1-5：1 n15 k且T5S1u0,w0边膨胀、边吸热、边降温图43 3 分分3 3 分分