2025年度工程热力学试题附答案

2025年度工程热力学试题附答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列参数中，不属于状态参数的是（）A.热力学能uB.焓hC.熵sD.膨胀功w2.某理想气体经历绝热自由膨胀过程，初态温度T₁，终态温度T₂，则（）A.T₂>T₁B.T₂=T₁C.T₂<T₁D.无法确定3.卡诺循环的热效率仅取决于（）A.循环中吸热和放热的热量B.高温热源和低温热源的温度C.工质的性质D.循环的不可逆程度4.对于定容过程，理想气体的热量计算公式为（）A.q=c_pΔTB.q=c_vΔTC.q=ΔhD.q=w+Δu5.水蒸气的定压发生过程中，下列阶段不涉及温度变化的是（）A.未饱和水预热阶段B.饱和水蒸发为干饱和蒸汽阶段C.干饱和蒸汽过热阶段D.以上均涉及温度变化6.某热力系统与外界无质量交换，但有热量交换，该系统属于（）A.孤立系统B.闭口系统C.开口系统D.绝热系统7.实际气体的压缩因子Z>1时，说明实际气体比理想气体（）A.更易压缩B.更难压缩C.压缩性相同D.无法判断8.下列关于熵增原理的描述，错误的是（）A.孤立系统的熵只能增加或保持不变B.不可逆过程的熵产大于零C.可逆过程的熵变等于熵流D.绝热过程的熵一定增加9.朗肯循环中，提高蒸汽初温可有效提高循环效率，主要原因是（）A.减少了凝结水的焓值B.增加了平均吸热温度C.降低了排汽压力D.减少了汽轮机的不可逆损失10.某理想气体的比热容比γ=1.4，其定压比热容c_p与定容比热容c_v的关系为（）A.c_p=1.4c_vB.c_v=1.4c_pC.c_p=c_v+R_gD.c_v=c_p+R_g二、填空题（每空2分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式对闭口系统可写为__________，对稳定流动开口系统可写为__________。2.理想气体的热力学能和焓仅是__________的函数，其熵变可通过__________或__________计算。3.卡诺定理指出，在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率__________；不可逆循环的热效率__________可逆循环的热效率。4.水蒸气的临界状态是指__________和__________相等的状态，此时汽化潜热为__________。三、简答题（每题8分，共40分）1.说明热力学第一定律和第二定律的本质区别，并举例说明二者的联合应用。2.简述理想气体与实际气体的主要差异，实际工程中如何判断是否可将气体视为理想气体？3.分析定温过程中理想气体的热量、功和热力学能变化的关系（用公式和文字说明）。4.比较朗肯循环与卡诺循环的区别，为什么蒸汽动力循环不采用卡诺循环？5.解释“熵产”的物理意义，并说明其在不可逆过程分析中的作用。四、计算题（每题10分，共40分）1.0.5kg的空气（视为理想气体，R_g=0.287kJ/(kg·K)，c_v=0.718kJ/(kg·K)）在闭口系统中经历一个可逆多变过程，初态p₁=0.5MPa，T₁=300K，终态p₂=0.1MPa，体积膨胀为原来的3倍。求：（1）多变指数n；（2）过程中空气的热力学能变化ΔU；（3）过程中交换的热量Q。2.某蒸汽动力循环采用朗肯循环，初参数为p₁=10MPa，t₁=500℃（h₁=3373kJ/kg，s₁=6.596kJ/(kg·K)），排汽压力p₂=0.005MPa（h₂=2143kJ/kg，h₂'=137.8kJ/kg，s₂=s₁），凝结水经水泵加压后进入锅炉（水泵耗功w_p=10kJ/kg）。求：（1）汽轮机的做功量w_t；（2）循环吸热量q₁；（3）循环热效率η_t。3.一卡诺制冷机工作在-10℃的低温热源和30℃的高温热源之间，制冷量Q₂=5000kJ/h。求：（1）制冷系数ε；（2）消耗的功W；（3）高温热源放出的热量Q₁。4.1mol的氧气（视为理想气体，C_p,m=29.3J/(mol·K)）在定压下从20℃加热到120℃。求：（1）氧气的热力学能变化ΔU；（2）焓变ΔH；（3）熵变ΔS（R=8.314J/(mol·K)）。答案一、单项选择题1.D2.B3.B4.B5.B6.B7.B8.D9.B10.C二、填空题1.Q=ΔU+W；Q=ΔH+W_t（或q=Δh+w_t）2.温度；c_vln(T₂/T₁)+R_gln(v₂/v₁)；c_pln(T₂/T₁)-R_gln(p₂/p₁)3.相等；小于4.饱和液体；饱和蒸汽；零三、简答题1.热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，描述能量的“量”的守恒；第二定律则指出能量转换的“质”的方向性（如热不能自发从低温传向高温，或热不能全部转化为功而不引起其他变化）。二者联合应用例如：设计热机时，第一定律保证输入热量等于输出功加排出热量（能量守恒），第二定律则限制热机效率不能超过卡诺效率（方向性限制）。2.理想气体假设分子无体积、分子间无作用力，实际气体在高压低温下分子体积和作用力不可忽略。工程中，当气体压力较低、温度较高（远离临界状态）时，可视为理想气体（如常温常压下的空气、氧气）；高压或低温（如内燃机中的高压燃气、蒸汽动力循环中的水蒸气）需按实际气体处理。3.定温过程T=常数，理想气体u=f(T)，故Δu=0。由热力学第一定律Q=Δu+W=W。功的计算：W=∫pdv=nRTln(v₂/v₁)=p₁v₁ln(v₂/v₁)（或p₁v₁ln(p₁/p₂)）。因此，定温过程中气体吸收的热量全部转化为对外做功（或外界对气体做功全部转化为放热量）。4.朗肯循环工质为水蒸气，包含相变过程，吸热和放热在变温下进行；卡诺循环要求等温吸热/放热和绝热过程，效率最高但难以实现。蒸汽动力循环不采用卡诺循环的原因：①卡诺循环要求冷凝器温度等于环境温度，汽轮机排汽湿度大（膨胀终点接近饱和水线），会损坏叶片；②锅炉中若采用等温吸热（需保持水在饱和温度下蒸发），则无法利用高温热源提高平均吸热温度，导致效率提升受限。5.熵产是过程不可逆性的量度，反映由于不可逆因素（如摩擦、温差传热）引起的熵增。对于任意过程，系统熵变=熵流+熵产（ΔS=S_f+S_g）。熵产S_g≥0（可逆时为0，不可逆时>0），通过计算熵产可定量分析过程的不可逆程度，指导优化（如减少摩擦、减小传热温差）。四、计算题1.（1）多变过程p₁v₁ⁿ=p₂v₂ⁿ，v₂=3v₁，故n=ln(p₁/p₂)/ln(v₂/v₁)=ln(0.5/0.1)/ln(3)=ln5/ln3≈1.465。（2）T₂=T₁(p₂/p₁)^[(n-1)/n]×(v₂/v₁)^(n-1)（或由理想气体状态方程p₁v₁=R_gT₁，p₂v₂=R_gT₂，v₂=3v₁，得T₂=(p₂v₂)/(p₁v₁)T₁=(0.1×3/0.5)×300=180K）；ΔU=mc_v(T₂-T₁)=0.5×0.718×(180-300)=0.5×0.718×(-120)=-43.08kJ（负号表示热力学能减少）。（3）多变过程功W=∫pdv=mR_g(T₁-T₂)/(n-1)=0.5×0.287×(300-180)/(1.465-1)=0.5×0.287×120/0.465≈37.07kJ；由热力学第一定律Q=ΔU+W=-43.08+37.07≈-6.01kJ（负号表示系统放热）。2.（1）汽轮机做功w_t=h₁-h₂=3373-2143=1230kJ/kg。（2）锅炉吸热量q₁=h₁-h₄，h₄为水泵出口焓，h₄=h₂'+w_p=137.8+10=147.8kJ/kg，故q₁=3373-147.8=3225.2kJ/kg。（3）循环净功w_net=w_t-w_p=1230-10=1220kJ/kg；热效率η_t=w_net/q₁=1220/3225.2≈37.8%。3.（1）制冷系数ε=T₂/(T₁-T₂)=(273-10)/(30-(-10))=263/40=6.575。（2）消耗功W=Q₂/ε=5000/6.575≈760.5kJ/h。（3）高温热源放热Q₁=Q₂+W=5000+760.5=5760.5kJ/h。4.（1）ΔU=nC_v,mΔT，C_v,m=C_p,m-R=29.