(2025年)工程热力学考试试卷(含答案)

(2025年)工程热力学考试试卷(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列参数中，属于过程量的是（）。A.温度B.熵C.热量D.比体积2.理想气体的热力学能和焓仅取决于（）。A.压力B.温度C.比体积D.熵3.某热力过程中，工质与外界无热量交换，则该过程为（）。A.定温过程B.定容过程C.绝热过程D.定压过程4.卡诺循环的效率仅与（）有关。A.工质种类B.热源与冷源温度C.循环吸热量D.循环功5.对于不可逆绝热过程，工质的熵变化量（）。A.大于0B.等于0C.小于0D.无法确定6.水蒸气的临界状态是指（）。A.气液两相平衡共存的状态B.气相与固相平衡的状态C.气液两相无法区分的状态D.液相与固相无法区分的状态7.朗肯循环中，提高汽轮机入口蒸汽初温，可使循环效率（）。A.提高B.降低C.不变D.先升后降8.某理想气体经历定压加热过程，其比热容比γ=1.4，则定压比热容cp与定容比热容cv的关系为（）。A.cp=cv+RgB.cv=cp+RgC.cp=1.4cvD.cv=1.4cp9.热泵的性能系数COP（）制冷机的性能系数ε。A.大于B.小于C.等于D.无法比较10.热力学第二定律的克劳修斯表述主要说明（）。A.能量转换的数量关系B.热功转换的方向性C.能量的守恒性D.工质状态的变化规律二、填空题（每空1分，共15分）1.热力学能是工质的（），包括分子（）和（）。2.可逆过程的条件是（）和（）。3.理想气体的迈耶公式为（），其中Rg为（）。4.朗肯循环的主要设备包括（）、（）、（）和冷凝器。5.熵产是（）的量度，其计算式为（）（用热量和温度表示）。6.水蒸气的定压发生过程分为（）、（）和（）三个阶段。三、简答题（每题8分，共32分）1.简述热力学第一定律与第二定律的区别与联系。2.实际热力循环的效率为何总是低于相同温限下的卡诺循环效率？3.分析水蒸气定压加热时，其比体积、温度与热量的变化关系（以未饱和水变为过热蒸汽为例）。4.比较理想气体与实际气体的内能变化特性，并说明原因。四、计算题（共33分）1.（10分）某活塞-气缸装置中盛有0.5kg的氮气（Rg=296.8J/(kg·K)，cv=742J/(kg·K)），初始状态为p1=0.5MPa，T1=300K。气体经历定压膨胀过程，温度升至500K。求：（1）气体对外做功量；（2）气体吸收的热量；（3）热力学能变化量。2.（10分）某燃气轮机循环（简化为布雷顿循环），压气机入口空气温度T1=300K，压力p1=0.1MPa；压气机增压比π=p2/p1=8，燃烧室出口温度T3=1200K。假设空气为理想气体（cp=1005J/(kg·K)，γ=1.4），忽略流动损失。求：（1）压气机出口温度T2；（2）涡轮机出口温度T4；（3）循环热效率。3.（13分）某汽轮机入口蒸汽参数为p1=3MPa，t1=400℃（h1=3230kJ/kg，s1=6.92kJ/(kg·K)），出口压力p2=0.01MPa（s2s=6.92kJ/(kg·K)时，h2s=2010kJ/kg；实际出口焓h2=2100kJ/kg）。蒸汽流量为100t/h，环境温度T0=300K。求：（1）汽轮机的实际输出功率；（2）该过程的熵产；（3）做功能力损失（火用损失）。答案一、单项选择题1.C2.B3.C4.B5.A6.C7.A8.A9.A10.B二、填空题1.状态参数；动能；势能（或热运动动能；分子间势能）2.过程无耗散；系统与外界随时保持平衡3.cp=cv+Rg；气体常数4.锅炉；汽轮机；给水泵5.过程不可逆程度；Δs_gen=Δs_sys-∫(δQ/T_b)（或Δs_gen=Δs_total）6.预热阶段（未饱和水→饱和水）；汽化阶段（饱和水→干饱和蒸汽）；过热阶段（干饱和蒸汽→过热蒸汽）三、简答题1.区别：第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，说明能量转换的数量关系；第二定律指出能量转换的方向性和限度，说明并非所有符合能量守恒的过程都能自发进行。联系：两者共同构成热力学的理论基础，第一定律是第二定律的前提（能量守恒是方向性的约束条件），第二定律补充了第一定律未涉及的能量品质问题。2.原因：①卡诺循环是理想可逆循环，而实际循环存在不可逆因素（如摩擦、温差传热、节流等），导致熵产增加，效率降低；②实际循环的热源和冷源并非恒温（如锅炉内烟气温度逐渐降低，冷凝器内冷却水温度逐渐升高），无法实现卡诺循环的等温吸热/放热；③工质性质偏离理想气体或理想液体，导致能量转换效率下降。3.定压加热时，未饱和水先吸收热量温度升高（比体积略有增大），直至达到饱和温度（预热阶段）；继续加热，水开始汽化，温度保持饱和温度不变，比体积显著增大（汽化阶段）；全部汽化后（干饱和蒸汽），继续加热则温度升高（过热阶段），比体积进一步增大。三个阶段中，预热和过热阶段的热量用于增加工质的显热（温度变化），汽化阶段的热量为潜热（用于相变，温度不变）。4.理想气体的内能仅与温度有关（u=u(T)），因为忽略了分子间作用力，无势能变化；实际气体的内能是温度和比体积的函数（u=u(T,v)），因为分子间存在作用力，势能随v变化，而动能随T变化。当实际气体压力很低（接近理想气体）时，分子间距大，势能可忽略，内能近似仅与温度有关。四、计算题1.（1）定压过程做功：W=pΔV=mRgΔT=0.5×296.8×(500-300)=29680J=29.68kJ（2）吸热量：Q=mc_pΔT，c_p=cv+Rg=742+296.8=1038.8J/(kg·K)，Q=0.5×1038.8×200=103880J=103.88kJ（3）热力学能变化：ΔU=mcvΔT=0.5×742×200=74200J=74.2kJ2.（1）压气机出口温度（绝热压缩）：T2=T1π^[(γ-1)/γ]=300×8^[(1.4-1)/1.4]≈300×1.811=543.3K（2）涡轮机入口温度T3=1200K，膨胀过程绝热：T4=T3/π^[(γ-1)/γ]=1200/1.811≈662.6K（3）循环净功：w_net=(h3-h4)-(h2-h1)=cp(T3-T4)-cp(T2-T1)=1005×(1200-662.6)-1005×(543.3-300)=1005×(537.4-243.3)=1005×294.1≈295570.5J/kg吸热量q1=h3-h2=cp(T3-T2)=1005×(1200-543.3)=1005×656.7≈660,000J/kg（近似）效率η=w_net/q1≈295570.5/660000≈44.8%3.（1）实际输出功率：P=q_m(h1-h2)=100×1000/3600×(3230-2100)=(100000/3600)×1130≈31388.9kW≈31.39MW（2）熵产：Δs_gen=s2-s1（绝热过程Q=0，Δs_sys=Δs_gen）。查p2=0.01MPa时，饱和水s'=0.649kJ/(kg·K)，干饱和蒸汽s''=8.150kJ/(kg·K)。实际s2=h2对应的熵（需插值）：假设实际过程不可逆，s2>s1=6.92kJ/(kg·K)。但题目已给h2=2100kJ/kg，需计算s2：h2=2100kJ/kg介于h'=191.8kJ/kg（饱和水）和h''=2583.8kJ/kg（干饱和蒸汽）之间，干度x=(2100-191.8)/(2583.8-191.8)=1908.2/2392≈0.798，故s2=s'+x(s''-s')=0.649+0.798×(8.150-0.649)=0.649+0.798×7.501≈0.649+5.986≈6.635kJ/(kg·K)（注：此处可能题目数据矛盾，因s1=6.92>s2=6.635，实际应为s2>s1，可能题目中h2s=2010对应s2s=6.92，实际h2=2100时s2>6.92，正确计算应为：s2=s1+Δs_gen，Δs_gen=(h2-h2s)/(T_avg)（但更简单方法是直接用s2=s1+(h2-h2s)/T0？不，正确方法是：对于绝热过程，熵产Δs_gen=s2-s1，而实际h2>h2s（因不可逆损失），故s2>s1。假设题目中h2=2100，h2s=2010，s1=6.92=s2s