2025年工程热力学试题及答案

2025年工程热力学试题及答案一、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.熵B.功C.温度D.比体积答案：B2.某闭口系经历一个可逆过程，系统与外界交换的热量为Q，对外做功为W，则系统内能变化ΔU为（）A.Q+WB.Q-WC.W-QD.-Q-W答案：B3.理想气体的内能和焓仅取决于（）A.压力B.温度C.体积D.熵答案：B4.卡诺循环的热效率ηc与（）有关A.高温热源温度T1和低温热源温度T2B.循环中吸收的热量Q1和放出的热量Q2C.工质的性质D.循环的不可逆程度答案：A5.某不可逆绝热过程中，系统的熵变ΔS（）A.大于0B.等于0C.小于0D.无法确定答案：A6.水蒸气定压发生过程中，从饱和水到干饱和蒸汽的阶段称为（）A.预热阶段B.汽化阶段C.过热阶段D.凝结阶段答案：B7.朗肯循环中，汽轮机入口蒸汽的（）越高，循环效率通常越高A.压力和温度B.压力和比体积C.温度和熵D.比体积和熵答案：A8.压气机采用多级压缩中间冷却的主要目的是（）A.减少压缩功B.提高排气温度C.增加排气压力D.简化设备结构答案：A9.对于理想气体的多变过程，当多变指数n=1时，过程为（）A.绝热过程B.定容过程C.定压过程D.定温过程答案：D10.热泵的性能系数COP（）制冷机的制冷系数εA.大于B.小于C.等于D.无法比较答案：A二、填空题（每空1分，共20分）1.热力学第一定律的实质是__________在热力学过程中的具体表现。答案：能量守恒定律2.理想气体状态方程的表达式为__________（用比参数表示）。答案：pv=RT3.熵的定义式为δs=__________（可逆过程）。答案：δq_rev/T4.卡诺循环的热效率ηc=__________。答案：1-T2/T15.实际气体的范德瓦尔方程为__________（用摩尔体积表示）。答案：(p+a/vm²)(vm-b)=RT6.水蒸气的临界参数包括临界温度、临界压力和__________。答案：临界比体积7.朗肯循环的基本设备包括锅炉、汽轮机、__________和给水泵。答案：冷凝器8.绝热过程中，理想气体（定比热容）的过程方程为__________。答案：pv^κ=常数（或T^κp^(1-κ)=常数等）9.压气机的三种典型压缩过程为等温压缩、绝热压缩和__________。答案：多变压缩10.对于理想气体的定容过程，热量q_v=__________（用内能变化表示）。答案：Δu11.热力学第二定律的克劳修斯表述是：__________。答案：不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其他变化12.孤立系统的熵增原理可表述为：孤立系统的熵__________。答案：永不减少（或只能增加或保持不变）13.湿空气的相对湿度φ=__________（用绝对湿度和饱和绝对湿度表示）。答案：ρ_v/ρ_s14.燃气轮机循环（布雷顿循环）的基本过程包括绝热压缩、定压加热、__________和定压放热。答案：绝热膨胀15.理想气体的比定压热容c_p与比定容热容c_v的关系为c_p=__________。答案：c_v+R16.可逆过程中，系统与外界交换的功可表示为w=∫__________dv（闭口系）。答案：p17.过热水蒸气的温度__________其压力下的饱和温度。答案：高于18.热泵的性能系数COP=__________（用供热量和输入功表示）。答案：Q1/W19.对于不可逆过程，系统的熵变ΔS=ΔS_sys+ΔS_surr__________0（填“>”“=”或“<”）。答案：>20.混合气体的分压力定律（道尔顿定律）指出：混合气体的总压力等于各组分气体的__________之和。答案：分压力三、简答题（每题6分，共30分）1.简述熵增原理的物理意义及其在工程中的应用。答案：熵增原理指出，孤立系统的熵只能增加或保持不变（可逆时不变，不可逆时增加），其实质是揭示了一切实际过程的方向性——自发过程总是朝着熵增加的方向进行。工程中可利用熵增原理判断过程的方向性（如热量自发从高温传向低温）、分析能量转换的不可逆损失（如通过计算熵产评估不可逆程度）、优化热力设备效率（如减少流动阻力、传热温差以降低熵产）。2.比较实际气体与理想气体的区别，说明在什么情况下可将实际气体视为理想气体。答案：理想气体假设分子间无作用力、分子体积可忽略，实际气体分子间存在作用力且分子有体积，尤其在高压、低温下偏差显著。当实际气体的压力较低（分子间距大，作用力可忽略）、温度较高（分子动能大，体积影响小）时，可近似为理想气体。例如，常温常压下的空气、氧气等可视为理想气体；但高压下的水蒸气（如锅炉中）或低温下的制冷剂需按实际气体处理。3.分析提高朗肯循环效率的主要途径。答案：（1）提高初参数：提高汽轮机入口蒸汽的压力（p1）和温度（t1），可增大平均吸热温度，减少冷源损失；（2）降低终参数：降低冷凝器压力（p2），降低排汽温度，增大循环温差；（3）采用再热循环：对汽轮机中膨胀后的蒸汽再次加热，提高排汽干度，减少湿汽损失；（4）采用回热循环：用抽汽加热给水，提高给水温度，减少锅炉吸热量，提高平均吸热温度；（5）减少不可逆损失：优化管道流动、降低传热温差，减少熵产。4.压气机为何采用多级压缩中间冷却？简述其原理。答案：多级压缩中间冷却可显著降低压缩功。单级压缩时，气体被压缩后温度升高，导致后续压缩所需功增加。多级压缩中，每级压缩后通过中间冷却器将气体冷却至初始温度（或接近），使每级压缩接近等温过程（等温压缩功最小）。例如，两级压缩中间冷却时，总压缩功为两级压缩功之和，小于单级绝热压缩功。同时，中间冷却可降低排气温度，避免润滑油结焦（对活塞式压气机），提高设备安全性和寿命。5.说明热力学第二定律克劳修斯表述与开尔文表述的等价性。答案：两种表述本质一致，均可通过反证法证明等价性。假设克劳修斯表述不成立（热量可自发从低温传至高温而无其他变化），则可将此热量与高温热源结合，驱动热机做功并向低温热源放热，最终等效于从单一热源吸热做功（违反开尔文表述）。反之，若开尔文表述不成立（热机从单一热源吸热全转化为功），则可用此功驱动制冷机将热量从低温传至高温，形成自发的热量逆向传递（违反克劳修斯表述）。因此，二者等价，共同揭示了能量转换的方向性。四、计算题（共30分）1.（10分）某闭口系内有2kg空气（视为理想气体，R=287J/(kg·K)，c_v=717J/(kg·K)），初始状态p1=0.5MPa，T1=300K。经历一个可逆定压加热过程，终态温度T2=500K。求：（1）终态体积V2；（2）过程中气体吸收的热量Q；（3）气体对外做的功W；（4）内能变化ΔU。解：（1）初始体积V1=mRT1/p1=2×287×300/(0.5×10^6)=0.3444m³定压过程p1=p2，V2/V1=T2/T1→V2=V1×T2/T1=0.3444×500/300=0.574m³（2）定压过程热量Q=mc_p(T2-T1)，c_p=c_v+R=717+287=1004J/(kg·K)Q=2×1004×(500-300)=401600J=401.6kJ（3）定压功W=p(V2-V1)=0.5×10^6×(0.574-0.3444)=114800J=114.8kJ（4）内能变化ΔU=mc_v(T2-T1)=2×717×200=286800J=286.8kJ2.（10分）某朗肯循环采用水蒸气作为工质，已知：锅炉出口蒸汽为p1=6MPa、t1=500℃的过热蒸汽（h1=3302kJ/kg，s1=6.880kJ/(kg·K)）；冷凝器压力p2=0.005MPa（对应饱和水焓h2'=137.8kJ/kg，饱和蒸汽焓h2''=2561kJ/kg，s2''=8.393kJ/(kg·K)）；汽轮机排汽为干度x=0.9的湿蒸汽，给水泵入口为饱和水。求：（1）汽轮机出口蒸汽的焓h2；（2）汽轮机做功wT；（3）给水泵做功wP（忽略水的压缩性，v2'≈0.001005m³/kg）；（4）循环热效率ηt。解：（1）h2=h2'+x(h2''-h2')=137.8+0.9×(2561-137.8)=137.8+0.9×2423.2=2318.7kJ/kg（2）汽轮机做功wT=h1-h2=3302-2318.7=983.3kJ/kg（3）给水泵做功wP=v2'(p1-p2)=0.001005×(6×10^6-0.005×10^6)=0.001005×5.995×10^6≈6025J/kg≈6.03kJ/kg给水泵出口焓h3=h2'+wP=137.8+6.03=143.83kJ/kg（4）锅炉吸热量q1=h1-h3=3302-143.83=3158.17kJ/kg循环净功w_net=wT-wP≈983.3-6.03=977.27kJ/kg热效率ηt=w_net/q1=977.27/3158.17≈30.9%3.（10分）某理想气体（κ=1.4，R=200J/(kg·K)）经历一个可逆绝热膨胀过程，初始状态p1=1MPa、T1=800K，终态压力p2=0.1MPa。求：（1）终态温度T2；（2）单位质量气体对外做功w；（3）过程中熵变Δs。解：（1）绝热过程T2=T1×(p2/p1)^[(κ-1)/κ]=800×(0.1/1)^[(1.4-1)/1.4]=800×(0.1)^(0.2857)≈800×0.517≈413.6K（2）绝热功w=(R/(κ-1))(T1-T2)=(200/(1.4-1))×(800-413.6)=500×386.4=193200J/kg=193.2kJ/kg（3）可逆绝热过程熵变Δs=0（或通过公式Δs=c_pln(T2/T1)-Rln(p2/p1)验证：c_p=κR/(κ-1)=1.4×200/0.4=700J/(kg·K)，Δs=700×ln(413.6/800)-200×ln(0.1/1)=700×(-0.648)-200×(-2.303)=-453.6+460.6≈7J/(kg·K)？此处计算错误，正确应为：绝热可逆过程Δs=0，因过程可逆且绝热，故熵不变。可能之前的温度计算有误，正确T2应满足p1^(1-κ)T1^κ=p2^(1-κ)T2^κ，即T2=T1×(p2/p1)^[(κ-1)/κ]=800×(0.1)^(0.4/1.4)=800×0.1^0.2857≈800×0.517=413.6K，此时Δs=c_pln(T2/T1)-Rln(p2/p1)=7