2025年工程热力学考试题及答案

2025年工程热力学考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某闭口系统经历一个不可逆绝热过程，系统熵变ΔS_sys与环境熵变ΔS_surr的关系为（）A.ΔS_sys>0，ΔS_surr=0B.ΔS_sys=0，ΔS_surr>0C.ΔS_sys>0，ΔS_surr>0D.ΔS_sys=0，ΔS_surr=02.理想气体在定温过程中，内能变化Δu和焓变Δh的关系为（）A.Δu>ΔhB.Δu=ΔhC.Δu<ΔhD.无法确定3.某实际循环的热效率η=38%，相同温限下卡诺循环效率η_c=45%，则该循环的有效能效率（）A.大于38%B.等于38%C.小于38%D.无法判断4.水蒸气在汽轮机中膨胀做功，若忽略动势能变化，其能量方程可简化为（）A.q=Δh+w_tB.w_t=h_1-h_2C.q=Δu+wD.w=h_1-h_25.绝热节流过程中，工质的（）A.焓不变，熵增加B.焓增加，熵不变C.焓减少，熵增加D.焓不变，熵减少6.某燃气轮机循环中，压气机绝热效率η_c=0.85，若实际压缩功为w_c,则理想压缩功为（）A.0.85w_cB.w_c/0.85C.1.15w_cD.无法确定7.对于R22蒸汽压缩制冷循环，若冷凝温度升高而蒸发温度不变，其制冷系数COP将（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减8.某理想气体经历n=1.2的多变膨胀过程，过程中气体（）A.吸热，对外做功B.放热，对外做功C.吸热，外界对气体做功D.放热，外界对气体做功9.下列参数中，不属于状态参数的是（）A.热力学能uB.热量qC.熵sD.焓h10.某双原子理想气体（γ=1.4）经历定容加热过程，温度由300K升至500K，其熵变Δs=（）（c_v=0.717kJ/(kg·K)）A.0.717×ln(500/300)B.0.717×ln(300/500)C.1.004×ln(500/300)D.1.004×ln(300/500)二、简答题（每题6分，共30分）1.简述热力学第一定律与第二定律的本质区别及联系。2.分析提高朗肯循环热效率的主要措施，并说明各措施的热力学原理。3.理想气体的内能和焓仅为温度的函数，而实际气体的内能和焓还与压力有关，试从分子运动论角度解释其原因。4.绝热过程是否一定是定熵过程？若不是，二者的区别是什么？5.简述蒸汽压缩制冷循环中膨胀阀的作用，并说明为何不采用膨胀机代替膨胀阀。三、计算题（每题15分，共60分）1.某闭口系统内有2kg空气（视为理想气体，R_g=0.287kJ/(kg·K)，c_p=1.004kJ/(kg·K)），初始状态p1=0.5MPa，T1=300K。系统经历一个可逆过程后，状态变为p2=0.1MPa，T2=450K。已知过程中系统从外界吸热150kJ，求该过程中气体对外做的功及熵变。2.某活塞式压气机吸入p1=0.1MPa、T1=300K的空气（视为理想气体，γ=1.4），经多变压缩（n=1.3）至p2=0.8MPa。若压气机流量为5kg/min，求：（1）压缩终了温度T2；（2）压缩过程中每千克气体放出的热量；（3）压气机的理论功率（忽略动势能变化）。3.某朗肯循环采用水蒸气为工质，初参数为p1=10MPa、t1=500℃（h1=3373.7kJ/kg，s1=6.596kJ/(kg·K)），背压p2=0.005MPa（饱和水h2'=137.8kJ/kg，h2''=2561.4kJ/kg，s2'=0.476kJ/(kg·K)，s2''=8.393kJ/(kg·K)）。假设汽轮机内为可逆绝热膨胀，泵为可逆绝热压缩，求：（1）汽轮机出口蒸汽的干度；（2）循环净功；（3）循环热效率；（4）若实际汽轮机效率η_t=0.85，求实际循环热效率。4.某蒸汽压缩制冷循环采用R134a为工质，蒸发温度t_e=-10℃（p_e=0.200MPa，h1=392.2kJ/kg，s1=1.731kJ/(kg·K)），冷凝温度t_c=35℃（p_c=0.888MPa，h2=414.2kJ/kg，h3=249.1kJ/kg）。压缩机为可逆绝热压缩，求：（1）压缩机出口焓h2；（2）单位质量制冷量q_e；（3）单位质量压缩功w_c；（4）制冷系数COP。四、综合分析题（20分）某电厂实际运行中，由于锅炉受热面结垢，导致新蒸汽初温t1较设计值降低10℃，同时因凝汽器冷却水量不足，背压p2较设计值升高0.002MPa。试结合T-s图分析这两种变化对朗肯循环热效率、汽轮机做功量及冷凝器换热量的影响，并提出针对性的优化建议。答案一、选择题1.A2.B3.A4.B5.A6.B7.B8.A9.B10.A二、简答题1.热力学第一定律本质是能量守恒定律，描述能量转换的数量关系；第二定律揭示能量转换的方向性和限度，指出并非所有满足能量守恒的过程都能自发进行。联系：二者共同构成热力学基础，第一定律是第二定律的前提，第二定律补充了第一定律未涉及的方向问题。2.主要措施：（1）提高初温t1：增大平均吸热温度，减少放热量；（2）提高初压p1：增加单位质量工质做功量，但需避免湿度过高；（3）降低背压p2：减小平均放热温度；（4）采用再热循环：减少汽轮机末级湿度，提高做功能力；（5）采用回热循环：利用抽汽加热给水，提高吸热平均温度。3.理想气体分子间无相互作用，内能仅包含分子动能（与温度相关），焓h=u+pν=u+R_gT，故也仅为温度函数。实际气体分子间存在作用力，内能包含分子动能和势能（与分子间距即压力相关），因此内能和焓不仅与温度有关，还与压力（或比容）有关。4.绝热过程不一定是定熵过程。绝热过程指q=0，而定熵过程是Δs=0的可逆过程。不可逆绝热过程中，熵会增加（Δs>0），因此只有可逆绝热过程才是定熵过程，不可逆绝热过程是熵增过程。5.膨胀阀的作用：使高压液态工质节流降压至蒸发压力，同时调节流量以维持蒸发器内压力稳定。不采用膨胀机的原因：液态工质膨胀功很小，膨胀机效率低；节流过程简单可靠，成本低；避免膨胀机中液滴冲击叶片造成损坏。三、计算题1.解：（1）由理想气体状态方程，初态比容ν1=R_gT1/p1=0.287×300/(0.5×1000)=0.1722m³/kg终态比容ν2=R_gT2/p2=0.287×450/(0.1×1000)=1.2915m³/kg闭口系统能量方程：Q=ΔU+W→W=Q-mc_v(T2-T1)c_v=c_p-R_g=1.004-0.287=0.717kJ/(kg·K)ΔU=mc_v(T2-T1)=2×0.717×(450-300)=215.1kJW=150-215.1=-65.1kJ（负号表示外界对系统做功）（2）熵变ΔS=m(c_pln(T2/T1)-R_gln(p2/p1))=2×[1.004×ln(450/300)-0.287×ln(0.1/0.5)]=2×[1.004×0.4055-0.287×(-1.6094)]=2×[0.407+0.462]=2×0.869=1.738kJ/K2.解：（1）多变过程温度关系：T2=T1(p2/p1)^[(n-1)/n]=300×(0.8/0.1)^[(1.3-1)/1.3]=300×8^0.2308≈300×1.714=514.2K（2）多变过程热量q=(n-γ)/(n(γ-1))R_g(T2-T1)R_g=R/μ=8.314/29≈0.2867kJ/(kg·K)q=(1.3-1.4)/(1.3×0.4)×0.2867×(514.2-300)=(-0.1)/(0.52)×0.2867×214.2≈-0.1923×61.4≈-11.8kJ/kg（负号表示放热）（3）压缩功w_c=(nR_g(T1-T2))/(n-1)=(1.3×0.2867×(300-514.2))/(1.3-1)=(1.3×0.2867×(-214.2))/0.3≈(-80.0)/0.3≈-266.7kJ/kg（负号表示外界做功）理论功率P=qm×|w_c|=5/60×266.7≈22.2kW3.解：（1）汽轮机可逆绝热膨胀，s2=s1=6.596kJ/(kg·K)s2=s2'+x(s2''-s2')→x=(s2-s2')/(s2''-s2')=(6.596-0.476)/(8.393-0.476)=6.12/7.917≈0.773（2）汽轮机做功w_t=h1-h2=h1-[h2'+x(h2''-h2')]=3373.7-[137.8+0.773×(2561.4-137.8)]=3373.7-(137.8+1873.4)=3373.7-2011.2=1362.5kJ/kg泵功w_p=ν2'(p1-p2)≈ν2'(p1-p2)（ν2'≈0.001005m³/kg）w_p=0.001005×(10×1000-0.005×1000)=0.001005×9995≈10.04kJ/kg循环净功w_net=w_t-w_p=1362.5-10.04≈1352.46kJ/kg（3）吸热量q1=h1-h4=h1-(h2'+w_p)=3373.7-(137.8+10.04)=3373.7-147.84=3225.86kJ/kg热效率η=w_net/q1=1352.46/3225.86≈41.9%（4）实际汽轮机做功w_t'=η_t×w_t=0.85×1362.5=1158.1kJ/kg实际净功w_net'=1158.1-10.04=1148.06kJ/kg实际热效率η'=1148.06/3225.86≈35.6%4.解：（1）压缩机可逆绝热压缩，s2=s1=1.731kJ/(kg·K)查R134a压焓图，p_c=0.888MPa时，s=1.731kJ/(kg·K)对应的h2≈414.2kJ/kg（题目已给出）（2）单位制冷量q_e=h1-h4=h1-h3=392.2-249.1=143.1kJ/kg（3）压缩功w_c=h2-h1=414.2-392.2=22kJ/kg（4）COP=q_e/w_c=143.1/22≈6.5四、综合分析题初温降低10℃：在T-s图上，吸热过程线左移，平均吸热温度T1m降低，吸热量q1略有减少（因h1降低），但汽轮机做功w_t=h1-h2减少更显著（h1下降且h2可能因排汽干度降低而略有变化），导致循环净功w_net减少；同时，平均放热温度T2m不变（背压未变时），故热效率η=w_net/q1降低。