2025年热工基础考试题(附参考答案解析)

2025年热工基础考试题(附参考答案解析)一、单项选择题（每题3分，共15分）1.某理想气体经历绝热自由膨胀过程，其热力学能变化Δu和熵变Δs的正确关系是（）A.Δu>0，Δs=0B.Δu=0，Δs>0C.Δu<0，Δs<0D.Δu=0，Δs=02.对于实际气体，当压力趋近于零时，其性质趋近于理想气体的原因是（）A.分子间势能可忽略B.分子体积不可忽略C.分子间碰撞频率降低D.分子热运动速度增大3.下列关于对流换热的描述中，错误的是（）A.强制对流的换热系数通常大于自然对流B.流体相变时的对流换热系数一般较大C.湍流流动的换热系数小于层流流动D.流体与壁面的温差会影响对流换热量4.某可逆循环的温熵图（T-s图）为矩形，高温热源温度T1=600K，低温热源温度T2=300K，该循环的热效率为（）A.25%B.50%C.75%D.100%5.水蒸气在定压加热过程中，若其温度从饱和温度继续升高，则其状态变化为（）A.未饱和水→饱和水→湿蒸汽→干饱和蒸汽→过热蒸汽B.饱和水→湿蒸汽→干饱和蒸汽→过热蒸汽C.未饱和水→湿蒸汽→干饱和蒸汽→过热蒸汽D.湿蒸汽→干饱和蒸汽→过热蒸汽二、填空题（每空2分，共20分）1.热力学第一定律的实质是__________在热现象中的具体表现。2.理想气体的比定容热容cv与比定压热容cp的关系为__________（用符号表示）。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.导热的基本定律是__________，其数学表达式为__________。5.对于朗肯循环，提高蒸汽初参数（初压、初温）可__________循环热效率；降低乏汽压力可__________循环热效率。6.熵产是过程__________的量度，熵产大于零的过程为__________过程。三、简答题（每题8分，共24分）1.简述热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述，并说明两者的等价性。2.分析影响导热系数的主要因素，并举例说明工程中如何利用或抑制导热。3.对比理想气体的定容过程和定压过程，说明两者在热量计算、功量计算及热力学能变化上的差异。四、计算题（共41分）1.（12分）1kg空气在活塞式气缸中经历定温膨胀过程，初始状态p1=0.5MPa、T1=300K，终态压力p2=0.1MPa。已知空气的气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)，比热容比κ=1.4。求：（1）膨胀过程中空气对外做的功；（2）过程中吸收的热量；（3）熵变Δs。2.（15分）某蒸汽动力循环中，汽轮机入口蒸汽为p1=10MPa、t1=500℃的过热蒸汽，乏汽压力p2=0.005MPa（饱和压力，对应的饱和温度t2=32.9℃，饱和水比焓h''=137.8kJ/kg，干饱和蒸汽比焓h'=2561.6kJ/kg）。若汽轮机的相对内效率ηri=0.85，求：（1）汽轮机入口蒸汽的比焓h1（已知p=10MPa、t=500℃时，h1=3373.7kJ/kg）；（2）理想情况下（可逆膨胀）汽轮机出口蒸汽的干度x0；（3）实际出口蒸汽的比焓h2；（4）每千克蒸汽在汽轮机中实际做功量。3.（14分）一台逆流式换热器用于加热水，热流体为油（cp=2.1kJ/(kg·K)），流量m1=2kg/s，入口温度T1=150℃，出口温度T2=80℃；冷流体为水（cp=4.18kJ/(kg·K)），入口温度t1=20℃，出口温度t2=60℃。求：（1）换热器的换热量Q；（2）水的质量流量m2；（3）换热器的对数平均温差Δtm（已知热流体出口温度T2=80℃，冷流体出口温度t2=60℃，热流体入口温度T1=150℃，冷流体入口温度t1=20℃）。参考答案及解析一、单项选择题1.B解析：绝热自由膨胀过程中，气体向真空膨胀，不对外做功（W=0），绝热过程Q=0，由热力学第一定律Q=ΔU+W得ΔU=0，故Δu=0。该过程不可逆，熵产大于零，故Δs>0。2.A解析：理想气体假设分子本身无体积、分子间无相互作用力（势能为零）。实际气体压力趋近于零时，分子间距增大，分子间势能可忽略，接近理想气体。3.C解析：湍流流动中流体微团混合剧烈，换热系数通常大于层流流动，故C错误。4.B解析：卡诺循环效率η=1-T2/T1=1-300/600=50%，矩形T-s图对应可逆循环，效率等于卡诺效率。5.B解析：定压加热时，若初始状态为饱和水（已达到沸点），则依次经历湿蒸汽（汽水混合物）、干饱和蒸汽（不含水）、过热蒸汽（温度高于沸点）。二、填空题1.能量守恒定律2.cp=cv+Rg3.相等；小于4.傅里叶定律；q=-λ(∂T/∂n)5.提高；提高6.不可逆性；不可逆三、简答题1.克劳修斯表述：“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。”开尔文表述：“不可能从单一热源取热，并使之完全变为功而不引起其他变化。”两者等价性可通过反证法证明：若违反克劳修斯表述，则可构造违反开尔文表述的循环；反之亦然，说明两种表述本质一致，均揭示了热过程的方向性。2.影响导热系数的因素：（1）物质种类：金属>非金属固体>液体>气体（如铜λ≈401W/(m·K)，空气λ≈0.026W/(m·K)）；（2）温度：金属导热系数随温度升高略有下降（电子运动受阻），非金属固体和液体随温度升高增大（晶格振动增强）；（3）结构：多孔材料因孔隙中气体导热系数低，整体λ减小（如保温棉）。工程应用：利用金属高导热性制造换热器（如铜制冷凝器）；利用多孔材料低导热性制造保温层（如建筑外墙的泡沫板）。3.定容过程与定压过程对比：（1）热量计算：定容过程q=cvΔT（无体积功，热量全部用于热力学能变化）；定压过程q=cpΔT（部分热量用于对外做功）。（2）功量计算：定容过程w=0（体积不变）；定压过程w=pΔv=RgΔT（体积变化对外做功）。（3）热力学能变化：两者Δu均为cvΔT（热力学能是温度的单值函数，与过程无关）。四、计算题1.（1）定温过程功量w=RgT1ln(p1/p2)=0.287×300×ln(0.5/0.1)=0.287×300×1.609≈138.5kJ/kg（2）定温过程Δu=0，由热力学第一定律Q=W=138.5kJ/kg（3）熵变Δs=Rgln(p1/p2)=0.287×ln(5)=0.287×1.609≈0.462kJ/(kg·K)2.（1）已知h1=3373.7kJ/kg（题目直接给出）（2）理想膨胀为等熵过程s1=s2s。查p2=0.005MPa时，饱和水熵s''=0.4762kJ/(kg·K)，干饱和蒸汽熵s'=8.3930kJ/(kg·K)。s1=6.5966kJ/(kg·K)（需查过热蒸汽表，假设题目隐含给出），则s1=s''+x0(s'-s'')，解得x0=(s1-s'')/(s'-s'')=(6.5966-0.4762)/(8.3930-0.4762)≈0.773（3）理想出口焓h2s=s''+(1-x0)h''+x0h'=137.8+(1-0.773)×0+0.773×2561.6≈137.8+1980.1≈2117.9kJ/kg（注：实际应为h2s=h''+x0(h'-h'')=137.8+0.773×(2561.6-137.8)=137.8+0.773×2423.8≈137.8+1873.6≈2011.4kJ/kg，此处修正）实际出口焓h2=h1-ηri(h1-h2s)=3373.7-0.85×(3373.7-2011.4)=3373.7-0.85×1362.3≈3373.7-1157.9≈2215.8kJ/kg（4）实际做功w=h1-h2=3373.7-2215.8≈1157.9kJ/kg3.（1）换热量Q=m1cp1(T1-T2)=2×2.1×(150-80)=2×2.1×70=294kW（2）Q=m2cp2(t2-t1)→m2=Q/[cp2(t2-