2025年热工考试题及答案

2025年热工考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某闭口系统经历一个可逆过程，内能变化ΔU=50kJ，对外做功W=30kJ，则系统与外界的热量交换Q为（）。A.20kJ（吸热）B.80kJ（吸热）C.20kJ（放热）D.80kJ（放热）2.卡诺循环的热效率仅取决于（）。A.工质性质B.热源与冷源的温度C.循环的吸热与放热量D.循环的做功能力3.下列关于理想气体的表述中，错误的是（）。A.理想气体的内能仅为温度的函数B.理想气体的比热容比κ=c_p/c_v为常数C.理想气体的焓与压力无关D.理想气体的熵变计算需同时考虑温度和压力变化4.平壁稳态导热时，若材料的导热系数λ随温度升高而增大，则壁内温度分布曲线的形状为（）。A.直线B.上凸曲线（靠近高温侧更陡）C.下凹曲线（靠近低温侧更陡）D.无法确定5.对流传热系数α的单位是（）。A.W/(m·K)B.W/(m²·K)C.J/(kg·K)D.m²/s6.某换热器中，冷流体入口温度30℃，出口温度50℃；热流体入口温度150℃，出口温度100℃。若为逆流布置，则对数平均温差ΔT_m为（）。A.65.2℃B.73.3℃C.80.5℃D.92.1℃7.朗肯循环中，提高蒸汽初压p1会导致（）。A.汽轮机排汽湿度减小B.循环热效率一定提高C.锅炉内加热过程平均温度升高D.冷凝器热负荷显著降低8.测量高温烟气温度时，若采用普通玻璃温度计，由于辐射换热会导致测量值（）。A.高于真实温度B.低于真实温度C.等于真实温度D.波动不定9.临界热绝缘直径d_c的计算公式为d_c=2λ/α，其中λ和α分别代表（）。A.绝缘材料导热系数，环境对流传热系数B.管道材料导热系数，绝缘层对流传热系数C.绝缘材料导热系数，管道内流体对流传热系数D.管道材料导热系数，环境对流传热系数10.某燃气轮机循环（布雷顿循环）中，压气机的增压比π=10，大气温度T1=300K，压气机效率η_c=0.85。则压气机出口实际温度T2'约为（）（空气κ=1.4，c_p=1.005kJ/(kg·K)）。A.572KB.625KC.683KD.710K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（闭口系统）为__________。2.理想气体定容过程的热量计算公式为Q_v=__________（用内能变化表示）。3.黑体的辐射力E_b与热力学温度T的__________次方成正比，表达式为E_b=__________。4.对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式，表达式为__________。5.朗肯循环的四个基本过程是：定压吸热、__________、定压放热、__________。6.评价蒸汽动力循环经济性的指标是循环热效率η_t，其定义式为η_t=__________。7.热电阻温度计的工作原理是基于金属导体的__________随温度变化的特性。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述，并说明二者的等价性。2.比较导热、对流和辐射三种传热方式的本质区别，并各举一例工业应用场景。3.什么是换热器的效能ε？写出其定义式，并说明效能与传热单元数NTU的关系。4.分析提高蒸汽动力循环热效率的主要途径（至少列出3种），并说明每种途径的理论依据。5.某空调系统的制冷剂在蒸发器中经历汽化吸热过程（压力p=0.3MPa），若实际测量发现蒸发器出口制冷剂仍为湿蒸汽（干度x<1），可能的原因有哪些？（从传热和系统设计角度分析）四、计算题（每题15分，共45分）1.1kg空气在活塞-气缸装置中经历一个可逆定温膨胀过程，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R_g=0.287kJ/(kg·K)，定温过程中内能变化Δu=0。求：（1）膨胀功W；（2）过程中与外界交换的热量Q；（3）熵变Δs。2.一平壁由两层材料组成，内层为耐火砖（λ1=1.2W/(m·K)，厚度δ1=0.2m），外层为保温砖（λ2=0.3W/(m·K)，厚度δ2=0.1m）。平壁内侧温度t_w1=800℃，外侧温度t_w2=50℃。求：（1）单位面积的热流量q；（2）两层材料交界面的温度t_w3；（3）若保温砖的导热系数随温度升高而增大（λ2=0.3+0.0005t，t为℃），则实际热流量会比原计算值大还是小？说明理由。3.某简单朗肯循环的参数为：主蒸汽压力p1=10MPa、温度t1=500℃，乏汽压力p2=0.005MPa。已知：主蒸汽焓h1=3373kJ/kg，乏汽焓h2=2136kJ/kg，凝结水焓h3=137kJ/kg，水泵出口水焓h4=147kJ/kg。求：（1）汽轮机做功w_T；（2）水泵耗功w_P；（3）循环吸热量q1；（4）循环热效率η_t。五、综合分析题（15分）某火力发电厂采用回热循环（抽汽回热）代替简单朗肯循环。请结合热力学原理，分析回热循环的优势，并从设备组成、能量转换过程、热效率提升机制三个方面说明其改进措施。答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.C5.B6.B7.C8.B9.A10.A二、填空题1.Q=ΔU+W（或ΔU=Q-W）2.ΔU（或mC_vΔT）3.四；σT⁴（σ为斯特藩-玻尔兹曼常数）4.q=α(t_w-t_f)（或Φ=αA(t_w-t_f)）5.绝热膨胀；绝热压缩（或定熵膨胀、定熵压缩）6.W_net/Q1（或1-Q2/Q1）7.电阻值三、简答题1.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传向高温物体（不引起其他变化）。开尔文表述：不可能从单一热源吸热并全部转化为功（不引起其他变化）。等价性：若违反克劳修斯表述，则可构造热机违反开尔文表述；反之亦然。二者共同揭示了能量传递与转换的方向性。2.本质区别：-导热：分子热运动传递能量，需介质且无宏观位移（如锅炉炉墙的热量传递）；-对流：流体宏观运动与分子热运动共同作用（如冷凝器中冷却水与蒸汽的换热）；-辐射：电磁波传递能量，无需介质（如高温炉膛内火焰对水冷壁的辐射换热）。3.效能ε：换热器实际换热量与最大可能换热量的比值，定义式ε=Φ/Φ_max。关系：ε随NTU（传热单元数，NTU=KA/(mc)min）增大而增大，具体关系与换热器流型（顺流、逆流等）有关，逆流时ε随NTU增长更显著。4.主要途径：-提高初温T1：提高平均吸热温度，根据卡诺定理η_t=1-T2/T_m1，T_m1增大则η_t提高；-提高初压p1：增加朗肯循环平均吸热温度（需避免排汽湿度超限）；-降低终压p2：降低平均放热温度T_m2，η_t=1-T_m2/T_m1增大；-采用回热循环：减少低温区吸热，提高平均吸热温度。5.可能原因：-蒸发器换热面积不足，制冷剂未完全汽化；-制冷剂流量过大，换热时间过短；-蒸发器外表面结霜或积灰，传热热阻增大；-膨胀阀开度不当，进入蒸发器的制冷剂过液量过多；-载冷剂（如空气）流量或温度异常，导致换热量不足。四、计算题1.解：（1）定温膨胀功W=∫pdV=mR_gT1ln(p1/p2)=1×0.287×300×ln(0.5/0.1)=1×0.287×300×1.609≈138.5kJ（2）定温过程ΔU=0，由热力学第一定律Q=W=138.5kJ（吸热）（3）熵变Δs=R_gln(p1/p2)=0.287×ln(5)=0.287×1.609≈0.462kJ/(kg·K)2.解：（1）总热阻R=δ1/λ1+δ2/λ2=0.2/1.2+0.1/0.3≈0.1667+0.3333=0.5(m²·K)/W热流量q=(t_w1-t_w2)/R=(800-50)/0.5=1500W/m²（2）交界面温度t_w3=t_w1-q×δ1/λ1=800-1500×0.2/1.2=800-250=550℃（3）实际热流量会增大。因λ2随温度升高而增大，交界面附近（高温侧）λ2更大，该区域热阻减小，总热阻降低，故q增大。3.解：（1）汽轮机做功w_T=h1-h2=3373-2136=1237kJ/kg（2）水泵耗功w_P=h4-h3=147-137=10kJ/kg（3）循环吸热量q1=h1-h4=3373-147=3226kJ/kg（4）循环热效率η_t=(w_T-w_P)/q1=(1237-10)/3226≈1227/3226≈38.0%五、综合分析题优势：回热循环通过抽汽加热凝结水，减少了低温区（冷凝器）的放热量，提高了循环平均吸热温度，从而提升热效率。改进措施：1.设备组成：增加回热加热器（表面式或混合式）、抽汽管道及疏水系统。例如，在汽轮机不同压力级抽取部分蒸汽，引入加热器加热凝结水。