2025年工程热力学与传热学模拟试卷附答案

2025年工程热力学与传热学模拟试卷附答案一、单项选择题（每题2分，共20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.对于实际气体的压缩过程，若采用多级压缩中间冷却，其主要目的是（）A.减少压气机耗功B.提高排气温度C.增加容积效率D.简化设备结构3.下列关于傅里叶定律的表述中，错误的是（）A.适用于稳态导热B.热流密度与温度梯度成正比C.比例系数为热导率D.温度梯度方向与热流方向相同4.某可逆循环的温熵图为平行于T轴的矩形，该循环的热效率（）A.仅与高温热源温度有关B.仅与低温热源温度有关C.与两热源温度均有关D.等于卡诺循环效率5.空气在圆管内强制湍流换热时，若流速提高一倍（其他条件不变），则对流换热系数约（）A.提高1倍B.提高0.8倍C.降低0.2倍D.不变6.朗肯循环中，若提高蒸汽初压而保持初温不变，循环热效率的变化趋势是（）A.先增后减B.单调增加C.单调减少D.不变7.黑体辐射的光谱辐射力峰值波长与热力学温度的关系遵循（）A.普朗克定律B.维恩位移定律C.斯忒藩-玻尔兹曼定律D.基尔霍夫定律8.某换热器中，热流体由150℃降至100℃，冷流体由20℃升至80℃，则逆流时的对数平均温差为（）A.50℃B.60℃C.70℃D.80℃9.湿空气的相对湿度φ=1时，表明（）A.湿空气未饱和B.湿空气的含湿量最大C.湿空气的温度等于露点温度D.湿空气的焓值最小10.对于水平圆管外的自然对流换热，特征长度应取（）A.圆管直径B.圆管长度C.边界层厚度D.圆管周长二、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）为__________。2.理想气体的比热容比κ=cp/cv，对于单原子气体，κ≈__________。3.对流换热的基本计算式是__________。4.卡诺定理指出，在相同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__________。5.导热问题的第三类边界条件是指已知__________。6.水蒸气的定压发生过程包括预热、汽化和__________三个阶段。7.努塞尔数Nu的物理意义是__________。8.辐射换热中，灰体的黑度ε与吸收率α的关系为__________（同温度下）。9.混合气体的分压力定律是指__________。10.强化传热的基本途径是减小__________。三、简答题（每题6分，共30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。3.分析回热循环提高朗肯循环效率的原理。4.说明大空间自然对流换热与有限空间自然对流换热的主要差异。5.解释“露点温度”的定义，并说明其在工程中的实际意义。四、计算题（共30分）1.（8分）某理想气体可逆多变过程中，初始状态为p1=0.5MPa，T1=300K，终态为p2=0.1MPa，T2=200K。已知该气体的定容比热容cv=0.718kJ/(kg·K)，气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)。求：（1）多变指数n；（2）该过程的热量q（结果保留两位小数）。2.（8分）某平壁由三层材料组成，厚度分别为δ1=0.1m，δ2=0.05m，δ3=0.15m，热导率分别为λ1=0.8W/(m·K)，λ2=0.15W/(m·K)，λ3=0.5W/(m·K)。平壁内侧温度t1=300℃，外侧温度t4=30℃。求：（1）各层热阻；（2）通过平壁的热流密度q（结果保留整数）。3.（7分）某逆流套管式换热器中，热水流量为0.5kg/s，进口温度90℃，出口温度50℃；冷水流量为1.0kg/s，进口温度20℃。水的比热容取4.18kJ/(kg·K)。求：（1）冷水出口温度；（2）换热器的换热量Q（结果保留两位小数）。4.（7分）某卡诺制冷机工作在-10℃的低温热源和30℃的高温热源之间，制冷量Q0=5kW。求：（1）制冷系数ε；（2）压缩机耗功W（结果保留两位小数）。答案一、单项选择题1.C2.A3.D4.C5.B6.A7.B8.A9.C10.A二、填空题1.ΔU=Q-W2.1.673.q=hΔt4.相等5.壁面与流体间的对流换热系数及流体温度6.过热7.壁面处无量纲温度梯度8.ε=α9.混合气体的总压力等于各组分气体分压力之和10.传热热阻三、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；开尔文表述：不可能从单一热源吸热并全部转化为功而不引起其他变化。二者等价性体现在违反其中一种表述必然违反另一种，本质均揭示能量传递与转换的方向性。2.导热是分子热运动引起的热量传递，依赖物质微观粒子振动；对流是流体宏观运动与微观热运动共同作用的结果，需流体存在；辐射通过电磁波传递能量，无需介质，可在真空中进行。3.回热循环通过抽汽加热给水，减少了低温热源的排热量，提高了平均吸热温度，从而在不改变初终参数的情况下提高循环效率。4.大空间自然对流中，流体边界层可自由发展，无干扰；有限空间中，流体受壁面限制，可能形成环流，换热受空间尺寸和形状显著影响。5.露点温度是湿空气在含湿量不变的条件下冷却至饱和时的温度。工程中可通过比较实际温度与露点温度判断结露风险（如空调除湿、管道保温设计）。四、计算题1.（1）由理想气体状态方程p1v1/T1=p2v2/T2，得v2/v1=(p1T2)/(p2T1)=(0.5×200)/(0.1×300)=10/3≈3.333。多变过程p1v1ⁿ=p2v2ⁿ，取对数得n=ln(p1/p2)/ln(v2/v1)=ln(5)/ln(10/3)≈1.609/1.204≈1.33。（2）多变过程热量q=Δu+w，Δu=cv(T2-T1)=0.718×(200-300)=-71.8kJ/kg；w=Rg(T1-T2)/(n-1)=0.287×(300-200)/(1.33-1)=0.287×100/0.33≈86.97kJ/kg；故q=-71.8+86.97≈15.17kJ/kg。2.（1）各层热阻：R1=δ1/λ1=0.1/0.8=0.125(m²·K)/W；R2=0.05/0.15≈0.333(m²·K)/W；R3=0.15/0.5=0.3(m²·K)/W。（2）总热阻R=0.125+0.333+0.3=0.758(m²·K)/W；热流密度q=(t1-t4)/R=(300-30)/0.758≈356W/m²。3.（1）换热量Q=qmhcm(t1h-t2h)=0.5×4.18×(90-50)=0.5×4.18×40=83.6kW；冷水出口温度t2c=t1c+Q/(qmc×cm)=20