(2025年)工程热力学期末试卷及标准答案

(2025年)工程热力学期末试卷及标准答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列参数中，属于过程量的是（）A.温度（T）B.压力（p）C.热量（Q）D.熵（S）2.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分别为（）A.Δu>0，Δs>0B.Δu=0，Δs>0C.Δu=0，Δs=0D.Δu<0，Δs<03.卡诺循环的热效率仅取决于（）A.工质性质B.高温热源温度T₁和低温热源温度T₂C.循环吸热量Q₁D.循环净功W₀4.对于理想气体，定压摩尔热容Cₚ,m与定容摩尔热容Cᵥ,m的关系为（）A.Cₚ,m=Cᵥ,m+RB.Cₚ,m=Cᵥ,m-RC.Cₚ,m=Cᵥ,mD.Cₚ,m=2Cᵥ,m5.某可逆过程中，工质从热源吸热Q，环境温度为T₀，则该过程的熵产S₉为（）A.S₉=Q/T₀B.S₉=0C.S₉=Q/T₀+ΔS系统D.S₉=ΔS系统-Q/T₀6.水蒸气的临界状态是指（）A.气液两相平衡共存的状态B.气相与固相平衡共存的状态C.气液两相无法区分的状态D.液相与固相无法区分的状态7.某闭口系统经历一个放热过程，Q=-100kJ，对外做功W=50kJ，则系统热力学能变化ΔU为（）A.-150kJB.-50kJC.50kJD.150kJ8.对于实际气体的范德瓦尔斯方程，（p+a/v²）(v-b)=RT中，常数a和b分别用于修正（）A.分子间吸引力和分子体积B.分子体积和分子间吸引力C.分子动能和分子势能D.分子势能和分子动能9.空气在压气机中被绝热压缩，若压缩过程为不可逆，则出口温度T₂与可逆压缩出口温度T₂s的关系为（）A.T₂>T₂sB.T₂=T₂sC.T₂<T₂sD.无法确定10.朗肯循环中，提高蒸汽初温可使循环效率提高的主要原因是（）A.平均吸热温度升高B.平均放热温度降低C.乏气干度提高D.汽轮机做功量减少二、填空题（每空2分，共20分）1.热力学中，系统与外界的相互作用包括______和______两种形式。2.理想气体的焓h是______（填“温度”或“温度与压力”）的单值函数。3.熵增原理的数学表达式为______。4.定容过程中，理想气体吸收的热量全部用于增加______；定压过程中，吸收的热量部分用于增加______，部分用于对外做功。5.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。6.水蒸气的汽化潜热随压力升高而______，当达到临界压力时，汽化潜热为______。三、简答题（每题8分，共24分）1.简述热力学第一定律和第二定律的本质区别。2.说明为什么实际气体在高温低压下可近似为理想气体。3.分析提高燃气轮机循环（布雷顿循环）热效率的主要途径，并解释其原理。四、计算题（共36分）1.（12分）某闭口系统内有2kg空气（视为理想气体，R=287J/(kg·K)，Cᵥ=717J/(kg·K)），初始状态为p₁=0.1MPa，T₁=300K。经历一个定压加热过程，终态温度T₂=500K。求：（1）终态体积V₂；（2）过程中吸收的热量Q；（3）过程中对外做的功W；（4）热力学能变化ΔU。2.（12分）某蒸汽轮机入口蒸汽参数为p₁=3MPa，t₁=400℃（h₁=3230kJ/kg，s₁=6.921kJ/(kg·K)），出口蒸汽压力p₂=0.005MPa（s₂s=6.921kJ/(kg·K)，h₂s=2000kJ/kg；实际出口焓h₂=2100kJ/kg）。蒸汽流量为100t/h，环境温度T₀=298K。求：（1）汽轮机的实际输出功率；（2）该过程的熵产率；（3）不可逆损失（火用损失）。3.（12分）某理想气体布雷顿循环，压气机入口空气参数为p₁=0.1MPa，T₁=300K，压比π=8（π=p₂/p₁），燃烧室出口温度T₃=1500K。空气视为理想气体，k=1.4，R=287J/(kg·K)。求：（1）压气机出口温度T₂；（2）涡轮机出口温度T₄；（3）循环净功w₀；（4）循环热效率ηₜ。标准答案一、单项选择题1.C2.B3.B4.A5.B6.C7.A8.A9.A10.A二、填空题1.热量传递；功传递（顺序可换）2.温度3.ΔS孤立≥0（或ΔS系统+ΔS环境≥0）4.热力学能；热力学能5.相等；小于6.减小；0三、简答题1.热力学第一定律本质是能量守恒定律在热现象中的体现，说明能量转换的数量关系（如Q=ΔU+W）；热力学第二定律则指出能量转换的方向性和限度（如热量不能自发从低温传向高温，热机效率不可能达到100%），二者共同限定了能量转换的“量”和“质”。2.实际气体分子间存在吸引力且分子有体积，高温下分子动能大，吸引力影响减弱；低压下分子间距大，分子体积可忽略。因此高温低压时，实际气体的行为接近无分子间力、分子体积可忽略的理想气体模型。3.提高布雷顿循环热效率的途径：（1）提高压比π：压比增大，循环平均吸热温度升高，平均放热温度降低，效率提高（但受限于涡轮进口温度）；（2）提高涡轮进口温度T₃：T₃升高，循环吸热量中高温部分比例增加，平均吸热温度升高，效率提高；（3）采用回热：利用涡轮排气余热加热压气机出口空气，减少燃烧室吸热量，提高效率。四、计算题1.（1）初始体积V₁=mRT₁/p₁=2×287×300/(0.1×10⁶)=1.722m³定压过程p₁=p₂，V₂=V₁T₂/T₁=1.722×500/300=2.87m³（2）Q=mCₚ(T₂-T₁)，Cₚ=Cᵥ+R=717+287=1004J/(kg·K)，Q=2×1004×(500-300)=401600J=401.6kJ（3）W=p(V₂-V₁)=p₁(V₂-V₁)=0.1×10⁶×(2.87-1.722)=114800J=114.8kJ（4）ΔU=mCᵥ(T₂-T₁)=2×717×200=286800J=286.8kJ2.（1）蒸汽流量m=100t/h=100000/3600≈27.78kg/s实际输出功率P=m(h₁-h₂)=27.78×(3230-2100)=27.78×1130≈31491kW≈31.5MW（2）熵产率s₉=s₂-s₁（绝热过程Q=0，ΔS环境=0，ΔS系统=s₂-s₁=s₉）s₂由p₂=0.005MPa和h₂=2100kJ/kg查图得s₂≈7.05kJ/(kg·K)（或通过插值计算），则s₉=7.05-6.921=0.129kJ/(kg·K)，总熵产率=27.78×0.129≈3.58kJ/(s·K)（3）不可逆损失I=T₀×s₉×m=298×0.129×27.78≈298×3.58≈1067kW3.（1）压气机绝热压缩，T₂=T₁π^((k-1)/k)=300×8^(0.4/1.4)=300×8^0.2857≈300×2.297≈689K（2）涡轮机绝热膨胀，T₄=T₃/π^((k-1)/k)=1500/2.297≈653K（3）压气机功w_c=Cₚ(T₂-T₁)，Cₚ=kR/(k-1)=1.4×287/0.4≈1004.5J/(kg·K)，w_c=1004.5×(689-300)=1004.5×389≈390750J/kg=390.75kJ/kg涡轮机功w_t=Cₚ(T₃-T₄)=1004.5×(1500-653)=1