2025年工程热力学试卷和答案

2025年工程热力学试卷和答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某封闭系统经历一个可逆过程，系统与外界交换的热量为Q，做功为W。若过程反向进行（即从终态回到初态），则系统与外界交换的热量和功分别为（）A.-Q，-WB.Q，-WC.-Q，WD.Q，W2.关于理想气体的比热容，下列说法正确的是（）A.定压比热容一定大于定容比热容B.比热容与温度无关C.单原子气体的定容比热容约为1.5RD.双原子气体的定压比热容为2.5R3.某热力循环中，工质从高温热源吸热1000kJ，向低温热源放热600kJ，则循环的热效率为（）A.40%B.50%C.60%D.70%4.水蒸气的临界点参数中，下列描述错误的是（）A.临界温度是气体能液化的最高温度B.临界压力下，饱和液体与饱和蒸气比体积相等C.临界点处汽化潜热为零D.临界比体积是饱和液体的最小比体积5.湿空气的相对湿度为100%时，下列说法正确的是（）A.含湿量达到最大值B.干球温度等于湿球温度C.露点温度低于干球温度D.空气绝对干燥6.绝热过程中，理想气体的熵变（）A.一定为零B.可能增大或不变C.一定增大D.可能减小7.某燃气轮机循环采用回热技术后，其热效率提高的主要原因是（）A.减少了向低温热源的放热量B.增加了循环净功C.降低了压气机耗功D.提高了平均吸热温度8.对于朗肯循环，提高初温或初压时，下列说法错误的是（）A.初温升高可减少汽轮机末级蒸汽湿度B.初压升高会增加汽轮机末级蒸汽湿度C.初温升高会降低循环热效率D.初压升高可提高平均吸热温度9.下列过程中，熵产不为零的是（）A.理想气体的可逆绝热膨胀B.刚性容器内气体的自由膨胀C.定温下的可逆传热D.准静态的等温压缩10.某实际制冷循环的制冷系数为3，消耗功为10kW，则从低温热源吸收的热量为（）A.10kWB.20kWC.30kWD.40kW二、填空题（每空1分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式为ΔU=Q-W，其中W为系统对外界做的功，若外界对系统做功，则W取（）值。2.理想气体的热力学能和焓仅与（）有关，与（）无关。3.熵增原理指出，孤立系统的熵只能（）或（），绝不可能（）。4.卡诺循环由两个（）过程和两个（）过程组成，其热效率仅与（）和（）有关。5.水蒸气的定压发生过程包括（）、（）和（）三个阶段。6.湿空气的含湿量d定义为（）与（）的质量比，单位为kg/kg（干空气）。7.燃气轮机循环的基本组成设备包括（）、（）和（）。三、简答题（每题8分，共32分）1.简述准静态过程与可逆过程的联系与区别。2.热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述分别是什么？如何证明二者的等价性？3.分析回热对燃气轮机循环效率的影响机制，并说明回热效果与压比的关系。4.比较理想气体定容加热循环（奥托循环）与定压加热循环（狄塞尔循环）的热效率影响因素，并指出提高二者效率的共同措施。四、计算题（共28分）1.（8分）某刚性容器内装有0.5kg的空气（可视为理想气体），初始状态为p₁=0.1MPa，T₁=300K。现向容器内加热，使压力升至p₂=0.2MPa。已知空气的定容比热容cv=0.718kJ/(kg·K)，气体常数R=0.287kJ/(kg·K)。求：（1）加热后的温度T₂；（2）加热过程中吸收的热量Q。2.（10分）某卡诺热机工作在高温热源T₁=1000K和低温热源T₂=300K之间，循环中从高温热源吸热Q₁=2000kJ。求：（1）循环的热效率η；（2）循环净功Wnet；（3）向低温热源放出的热量Q₂；（4）若实际热机的效率为卡诺效率的80%，求实际净功Wnet'。3.（10分）某水蒸气朗肯循环的初参数为p₁=10MPa，t₁=500℃，背压p₂=0.005MPa。已知：h₁=3373kJ/kg（p₁=10MPa，t₁=500℃时的焓），h₂=2135kJ/kg（p₂=0.005MPa，x=0.85时的焓），h₃=137.8kJ/kg（p₂=0.005MPa时饱和水的焓），h₄≈h₃（忽略水泵功）。求：（1）汽轮机做功wT；（2）水泵做功wP（提示：wP≈v₃(p₁-p₂)，v₃=0.001005m³/kg）；（3）循环吸热量q₁；（4）循环热效率η。答案一、选择题1.A2.A3.A4.D5.B6.B7.A8.C9.B10.C二、填空题1.负2.温度；比体积（或压力）3.增大；不变；减小4.可逆等温；可逆绝热；高温热源温度；低温热源温度5.未饱和水加热；饱和水蒸发；干饱和蒸汽过热6.水蒸气；干空气7.压气机；燃烧室；燃气轮机三、简答题1.联系：可逆过程一定是准静态过程；区别：准静态过程仅要求系统在过程中随时接近平衡态（即内部无有限势差），而可逆过程不仅要求系统内部平衡，还要求系统与外界之间无耗散效应（如摩擦、温差传热等），即过程反向时系统和外界可同时恢复原状。2.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：“不可能从单一热源吸热并使之完全变为功而不引起其他变化”。等价性证明：假设克劳修斯表述不成立（存在热量Q₂从T₂传至T₁无其他变化），可与一个卡诺热机（从T₁吸热Q₁，向T₂放热Q₂，做功W=Q₁-Q₂）组合，总效果为从T₁吸热Q₁-Q₂并完全变为功，违反开尔文表述；反之，若开尔文表述不成立（存在热机从T₁吸热Q₁完全变功W），可驱动制冷机从T₂吸热Q₂并向T₁放热Q₂+W，总效果为Q₂从T₂传至T₁无其他变化，违反克劳修斯表述，故二者等价。3.回热通过利用燃气轮机排气的余热加热压气机出口的空气，减少了燃烧室的吸热量，从而提高循环效率。回热效果与压比π有关：当π较小时，压气机出口温度低于燃气轮机排气温度，回热可有效回收热量；当π增大到一定值（临界压比）时，压气机出口温度等于排气温度，回热无效；π超过临界压比后，压气机出口温度高于排气温度，回热反而降低效率。4.奥托循环热效率η₀=1-1/ε^(κ-1)（ε为压缩比，κ为比热容比）；狄塞尔循环热效率η_D=1-[ρ^κ-1]/[κ(ρ-1)ε^(κ-1)]（ρ为预胀比）。共同措施：提高压缩比ε（受限于燃料抗爆性）、采用高κ的工质（如空气）、减少散热和摩擦损失。四、计算题1.（1）刚性容器内体积不变，V₁=V₂，由理想气体状态方程p₁V=mRT₁，p₂V=mRT₂，得T₂=T₁(p₂/p₁)=300×(0.2/0.1)=600K。（2）定容加热，Q=ΔU=mcv(T₂-T₁)=0.5×0.718×(600-300)=107.7kJ。2.（1）η=1-T₂/T₁=1-300/1000=70%；（2）Wnet=ηQ₁=0.7×2000=1400kJ；（3）Q₂=Q₁-Wnet=2000-1400=600kJ；（4）η'=0.8×70%=56%，Wnet'=η'Q₁=0.56×2000=1120kJ。3.（1）汽轮机做功wT=h₁-h₂=3373-2135=1238kJ/kg；（2）水泵做功wP≈v₃(p₁-p₂)=0.001005×(10×1