(2025年)大学工程热力学期末试卷及答案

(2025年)大学工程热力学期末试卷及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.下列关于热力学状态参数的描述中，错误的是（）A.状态参数的变化仅取决于初末状态B.状态参数的微元变化是全微分C.热量是状态参数D.理想气体的内能是状态参数2.1kg理想气体经历定温膨胀过程，对外做功100kJ，若气体常数R=287J/(kg·K)，初始温度300K，则终态压力与初始压力的比值约为（）A.0.30B.0.45C.0.60D.0.753.某热泵循环的制热系数COP=4.5，输入功率为5kW，则单位时间内向高温热源提供的热量为（）A.17.5kWB.22.5kWC.25kWD.27.5kW4.绝热过程中，若过程不可逆，则系统的熵变（）A.大于0B.等于0C.小于0D.无法确定5.水蒸气在定压加热过程中，若从饱和水变为过热蒸汽，其焓的变化为（）A.仅包含显热B.仅包含潜热C.先显热后潜热D.显热与潜热的总和6.提高朗肯循环初温（保持初压和背压不变），循环热效率将（）A.降低B.不变C.升高D.先升后降7.实际气体在（）条件下可近似为理想气体A.高压低温B.低压高温C.高压高温D.低压低温8.1kg理想气体经历定容过程，温度从300K升至400K，若定容比热容cv=0.718kJ/(kg·K)，则该过程吸收的热量为（）A.71.8kJB.43.1kJC.107.7kJD.35.9kJ9.孤立系统内发生不可逆过程时，系统的总熵（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减10.活塞式压气机采用多级压缩中间冷却的主要目的是（）A.减少余隙影响B.降低排气温度C.提高容积效率D.增大吸气量二、填空题（每空1分，共10分）1.热力学平衡态需同时满足力平衡、热平衡和____平衡。2.理想气体的比热容比γ=____（用定压、定容比热容表示）。3.卡诺循环的热效率仅与____有关。4.熵的微观本质是系统____的量度。5.定压过程中，理想气体吸收的热量等于其____的变化量。6.水蒸气的临界参数包括临界温度、临界压力和____。7.绝热节流过程中，工质的焓值____（填“增大”“减小”或“不变”）。8.活塞式压气机的余隙容积会导致____降低（填“容积效率”或“绝热效率”）。9.理想气体多变过程中，若多变指数n=γ（比热容比），则该过程为____过程。10.孤立系统的熵只能____或保持不变（填“增大”“减小”或“不变”）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述热力学第一定律与第二定律的本质区别及联系。2.实际循环的热效率为何无法达到卡诺循环效率？列举至少3个主要影响因素。3.分析理想气体定压加热过程（温度升高）中，内能、焓、熵的变化趋势（需说明依据）。4.实际气体绝热节流后温度可能升高、降低或不变，试解释其原因（结合焦耳-汤姆逊系数）。5.比较奥托循环与狄塞尔循环的热效率影响因素，说明提高两者效率的共同途径。四、计算题（共40分）1.（10分）1kg氮气（R=296.8J/(kg·K)，cv=743J/(kg·K)，γ=1.4）经历多变膨胀过程，初始状态为p₁=500kPa、T₁=400K，终态压力p₂=100kPa，多变指数n=1.2。求：（1）终态温度T₂；（2）过程功w；（3）过程热量q；（4）熵变Δs。2.（10分）某朗肯循环的参数如下：锅炉出口蒸汽为p₁=8MPa、T₁=500℃（h₁=3399kJ/kg，s₁=6.726kJ/(kg·K)），汽轮机排汽压力p₂=10kPa（s₂s=s₁，h₂s=2015kJ/kg，h₂=2100kJ/kg，h₃=191.8kJ/kg，h₄≈h₃）。忽略泵功，求：（1）循环吸热量q₁；（2）循环放热量q₂；（3）汽轮机实际做功w_T；（4）循环热效率η。3.（10分）一台活塞式压气机，气缸容积V_h=0.05m³，余隙比ε=0.05，进气状态为p₁=100kPa、T₁=300K，压比π=6，多变指数n=1.3。求：（1）容积效率η_v；（2）实际吸气量m（kg）；（3）压缩每kg气体的理论功w_c（可逆）。4.（10分）将5kg温度为300K的铜块（c=0.385kJ/(kg·K)）与10kg温度为400K的铁块（c=0.460kJ/(kg·K)）放入绝热容器中热交换，最终达到热平衡。求：（1）平衡温度T；（2）系统总熵变ΔS（结果保留2位小数）。答案一、选择题1.C2.A3.B4.A5.D6.C7.B8.A9.A10.B二、填空题1.化学2.cp/cv3.热源温度4.微观混乱度5.焓6.临界比容7.不变8.容积效率9.绝热10.增大三、简答题1.本质区别：第一定律是能量守恒定律在热现象中的体现，说明能量转换的“量”守恒；第二定律指出能量转换的“质”有方向性（如热量不能自发从低温传向高温，热不能完全转化为功而不引起其他变化）。联系：共同构成热力学基础，第一定律是第二定律的前提（能量守恒是方向性的约束），第二定律补充了第一定律未涉及的能量品质问题。2.原因：卡诺循环是理想可逆循环，实际循环存在不可逆因素。影响因素：①传热不可逆（温差传热）；②流动不可逆（摩擦、节流）；③燃烧不可逆（非平衡化学反应）；④工质非理想性（实际气体偏离理想气体）。3.定压加热（T↑）：-内能u：理想气体u仅与T有关，T↑→u↑（依据：u=cvT）；-焓h：h=u+pV=u+RT（理想气体pV=RT），T↑→h↑（或h=cpT，cp>0→h↑）；-熵s：定压过程熵变Δs=cpln(T₂/T₁)，T₂>T₁→Δs>0→s↑（依据：熵的定义式）。4.绝热节流时，焓不变（h₁=h₂）。焦耳-汤姆逊系数μ=(∂T/∂p)_h，反映节流后温度随压力变化的趋势：-μ>0时，p↓→T↓（制冷效应，如常温空气）；-μ<0时，p↓→T↑（制热效应，如高压氢气）；-μ=0时，T不变（转回温度点）。实际气体的μ与T、p有关，故节流后温度可能变化。5.奥托循环（定容加热）效率η=1-1/ε^(γ-1)（ε为压缩比）；狄塞尔循环（定压加热）效率η=1-(ρ^γ-1)/(ε^(γ-1)γ(ρ-1))（ρ为预胀比）。共同提高效率的途径：增大压缩比ε（受限于燃料抗爆性）；采用高比热容比γ的工质；减少不可逆损失（如传热、摩擦）。四、计算题1.（1）T₂=T₁(p₂/p₁)^((n-1)/n)=400×(100/500)^(0.2/1.2)=400×(0.2)^(1/6)≈400×0.6598≈263.9K（2）w=(R(T₁-T₂))/(n-1)=296.8×(400-263.9)/(1.2-1)=296.8×136.1/0.2≈202.0kJ/kg（3）q=cv(T₂-T₁)+w=0.743×(263.9-400)+202.0≈-100.8+202.0=101.2kJ/kg（4）Δs=cvln(T₂/T₁)+Rln(p₁/p₂)=0.743×ln(263.9/400)+0.2968×ln(500/100)≈0.743×(-0.432)+0.2968×1.609≈-0.321+0.478≈0.157kJ/(kg·K)2.（1）q₁=h₁-h₄≈3399-191.8=3207.2kJ/kg（2）q₂=h₂-h₃=2100-191.8=1908.2kJ/kg（3）w_T=h₁-h₂=3399-2100=1299kJ/kg（4）η=w_T/q₁=1299/3207.2≈40.5%3.（1）η_v=1+ε-επ^(1/n)=1+0.05-0.05×6^(1/1.3)≈1.05-0.05×3.14≈1.05-0.157=0.893（2）V_1=η_vV_h=0.893×0.05=0.04465m³，m=p₁V_1/(RT₁)=100000×0.04465/(287×300)≈0.0518kg（3）w_c=(nRT₁)/(n-1)(π^((n-1)/n)-1)=1.3×287×300/(1.3-1)×(6^(0.3/1.3)-1)≈(111930/0.3)×(1.513-1)≈373100×0.513≈191.4kJ/kg4.（1）热平衡时Q_铜吸=Q_铁放：m_铜c_铜(T-T_铜)=m_铁c_铁(T_铁-T)5×0.385×(T-300)=10×0.460×(400-T)1.925(T-300)=4.