工程热力学试卷及答案

工程热力学试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在闭口系统中经历一循环后，系统与外界交换的净热量与净功之比等于（）A.0  B.1  C.循环热效率  D.无法确定答案：A2.对于理想气体，下列状态参数中仅与温度有关的是（）A.比焓  B.比熵  C.比内能  D.比体积答案：C3.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，其技术功等于（）A.焓降  B.熵增  C.内能降  D.放热量答案：A4.卡诺循环的热效率只与（）有关。A.工质种类  B.高温热源与低温热源温度  C.循环净功  D.循环压力答案：B5.空气在喷管中作等熵膨胀，若入口马赫数小于1，欲使出口马赫数大于1，喷管形状应为（）A.渐缩  B.渐扩  C.先渐缩后渐扩  D.等截面答案：C6.理想气体绝热自由膨胀后，其温度将（）A.升高  B.降低  C.不变  D.无法判断答案：C7.湿空气相对湿度φ=0表示（）A.干空气  B.饱和湿空气  C.水蒸气分压为零  D.含湿量为零答案：A8.布雷顿循环的回热措施可提高（）A.循环净功  B.热效率  C.压气机出口温度  D.涡轮出口温度答案：B9.若某制冷循环的制冷系数COP=4，则其排向高温热源的热量与输入功之比为（）A.3  B.4  C.5  D.6答案：C10.水蒸气在临界点处，饱和液与饱和汽的（）A.温度相同、比体积相同  B.温度相同、比体积不同  C.温度不同、比体积相同  D.温度不同、比焓相同答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列措施可提高朗肯循环热效率的是（）A.提高锅炉压力  B.降低冷凝器压力  C.提高过热蒸汽温度  D.增加再热级数  E.减少给水泵功答案：ABCD12.理想气体在可逆过程中，技术功wt与膨胀功w的关系可能为（）A.wt=w  B.wt=w+Δ(pv)  C.wt=Δh  D.wt=0  E.wt=Δu答案：BCD13.关于熵的性质，下列说法正确的是（）A.熵是状态参数  B.孤立系统熵可以减小  C.可逆绝热过程熵变为零  D.不可逆过程熵产大于零  E.熵流可以小于零答案：ACDE14.湿空气加热过程中，若含湿量不变，则（）A.水蒸气分压不变  B.相对湿度降低  C.露点温度不变  D.焓值增加  E.比体积减小答案：ABCD15.下列属于不可逆损失来源的是（）A.温差传热  B.摩擦  C.自由膨胀  D.绝热节流  E.可逆绝热压缩答案：ABCD三、填空题（每空2分，共20分）16.1kg理想气体在定压下由300K加热到600K，若比热容比k=1.4，则其熵增Δs=________kJ/(kg·K)。答案：0.46217.某卡诺热泵从−5℃环境吸热，向45℃室内供热，其供热系数COP′=________。答案：6.5618.水在150℃下的饱和压力为476.16kPa，若某状态下水的压力为400kPa、温度为150℃，则其处于________态。答案：过热蒸汽19.空气在渐缩喷管入口参数：p0=0.5MPa，T0=600K，背压pb=0.3MPa，则出口截面压力为________MPa。答案：0.320.某朗肯循环锅炉出口蒸汽焓为3400kJ/kg，汽轮机排汽焓为2200kJ/kg，忽略泵功，则循环热效率ηt=________%。答案：35.321.理想气体可逆绝热过程方程pv^k=常数，其中k=________。答案：cp/cv22.湿空气焓值计算式h=1.005t+d(2501+1.86t)中，d的单位为________。答案：kg水蒸气/kg干空气23.若压缩比为8的奥托循环，工质为空气（k=1.4），其理想热效率为________%。答案：56.524.水蒸气临界压力为22.064MPa，临界温度为________℃。答案：373.9525.单位质量工质在涡轮机内绝热膨胀做功500kJ，若忽略动能差，则其焓降Δh=________kJ/kg。答案：500四、简答题（共25分）26.（6分）封闭系统经历一不可逆过程，系统熵变ΔSsys=10kJ/K，外界熵变ΔSsurr=−8kJ/K。求该过程熵产Sgen，并判断过程方向。答案：Sgen=ΔSsys+ΔSsurr=2kJ/K>0，符合孤立系统熵增原理，过程方向可行。27.（6分）说明回热朗肯循环中“开式feedwaterheater”与“闭式feedwaterheater”在系统结构上的主要区别，并各举一优缺点。答案：开式：抽汽与给水直接混合，结构简单但需高压泵；闭式：抽汽不与给水混合，需附加疏水器，系统复杂但运行灵活。28.（7分）理想气体在喷管中实现等熵膨胀，若入口总压p0、总温T0固定，背压pb逐渐降低，分析流量ṁ随pb变化规律，并指出临界压力pcr表达式。答案：当pb≥pcr，流量随pb降低而增大；pb≤pcr，流量达最大值不再变化，呈“阻塞”现象。pcr=p0[2/(k+1)]^{k/(k−1)}。29.（6分）简述“湿空气焓湿图（hd图）”上五条主要线的物理意义，并指出等相对湿度线形状特征。答案：1.等h线—焓值相同；2.等d线—含湿量相同；3.等t线—干球温度相同；4.等φ线—相对湿度相同；5.等tw线—绝热饱和温度相同。等φ线自左下向右上呈下凹曲线，φ=100%为饱和边界。五、计算与综合应用题（共70分）30.（12分）某闭口系统含2kg空气，初始状态p1=0.1MPa，T1=300K，经可逆多变过程压缩至p2=0.8MPa，V2=0.25m³。已知空气Rg=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4。求：(1)多变指数n；(2)过程功W；(3)热量Q；(4)熵变ΔS。答案：(1)由p1V1^n=p2V2^n，V1=mRgT1/p1=1.722m³，得n=1.30；(2)W=(p2V2−p1V1)/(1−n)=−272.4kJ；(3)ΔU=mcv(T2−T1)，T2=p2V2/(mRg)=348.4K，cv=Rg/(k−1)=0.717kJ/(kg·K)，ΔU=69.4kJ，Q=ΔU+W=−203.0kJ；(4)ΔS=m[cpln(T2/T1)−Rgln(p2/p1)]=−0.462kJ/K。31.（14分）某蒸汽动力厂采用再热回热朗肯循环，主蒸汽参数：p3=15MPa，t3=600℃，再热压力pRH=3MPa，再热至600℃，冷凝器压力p4=5kPa。采用一级开式回热，抽汽压力p6=0.6MPa。忽略泵功，查表得：h3=3582kJ/kg，hRH=3682kJ/kg，h4s=2180kJ/kg（汽轮机排汽），h6s=2820kJ/kg（抽汽），h7=670kJ/kg（饱和水0.6MPa），h1=137kJ/kg（5kPa饱和水）。求：(1)抽汽系数α；(2)循环净功wnet；(3)热效率ηt；(4)与无再热无回热基本朗肯循环比较，ηt提高多少百分点。答案：(1)回热器能量平衡αh6+(1−α)h1=h7，解得α=0.182；(2)汽轮机功wt=(h3−h6)+(1−α)(hRH−h4s)=1402kJ/kg；泵功忽略，wnet=wt=1402kJ/kg；(3)锅炉吸热qin=(h3−h7)+(1−α)(hRH−h6)=3195kJ/kg，ηt=wnet/qin=43.9%；(4)基本朗肯循环η0=(h3−h4s)/(h3−h1)=41.1%，提高2.8个百分点。32.（12分）某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20℃，冷凝温度40℃，压缩机入口为干饱和蒸气，出口过热10K，冷凝器出口为饱和液。查氨热力表得：h1=1420kJ/kg，h2s=1680kJ/kg（等熵压缩），h3=390kJ/kg，h4=h3，压缩机绝热效率ηc=0.80。求：(1)单位质量制冷量qL；(2)单位质量压缩功wc；(3)制冷系数COP；(4)若制冷量QL=100kW，求氨质量流量ṁ。答案：(1)qL=h1−h4=1030kJ/kg；(2)wc=(h2s−h1)/ηc=325kJ/kg；(3)COP=qL/wc=3.17；(4)ṁ=QL/qL=0.097kg/s=350kg/h。33.（16分）某燃气轮机回热循环，压气机入口15℃、0.1MPa，压比π=12，最高温度1200℃，回热器效率σ=0.75，工质k=1.4，cp=1.005kJ/(kg·K)。求：(1)无回热时循环热效率；(2)有回热时热效率；(3)同温限卡诺循环热效率；(4)若输出净功率10MW，求空气流量ṁ。答案：(1)无回热η0=1−1/π^{(k−1)/k}=50.8%；(2)回热器出口温度Tx=σ(T4−T2)+T2，T2=T1π^{(k−1)/k}=610K，T4=T3/π^{(k−1)/k}=798K，Tx=751K，qin=cp(T3−Tx)=452kJ/kg，wnet=cp[(T3−T4)−(T2−T1)]=350kJ/kg，η=wnet/qin=77.4%；(3)卡诺ηCarnot=1−(15+273)/(1200+273)=80.6%；(4)ṁ=P/wnet=10000/350=28.6kg/s。34.（16分）某大型冷凝器用冷却水将50t/h排汽从干度0.9、压力10kPa冷凝为饱和液，冷却水入口温度20℃，出口温度35℃，忽略散热。查10kPa下：h′=192kJ/kg，h″=2584kJ/kg，cpw=4.18kJ/(kg·K)。求：(1)排汽放热量Q；(2)冷却水流量ṁw；(3)若改用空气冷却，空气温升15K，求所需空气质量流量ṁa（cpa=1.01kJ/(kg·K)）；(4)比较水冷与空冷的流量比并简述环境差异。答案：(1)Q=ṁs(hin−