考研工学2025年能源与动力工程测试试卷(含答案)

考研工学2025年能源与动力工程测试试卷(含答案)一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某闭口系统经历一个绝热过程，系统对外做功100kJ，则系统内能变化为（）。A.增加100kJB.减少100kJC.不变D.无法确定2.下列传热方式中，不需要介质的是（）。A.导热B.对流C.辐射D.自然对流3.雷诺数Re的物理意义是（）。A.惯性力与粘性力之比B.粘性力与惯性力之比C.压力与粘性力之比D.重力与惯性力之比4.朗肯循环中，提高蒸汽初温可有效提高循环效率，主要原因是（）。A.降低了排汽压力B.增大了平均吸热温度C.减少了汽轮机内部损失D.提高了蒸汽比容5.燃气轮机的基本循环是（）。A.卡诺循环B.布雷顿循环C.朗肯循环D.奥托循环6.对于管内强制对流换热，当流体被加热时，努塞尔数Nu与流体普朗特数Pr的关系为（）。A.Nu随Pr增大而减小B.Nu随Pr增大而增大C.无关D.先增后减7.下列不属于可再生能源的是（）。A.地热能B.生物质能C.页岩气D.潮汐能8.内燃机实际循环与理论循环的主要差异不包括（）。A.工质成分变化B.传热损失C.燃烧非瞬时性D.定容加热假设9.离心式压气机的主要性能参数不包括（）。A.压比B.效率C.流量D.压缩功10.衡量制冷循环性能的指标是（）。A.热效率B.制冷系数C.容积率D.压比二、多项选择题（每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）11.以下属于工程热力学状态参数的是（）。A.热量B.熵C.焓D.功12.影响对流传热系数的主要因素包括（）。A.流体物性B.流动状态C.换热面形状D.流体温度13.提高蒸汽动力循环效率的常用措施有（）。A.提高初温B.降低背压C.采用再热D.采用回热14.以下属于新能源发电技术的是（）。A.光热发电B.潮汐发电C.燃煤发电D.地源热泵15.内燃机燃烧过程的主要阶段包括（）。A.滞燃期B.急燃期C.缓燃期D.后燃期三、填空题（每空2分，共20分）16.热力学第一定律的数学表达式（闭口系统）为______。17.傅里叶定律的表达式为______，其中λ的物理意义是______。18.卡诺循环的热效率η=______，其仅与______有关。19.流体力学中，连续性方程的本质是______守恒。20.燃气轮机的三大核心部件是______、______和______。四、简答题（共30分）21.（6分）简述理想气体与实际气体的主要区别，并说明工程中如何近似处理实际气体。22.（8分）比较管内强制对流换热与大空间自然对流换热的特点（从流动驱动力、换热强度、影响因素三方面分析）。23.（8分）分析内燃机理论循环（如奥托循环）与实际循环的差异，并说明实际循环效率低于理论循环的主要原因。24.（8分）简述太阳能光热发电的技术路线（至少3种），并说明其适用场景。五、应用题（共65分）25.（15分）某空气压缩过程中，初始状态为p₁=100kPa、T₁=300K，终态为p₂=500kPa、T₂=450K。已知空气的定压比热容cₚ=1.005kJ/(kg·K)，定容比热容cᵥ=0.718kJ/(kg·K)，气体常数R=0.287kJ/(kg·K)。（1）判断该过程是否为可逆绝热过程（熵变计算）；（2）计算该过程中每千克空气的吸热量或放热量。26.（20分）某逆流式换热器用于加热水，热流体为烟气（cₚ=1.05kJ/(kg·K)），流量m₁=2kg/s，入口温度T₁'=300℃，出口温度T₁''=150℃；冷流体为水（cₚ=4.18kJ/(kg·K)），入口温度T₂'=20℃，出口温度T₂''=80℃。已知总传热系数K=50W/(m²·K)。（1）计算换热器的传热量Q；（2）计算冷水的质量流量m₂；（3）计算对数平均温差ΔTₘ；（4）计算所需换热面积A。27.（30分）某燃气轮机装置采用简单布雷顿循环，压气机入口空气参数为p₁=100kPa、T₁=300K，压比π=8，燃烧室出口燃气温度T₃=1200K。假设空气和燃气的比热容均为cₚ=1.005kJ/(kg·K)，绝热指数k=1.4，忽略流动损失。（1）绘制布雷顿循环的Ts图，并标注各状态点；（2）计算压气机出口温度T₂；（3）计算涡轮机出口温度T₄；（4）计算循环净功wₙₑₜ；（5）计算循环热效率ηₜ。答案与解析一、单项选择题1.B（绝热过程Q=0，由ΔU=QW，W=100kJ（对外做功为正），故ΔU=100kJ，内能减少。）2.C（辐射传热无需介质，可在真空中进行。）3.A（雷诺数定义为Re=ρvd/μ，反映惯性力与粘性力的相对大小。）4.B（提高初温可增大平均吸热温度，根据卡诺定理，效率η=1Tₗ/Tₕ（平均），故效率提高。）5.B（燃气轮机基于布雷顿循环，由等熵压缩、等压加热、等熵膨胀、等压放热组成。）6.B（强制对流换热中，Nu与Pr的n次方相关（n>0），流体被加热时n≈0.4，故Pr增大，Nu增大。）7.C（页岩气是化石能源，不可再生；其余为可再生能源。）8.D（理论循环假设定容/定压加热，实际循环燃烧非瞬时，与理论假设一致，故D不属于差异。）9.D（压缩功是计算参数，非性能指标；压气机性能参数包括压比、效率、流量、喘振裕度等。）10.B（制冷系数ε=Q₂/W，衡量制冷循环性能；热效率用于热机。）二、多项选择题11.B、C（状态参数仅与状态有关，热量和功是过程量。）12.A、B、C、D（对流传热系数h受流体物性（λ、μ、ρ、cₚ）、流动状态（层流/湍流）、换热面形状（管/板、横掠/纵掠）、温度（影响物性）影响。）13.A、B、C、D（提高初温/初压、降低背压、再热（提高平均吸热温度）、回热（减少冷源损失）均能提高效率。）14.A、B（光热发电（如塔式、槽式）、潮汐发电属于新能源；燃煤发电是传统化石能源，地源热泵是利用地热能的技术，非发电。）15.A、B、C、D（内燃机燃烧分为滞燃期（准备阶段）、急燃期（快速燃烧）、缓燃期（燃烧减速）、后燃期（未燃成分继续燃烧）。）三、填空题16.ΔU=QW17.q=λdT/dx；材料的导热能力（导热系数）18.1T_L/T_H；高温热源和低温热源的温度19.质量20.压气机；燃烧室；涡轮四、简答题21.（1）区别：理想气体假设分子无体积、分子间无作用力，实际气体在高压/低温下分子体积和作用力不可忽略；（2）工程中，当实际气体压力不高、温度不低（远离临界点）时，可近似为理想气体（如空气、燃气在常规工况下）；高压/低温时采用实际气体状态方程（如范德瓦尔斯方程、RK方程）或查表（如水蒸气图表）。22.（1）流动驱动力：强制对流由泵/风机等外力驱动，自然对流由流体密度差（温度差）驱动；（2）换热强度：强制对流流速高，换热系数大（一般h=10~1000W/(m²·K)），自然对流流速低，换热系数小（h=5~100W/(m²·K)）；（3）影响因素：强制对流主要受流速、流体物性、换热面形状影响；自然对流主要受温差、流体物性、换热面朝向（如水平/竖直）影响。23.（1）差异：理论循环假设工质为理想气体、无传热损失、燃烧瞬时完成（定容/定压加热）、排气无压力损失；实际循环工质为变成分燃气（含CO₂、H₂O等）、存在传热损失（向缸壁散热）、燃烧非瞬时（存在滞燃期和后燃期）、排气有流动阻力（背压高于大气压）。（2）效率低的原因：传热损失导致工质温度下降，做功减少；燃烧非瞬时使加热过程偏离定容/定压，平均吸热温度降低；工质比热容随温度升高而增大（实际气体效应），导致循环功减少；排气损失增加了冷源热量。24.（1）技术路线：①槽式光热发电：利用抛物线槽式聚光器聚焦太阳能，加热导热油（或熔盐），通过换热器产生蒸汽驱动汽轮机发电，适用于中低温（300~400℃）、大规模并网发电；②塔式光热发电：通过定日镜群将光聚焦到塔顶吸热器，加热熔盐（或水）至高温（500~1000℃），产生蒸汽发电，适用于高温、高储能需求场景；③菲涅尔式光热发电：采用平面反射镜模拟抛物面聚光，结构简单、成本低，适用于中小规模分布式发电。五、应用题25.（1）熵变计算：Δs=cₚln(T₂/T₁)Rln(p₂/p₁)=1.005×ln(450/300)0.287×ln(500/100)=1.005×0.40550.287×1.6094≈0.40750.462≈0.0545kJ/(kg·K)。若为可逆绝热过程，Δs=0，此处Δs≠0，故不是可逆绝热过程。（2）吸热量：由热力学第一定律Q=ΔU+W，ΔU=cᵥ(T₂T₁)=0.718×(450300)=107.7kJ/kg；W=∫pdv=R(T₂T₁)/(1n)（假设多变过程），但更简单的方法是Q=ΔHW_t（开口系统），但本题为闭口系统，W=∫pdv。另一种方法：Q=TΔs+ΔU（熵方程），但更直接的是用能量方程Q=ΔU+W。由于Δs=0.0545<0，说明过程放热。计算W：对于闭口系统，W=∫pdv=R(T₂T₁)/(1n)，但已知p₁v₁/T₁=p₂v₂/T₂→v₂=(p₁T₂)/(p₂T₁)v₁=(100×450)/(500×300)v₁=0.3v₁。W=∫pdv=∫(p₁v₁^n)/v^ndv（多变过程），但本题未说明过程类型，改用Q=ΔU+W，而W=?更简单的方法是用焓变：ΔH=cₚ(T₂T₁)=1.005×150=150.75kJ/kg，Q=ΔHΔ(pv)=ΔHRΔT=150.750.287×150=150.7543.05=107.7kJ/kg（与ΔU相同，因ΔU=QW，W=QΔU，若Q为负则放热）。综合熵变Δs<0，过程放热，Q=ΔU+W=107.7+W。但更准确的方法是利用熵方程：Δs=s₂s₁=cₚln(T₂/T₁)Rln(p₂/p₁)=0.0545kJ/(kg·K)，故过程熵产s_gen=ΔsQ/T_b（T_b为热源温度），但因无法确定T_b，直接通过Q=ΔU+W，而W=?实际本题中，若假设为多变过程，n=ln(p₂/p₁)/ln(v₁/v₂)=ln(5)/ln(1/0.3)=1.6094/1.2039≈1.337。则W=(p₁v₁p₂v₂)/(n1)=R(T₁T₂)/(n1)=0.287×(300450)/(1.3371)=0.287×(150)/0.337≈127.5kJ/kg（外界对系统做功）。则Q=ΔU+W=107.7+(127.5)=19.8kJ/kg（放热19.8kJ/kg）。26.（1）传热量Q=m₁cₚ₁(T₁'T₁'')=2×1.05×(300150)=315kW；（2）冷水流量m₂=Q/[cₚ₂(T₂''T₂')]=315/(4.18×(8020))=315/(4.18×60)≈1.25kg/s；（3）对数平均温差：逆流时，ΔT₁=T₁'T₂''=30080=220℃，ΔT₂=T₁''T₂'=15020=130℃，ΔTₘ=(ΔT₁ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)=(220130)/ln(220/130)=90/0.5108≈176.2℃；（4）换热面积A=Q/(KΔTₘ)=315×10³/(50×176.2)≈315000/8810≈35.75m²。27.（1）Ts图：1→2（等熵压缩），2→3（等压加热），3→4（等熵膨胀），4→1（等压放热）。（2）压气机出口温度T₂=T₁π^((k1)/k)=300×8^(0.4/1.4)=300×8^0.2857≈300×1.811≈543.3K