工程热力学考试题目及答案

工程热力学考试题目及答案一、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.对于闭口系统经历一可逆定温过程，下列说法正确的是（）A.系统熵一定减小B.系统熵一定增大C.系统熵变化取决于热量方向，可增可减D.系统熵变化恒为零答案：C2.理想气体在喷管中作可逆绝热流动，若入口马赫数小于1，为使出口马赫数大于1，喷管几何形状必须满足（）A.渐缩B.渐扩C.先渐缩后渐扩D.先渐扩后渐缩答案：C3.水蒸气在刚性容器内被定容加热，其干度从0.6升高到0.9，下列状态参数一定增大的是（）A.压力B.温度C.比熵D.比内能答案：D4.某制冷循环的制冷系数COP=4，若向环境放热量为500kJ，则该循环从低温热源吸热量为（）A.400kJB.125kJC.375kJD.100kJ答案：B5.对于理想气体，若比热容比k=1.4，则气体常数R与定压比热容cp的关系为（）A.R=0.4cpB.R=0.286cpC.R=1.4cpD.R=cp/1.4答案：B6.在Ts图上，理想气体可逆绝热过程表现为（）A.水平直线B.铅垂直线C.对数曲线D.斜率为T/cv的曲线答案：B7.两级压缩中间冷却的理想压气机，与单级绝热压气机相比，若压比相同，则（）A.耗功增加，排气温度升高B.耗功减少，排气温度降低C.耗功不变，排气温度降低D.耗功减少，排气温度升高答案：B8.湿空气相对湿度φ=50%，若总压不变而温度升高，则φ值（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B9.卡诺热机效率为0.6，若低温热源温度为280K，则高温热源温度为（）A.700KB.467KC.373KD.1200K答案：A10.水在4°C时经历一可逆绝热压缩，其温度将（）A.升高B.降低C.不变D.无法确定答案：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，错选、多选、漏选均不得分）11.下列措施可提高简单燃气轮机循环热效率的是（）A.提高透平入口温度B.增加压气机压比C.采用回热D.在透平后增加再热答案：A、B、C12.理想气体不可逆绝热膨胀与可逆绝热膨胀相比，终态（）A.温度更高B.比熵更大C.比焓更大D.比容更小答案：A、B、C13.关于水蒸气定压汽化过程，下列说法正确的是（）A.温度不变B.比熵增加C.比焓增加D.比内能减小答案：A、B、C14.下列参数中属于强度量的是（）A.压力B.温度C.比容D.总内能答案：A、B、C15.湿空气在冷却去湿过程中，若凝结水被及时排出，则出口空气（）A.含湿量降低B.相对湿度降低C.比焓降低D.露点温度降低答案：A、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程pv=RT中，若p单位为kPa，v单位为m³/kg，T单位为K，则R的单位为________。答案：kJ/(kg·K)17.某理想气体cp=1.005kJ/(kg·K)，cv=0.718kJ/(kg·K)，其比热容比k=________。答案：1.418.水在100°C、标准大气压下的汽化潜热约为________kJ/kg。答案：225719.卡诺循环由两个________过程和两个________过程组成。答案：定温，绝热20.湿空气的含湿量d定义为水蒸气质量与________质量之比。答案：干空气21.理想气体可逆绝热过程方程pvⁿ=常数，其中n=________。答案：k22.在Ts图上，水蒸气两相区内的水平线长度表示________的大小。答案：汽化潜热23.理想气体在喷管中作可逆绝热流动，若入口速度可忽略，则出口速度c₂=________。答案：√[2(h₁−h₂)]24.对于理想气体，定压比热cp与定容比热cv满足cp−cv=________。答案：R25.蒸汽压缩制冷循环中，节流阀出口状态位于________区。答案：两相四、简答题（共25分）26.（6分）封闭系统经历一不可逆过程，系统熵变化为+5kJ/K，外界熵变化为−3kJ/K。试判断该过程能否实现，并说明理由。答案：系统与外界构成孤立系统，总熵变化=5+(−3)=+2kJ/K>0，满足熵增原理，故过程可实现。27.（6分）写出理想气体混合法则（道尔顿分压与阿马加分容）的表达式，并指出其适用条件。答案：道尔顿分压：p=Σpi，pi=xip，其中xi为摩尔分数，适用于理想气体混合物；阿马加分容：V=ΣVi，Vi=xiV，同样适用于理想气体混合物，且温度相同。28.（6分）说明回热在燃气轮机循环中的作用，并画出回热循环Ts图示意图。答案：回热利用透平排气预热压气机出口空气，减少燃烧室加热量，提高平均吸热温度，从而提高热效率。Ts图表现为：压缩线与膨胀线不变，增加一条回热过程线，使吸热过程起始温度升高。29.（7分）何谓“湿蒸汽”？在hs图上如何确定其干度？答案：湿蒸汽为饱和水与饱和蒸汽共存的两相混合物。hs图上，已知压力或温度即可确定饱和液线与饱和蒸汽线，湿蒸汽状态点位于两线之间，干度x=(h−hf)/hfg，其中hf为饱和液焓，hfg为汽化潜热。通过状态点作等压线与饱和液、汽线交点，量取线段比例即可得x。五、计算题（共70分）30.（12分）1kg空气（理想气体，k=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)）在气缸内由p₁=0.1MPa、t₁=20°C被可逆绝热压缩至p₂=1.0MPa。求：(1)终态温度T₂；(2)压缩比功w；(3)比熵变化Δs。答案：(1)T₂=T₁(p₂/p₁)^((k−1)/k)=293×(10)^(0.286)=293×1.9307=565.7K(2)w=cv(T₁−T₂)=0.718×(293−565.7)=−195.8kJ/kg（负号表示外界对系统做功）(3)可逆绝热过程Δs=031.（14分）某蒸汽动力循环采用再热+回热，已知：锅炉出口：p₁=15MPa，t₁=600°C；高压透平排汽：p₂=3MPa，再热至600°C；低压透平排汽：p₃=5kPa；给水回热为一级混合式加热器，抽汽压力0.5MPa。忽略泵功，求：(1)循环热效率；(2)汽耗率（kg/(kW·h)）。（附：h₁=3582kJ/kg，s₁=6.68kJ/(kg·K)；再热后h₃=3682kJ/kg，s₃=7.52kJ/(kg·K)；p₂饱和液hf=1008kJ/kg；p₃饱和液hf=137.8kJ/kg，hfg=2423kJ/kg；抽汽饱和液hf=640.2kJ/kg。）答案：(1)高压透平s₁=s₂=6.68，查3MPa下h₂=3100kJ/kg；低压透平s₃=s₄=7.52，查5kPa，x₄=(7.52−0.476)/7.92=0.888，h₄=137.8+0.888×2423=2290kJ/kg；回热器能量平衡：m·h₂+(1−m)hf₃=hf₅，设抽汽份额m，hf₅=640.2，hf₃=137.8，m×3100+(1−m)×137.8=640.2→m=0.172；q_in=(h₁−hf₅)+(1−m)(h₃−h₂)=(3582−640.2)+0.828×(3682−3100)=2941.8+481.9=3423.7kJ/kg；w_net=(h₁−h₂)+(1−m)(h₃−h₄)=482+0.828×1392=482+1152=1634kJ/kg；η=w_net/q_in=1634/3423.7=47.7%。(2)汽耗率=3600/w_net=3600/1634=2.20kg/(kW·h)。32.（14分）某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口为饱和蒸汽，出口为过热10°C，节流阀入口为饱和液体。已知：h₁=1420kJ/kg（−20°C饱和蒸汽），h₂=1680kJ/kg（压缩机出口，过热10°C），h₃=390kJ/kg（40°C饱和液），h₄=h₃（节流）。求：(1)单位质量制冷量q_L；(2)单位质量压缩功w；(3)制冷系数COP；(4)若制冷量为100kW，求氨质量流量。答案：(1)q_L=h₁−h₄=1420−390=1030kJ/kg(2)w=h₂−h₁=1680−1420=260kJ/kg(3)COP=q_L/w=1030/260=3.96(4)ṁ=Q_L/q_L=100/1030=0.0971kg/s=349.6kg/h33.（15分）某刚性绝热容器被隔板分成A、B两室，A室装有1kg空气，300K，0.1MPa；B室为真空。抽去隔板后空气自由膨胀至整个容器，最终压力0.05MPa。空气作理想气体，k=1.4。求：(1)终态温度T₂；(2)熵产ΔS_gen；(3)该过程能否在Ts图上用一条连续曲线表示？说明理由。答案：(1)自由膨胀Q=0，W=0→ΔU=0→T₂=T₁=300K(2)ΔS_gen=mRln(V₂/V₁)=1×0.287×ln(2)=0.199kJ/K(3)不可逆过程，中间状态非平衡态，Ts图仅描述平衡态，故无法用连续曲线表示，只能用虚线连接初终态。34.（15分）某空气流以c₁=30m/s进入一绝热渐缩喷管，入口温度T₁=400K，压力p₁=0.3MPa，出口背压p_b=0.15MPa。若喷管效率η=0.9，求：(1)理论出口速度c₂s；(2)实际出口速度c₂；(3)出口马赫数M₂；(4)单位面积质量流量（出口比容v₂=0.42m³/kg）。答案：(1)等熵膨胀T₂s=T₁(p₂/p₁)^((k−1)/k)=400×(0.5)^(0.286)=328.1K；c₂s=√[2cp(T₁−T₂s)+c₁²]=√[2×1005×(400−328.1)+900]=√[144600+900]=381.7m/s(2)η=(c₂²−c₁²)/(c₂s²−c₁²