机械考研工程热力学试题及答案

机械考研工程热力学试题及答案一、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.理想气体在定温过程中，其比熵变化量Δs与压力比p₂/p₁的关系为（）A.Δs=Rln(p₂/p₁)B.Δs=Rln(p₁/p₂)C.Δs=c_pln(p₂/p₁)D.Δs=c_vln(p₂/p₁)答案：B2.水蒸气在汽液两相区内，若干度x增大而温度保持不变，则其比焓h将（）A.减小B.不变C.增大D.先减小后增大答案：C3.某闭口系统经历一不可逆绝热过程，系统熵变ΔS与熵产S_g的关系为（）A.ΔS=0，S_g=0B.ΔS>0，S_g=ΔSC.ΔS=0，S_g>0D.ΔS>0，S_g<ΔS答案：B4.对于理想气体，下列关系式中始终成立的是（）A.(∂u/∂v)_T=0B.(∂h/∂p)_T=0C.(∂s/∂T)_v=c_p/TD.(∂u/∂T)_p=c_v答案：A5.在朗肯循环中，若提高汽轮机入口蒸汽温度而保持压力不变，则循环热效率将（）A.降低B.不变C.提高D.先提高后降低答案：C6.空气在喷管中作等熵膨胀，若入口速度可忽略，出口马赫数M=1，则喷管型式必为（）A.渐缩型B.渐扩型C.缩放型D.直管型答案：C7.某制冷循环中，蒸发温度为−20℃，冷凝温度为40℃，按逆卡诺循环计算的性能系数COP为（）A.3.15B.4.13C.5.27D.6.33答案：B8.对于实际气体，若焦耳—汤姆逊系数μ_JT>0，则节流后温度将（）A.升高B.降低C.不变D.无法确定答案：B9.在湿空气焓湿图上，已知状态点位于饱和线与φ=50%等相对湿度线之间，若对该空气加热，则其（）A.含湿量d增加B.相对湿度φ增加C.露点温度t_d降低D.焓h增加答案：D10.某活塞式内燃机理想循环，压缩比ε=12，比热比κ=1.4，其空气标准奥托循环热效率为（）A.52.0%B.60.2%C.63.8%D.71.5%答案：C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.下列措施中，能够提高简单燃气轮机循环热效率的有（）A.提高压气机增压比B.采用回热C.降低透平入口温度D.采用间冷E.采用再热答案：A、B、D、E12.关于水蒸气性质，下列说法正确的有（）A.临界压力p_c=22.064MPaB.三相点温度t_t=0.01℃C.饱和水与饱和蒸汽的熵差随压力升高而减小D.在湿蒸汽区，定压线与定温线重合E.干度x<0的状态在热力学上不可能出现答案：A、B、C、D、E13.下列关于熵的说法中，正确的有（）A.绝热闭口系统熵变等于熵产B.可逆过程熵产为零C.孤立系统熵永不减少D.熵是过程量E.熵流可以大于零也可以小于零答案：A、B、C、E14.理想气体在可逆过程中，下列微分关系式正确的有（）A.dh=Tds+vdpB.du=Tds−pdvC.ds=c_pdT/T−Rdp/pD.(∂T/∂p)_s=v/c_pE.(∂h/∂s)_p=T答案：A、B、C、D、E15.下列关于朗肯循环再热压力选择的说法中，正确的有（）A.再热压力过高会降低再热效果B.再热压力过低会使低压缸排汽干度下降C.再热压力优化可使排汽干度大于0.9D.再热可提高循环平均吸热温度E.再热可降低汽轮机低压段湿汽损失答案：A、B、C、D、E三、填空题（每空2分，共20分）16.某理想气体κ=1.4，R=287J/(kg·K)，其定压比热容c_p=______J/(kg·K)，定容比热容c_v=______J/(kg·K)。答案：1004.5；717.517.水在0℃、1atm下的熔化潜热为333.5kJ/kg，则1kg冰完全熔化成水时的熵增为______kJ/K。答案：1.22118.某卡诺热机在高温热源1000K与低温热源300K之间工作，若每小时吸热1000kJ，则其输出功率为______kW，排热率为______kJ/h。答案：0.7；70019.空气在渐缩喷管入口参数p₀=0.6MPa、T₀=800K，背压p_b=0.3MPa，若忽略入口速度，则出口马赫数M=______（取κ=1.4）。答案：120.某蒸汽压缩制冷循环，蒸发温度−15℃，冷凝温度35℃，按逆卡诺循环计算COP为______，若实际循环COP为3.2，则其效率比为______%。答案：5.06；63.221.在湿空气中，已知干球温度30℃，露点温度20℃，则含湿量d=______kg/kg干空气，水蒸气分压力p_v=______kPa（取大气压100kPa）。答案：0.0147；2.3422.某闭口系统经历一不可逆过程，外界对系统做功50kJ，系统放热30kJ，系统熵增0.1kJ/K，则该过程的熵产为______kJ/K。答案：0.1四、简答题（共25分）23.（封闭型，6分）写出理想气体可逆绝热过程的过程方程，并说明其适用条件。答案：pv^κ=常数，或Tv^{κ−1}=常数，或Tp^{(1−κ)/κ}=常数；适用条件：理想气体、比热容为常数、过程可逆且绝热（等熵）。24.（开放型，9分）实际燃气轮机循环与理想布雷顿循环相比，热效率降低的主要原因有哪些？请从部件损失、工质性质及循环结构三方面分析。答案：（1）部件损失：压气机与透平存在等熵效率η_c、η_t<1，导致压缩功增加、膨胀功减少；进出口压力损失使有效压比下降；燃烧室有压降。（2）工质性质：比热随温度变化，高温段c_p增大，使平均吸热温度升幅小于理想值；燃气成分为燃烧产物，κ值降低。（3）循环结构：无回热时排热温度高，平均吸热温度与平均放热温度差缩小；无间冷、再热导致压缩或膨胀过程偏离等温。综合导致实际循环热效率显著低于理想布雷顿循环。25.（封闭型，5分）简述提高蒸汽朗肯循环热效率的三种工程措施，并指出其热力学依据。答案：（1）提高初压初温：提高平均吸热温度，据卡诺定理η_t=1−T_L/T_H，T_H升高则η_t升高。（2）降低背压：降低平均放热温度，同样提高η_t。（3）采用回热：利用抽汽预热给水，减少低温段吸热，提高循环平均吸热温度。26.（开放型，5分）结合焓湿图说明夏季空调降温除湿过程在图上的表示，并指出各阶段热量与湿量变化特点。答案：过程沿“先降温减焓、含湿量下降”方向进行：1→2为冷却除湿，沿φ=100%线向左下方进行，h下降、d下降，冷凝水排出；2→3为再热，沿d=常数向右上方进行，h上升、φ下降，送风温度适宜。总效果：室内显热与潜热均被带走，含湿量净减少。五、计算题（共70分）27.（理想气体过程计算，12分）某气缸内有0.5kg空气，初态p₁=0.15MPa、T₁=300K。若分别经历以下可逆过程到达同一终压p₂=0.6MPa：（1）定温压缩；（2）绝热压缩（κ=1.4）。求：两种过程的终温、终容积、功量及热量，并在p−v图上定性表示两过程线。答案：（1）定温：T₂=300K；V₁=mRT₁/p₁=0.5×287×300/(0.15×10⁶)=0.287m³；V₂=V₁p₁/p₂=0.07175m³；W=mRTln(p₁/p₂)=0.5×287×300×ln(0.25)=−59.3kJ；Q=W=−59.3kJ。（2）绝热：T₂=T₁(p₂/p₁)^{(κ−1)/κ}=300×4^{0.286}=445K；V₂=V₁(p₁/p₂)^{1/κ}=0.287×(1/4)^{0.714}=0.102m³；W=ΔU=mc_v(T₂−T₁)=0.5×717.5×145=52.0kJ（外界对系统做功52.0kJ）；Q=0。图略：定温线为双曲线，绝热线更陡。28.（水蒸气状态与功量，12分）某锅炉出口水蒸气为10MPa、500℃，经绝热节流阀降至2MPa后进入汽轮机。忽略动能变化。求：（1）节流后温度；（2）若汽轮机出口干度0.9、压力10kPa，求汽轮机比功；（3）节流过程是否违反绝热熵增原理？答案：（1）查表得h₁=3375kJ/kg，节流h₂=h₁=3375kJ/kg，p₂=2MPa，过热度大，查过热水蒸气表得T₂≈485℃。（2）汽轮机绝热膨胀s₃=s₂=s₁=6.600kJ/(kg·K)，10kPa下s_f=0.649、s_g=8.150，x=0.9，则s₃=0.649+0.9(8.150−0.649)=7.400>6.600，故需等熵到s=6.600，反求x=(6.600−0.649)/7.501=0.793，h₃=191.8+0.793×2392.8=2089kJ/kg；w_T=h₂−h₃=3375−2089=1286kJ/kg。（3）节流绝热，熵增s₂−s₁=6.600−6.600=0？实际节流不可逆，应s₂>s₁，查h=3375kJ/kg、2MPa得s₂=6.660kJ/(kg·K)，故Δs=0.060kJ/(kg·K)>0，符合绝热熵增原理。29.（燃气轮机循环分析，14分）某理想布雷顿循环，压比π=12，透平入口温度1400K，环境温度300K，κ=1.4，c_p=1005J/(kg·K)。求：（1）循环热效率；（2）比净功；（3）若采用理想回热，求热效率；（4）说明回热提高效率的物理原因。答案：（1）η_t=1−π^{(1−κ)/κ}=1−12^{−0.286}=0.508（50.8%）。（2）T₂=T₁π^{(κ−1)/κ}=300×12^{0.286}=610K；T₄=T₃/π^{(κ−1)/κ}=1400/2.03=689K；w_c=c_p(T₂−T₁)=1005×310=311.6kJ/kg；w_T=c_p(T₃−T₄)=1005×711=714.6kJ/kg；w_net=403kJ/kg。（3）理想回热：T_x=T₄=689K，T_y=T₂=610K，有效回热需T₄>T₂，成立；η_reg=1−(T₂−T₁)/(T₃−T₄)=1−310/711=0.564（56.4%）。（4）回热利用透平排热预热压缩后空气，减少外部高温吸热，提高平均吸热温度，据卡诺定理效率升高。30.（制冷循环计算，12分）某R134a蒸汽压缩制冷循环，蒸发温度−10℃，冷凝温度40℃，压缩机入口为饱和蒸气，出口过热度10℃，节流阀入口为饱和液。求：（1）各点焓值；（2）单位质量制冷量；（3）压缩机比功；（4）COP；（5）若质量流量0.1kg/s，求制冷量(kW)与压缩机功率(kW)。答案：查R134a表：h₁=241.3kJ/kg（−10℃饱和蒸气），s₁=0.925kJ/(kg·K)；h₃=h₄=105.3kJ/kg（40℃饱和液）；压缩机出口p₂=1.017MPa，s₂=s₁，按s=0.925、1.017MPa插值得h₂s=275kJ/kg，实际h₂=275+10℃过热度查得h₂=285kJ/kg；（2）q_L=h₁−h₄=241.3−105.3=136kJ/kg；（3）w_c=h₂−h₁=43.7kJ/kg；（4）COP=q_L/w_c=3.11；（5）Q_L=0.1×136=13.6kW；P_c=0.1×43.7=4.37kW。31.（换热器熵分析，10分）某逆流换热器用热油（c_p=2.1kJ/(kg·K)）加热水，油流量2kg/s，入口150℃，出口100℃；水流量3kg/s，入口20℃。忽略散热、压降。求：（1）水出口温度；（2）换热器熵产(kW/K)；（3）若环境温度25℃，求做功能力损失(kW)。答案：（1）Q_oil=2×2.1×50=210kW；Q_water=210=3×4.18×(t−20)，t=36.8℃。（2）ΔS_oil=2×2.1×ln(373/423)=−0.525kW/K；ΔS_water=3×4.18×ln(309.8/293)=0.695kW/K；S_g=−0.525+0.170=0.170kW/K。（3）I=T₀S_g=298×0.170=50.7kW。32.（综合设计，10分）某工厂需同时供应电力与工艺用热（0.5MPa饱和蒸汽）。拟采用背压式汽轮机热电联产，锅炉出口10