工程热力学考试卷及答案

工程热力学考试卷及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1理想气体在可逆定温膨胀过程中，其技术功与体积功的关系为A.技术功＞体积功B.技术功＝体积功C.技术功＜体积功D.无法确定答案：B1.2对于闭口系统经历绝热不可逆过程，下列说法正确的是A.系统熵必然减小B.系统熵必然增大C.系统熵不变D.系统熵可能减小也可能增大答案：B1.3水蒸气在临界点的状态参数为A.p=22.064MPa，t=374.15℃B.p=22.064MPa，t=373.15℃C.p=22.115MPa，t=374.15℃D.p=22.064kPa，t=374.15℃答案：A1.4某理想气体经历一卡诺循环，其高温热源温度为800K，低温热源温度为300K，则理论热效率为A.0.500B.0.625C.0.750D.0.525答案：B1.5在湿空气焓湿图上，等含湿量线平行于A.等焓线B.等温线C.等相对湿度线D.等比体积线答案：A1.6若压缩比相同，奥托循环与狄塞尔循环的理论热效率相比A.奥托循环更高B.狄塞尔循环更高C.两者相等D.取决于工质答案：A1.7蒸汽再热循环的主要目的在于A.提高平均吸热温度B.降低排汽干度C.减小锅炉热负荷D.降低汽轮机背压答案：A1.8理想气体绝热节流前后A.温度不变，熵不变B.温度不变，熵增大C.温度降低，熵增大D.温度升高，熵减小答案：B1.9若某热机效率为0.4，其输出功率为100kW，则排向冷源的热流量为A.150kWB.250kWC.100kWD.200kW答案：B1.10下列参数中，属于强度量的是A.内能B.焓C.温度D.熵答案：C2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列措施可提高朗肯循环热效率的有A.提高初压B.提高初温C.降低背压D.增加再热次数E.增大锅炉排烟温度答案：ABCD2.2理想气体在下列过程中，熵必然增加的有A.可逆绝热膨胀B.不可逆绝热压缩C.定温吸热D.定压加热E.自由膨胀答案：BCDE2.3关于湿空气，下列说法正确的有A.露点温度随含湿量增加而升高B.相对湿度100%时干球温度等于湿球温度C.含湿量单位是kg/kg干空气D.绝热饱和温度与湿球温度数值相等E.固定含湿量下，温度升高则相对湿度降低答案：ACDE2.4下列属于不可逆因素的有A.有限温差传热B.摩擦C.自由膨胀D.混合E.可逆绝热压缩答案：ABCD2.5关于回热循环，下列说法正确的有A.可减少冷源损失B.提高平均吸热温度C.降低汽轮机排汽干度D.需设置回热加热器E.一定提高循环热效率答案：ABDE3.填空题（每空2分，共20分）3.1理想气体状态方程的微观表达式为p=________，其中n为单位体积内的________数。答案：nkT，分子3.2卡诺定理指出：在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切热机，以________热机效率最高，其效率仅与________有关。答案：可逆，热源温度3.3水在0.1MPa下的饱和温度为________℃，汽化潜热为________kJ/kg。答案：99.63，2257.63.4对于理想气体，定压比热容cp与定容比热容cv满足cp－cv＝________，比热比γ＝________。答案：Rg，cp/cv3.5湿空气的含湿量d定义为________质量与________质量之比。答案：水蒸气，干空气3.6蒸汽压缩制冷循环中，冷凝器出口状态通常为________液体，节流后变为________混合物。答案：饱和，两相3.7若某系统经历一循环后，系统熵变为________，环境熵变________0（填＞、＝或＜）。答案：0，≥3.8吉布斯函数g的定义式为g＝________，其物理意义为________条件下单位质量的________势。答案：h－Ts，定温定压，做功3.9在p－v图上，理想气体可逆绝热过程线的斜率为________，在T－s图上，可逆定压线为________线。答案：－γp/v，斜向上直线3.10临界压力比βc＝________，对于双原子理想气体其值约为________。答案：2/(γ+1)^[γ/(γ−1)]，0.5284.简答题（共25分）4.1（封闭型，5分）写出热力学第二定律的克劳修斯表述，并说明其物理意义。答案：热量不能自发地、不付代价地从低温物体传向高温物体。其物理意义在于指明传热过程的不可逆性和熵增原理，为热机效率设定上限。4.2（封闭型，5分）解释“干度”概念，并给出湿蒸汽区内任意状态比容的计算式。答案：干度x为湿蒸汽中饱和蒸汽质量与总质量之比。比容v＝v′＋x(v″－v′)，其中v′、v″分别为饱和液与饱和汽比容。4.3（开放型，7分）结合T－s图说明为何再热可提高朗肯循环效率，并指出再热压力选择过高或过低的不利影响。答案：再热使高温段平均吸热温度升高，T－s图上吸热线下移面积增大，循环净功增加，效率提高。再热压力过高则低压缸排汽干度下降，侵蚀叶片；过低则再热温升小，效率改善有限，且增加管道成本。4.4（开放型，8分）列举三种工程上利用余热提高能源利用率的热力学措施，并说明其原理。答案：1.回热：用汽轮机抽汽预热给水，减少锅炉内高温吸热量，提高平均吸热温度；2.再热：中间再热提高初温，降低排汽湿度，增大净功；3.热电联产：利用排汽或抽汽对外供热，使能量按质利用，减少冷源损失。5.计算与分析题（共70分）5.1（理想气体过程，10分）2kg空气（Rg=0.287kJ/(kg·K)，γ=1.4）初态p1=0.1MPa，T1=300K，经可逆绝热压缩至p2=1.0MPa。求：(1)终态温度T2；(2)体积功W；(3)技术功Wt。答案：(1)T2=T1(p2/p1)^[(γ−1)/γ]=300×10^0.286=579.2K(2)W=mRg(T1−T2)/(γ−1)=2×0.287×(300−579.2)/0.4=－400.7kJ（负号表示耗功）(3)Wt=γW=1.4×(－400.7)=－561.0kJ5.2（卡诺循环，10分）某卡诺热机工作在900K与300K之间，吸热速率Q̇1=100kW。求：(1)理论效率；(2)输出功率；(3)熵产率（系统+环境）。答案：(1)η=1−300/900=0.6667(2)P=ηQ̇1=66.67kW(3)系统经历循环熵变为0；环境吸热率Q̇2=100−66.67=33.33kW，熵产率=Q̇2/300=0.1111kW/K5.3（朗肯循环，15分）某蒸汽动力厂按理想朗肯循环运行，初参数p1=10MPa，t1=550℃，背压p2=10kPa。忽略泵功，求：(1)汽轮机出口干度；(2)循环热效率；(3)汽耗率（kg/(kW·h)）。已知：h1=3500kJ/kg，s1=6.756kJ/(kg·K)；p2下s′=0.649，s″=8.150；h′=191.8，h″=2584kJ/kg。答案：(1)x=(s1−s′)/(s″−s′)=0.804(2)h2=h′+x(h″−h′)=2096kJ/kg，忽略泵功η=(h1−h2)/(h1−h′)=0.409(3)汽耗率=3600/(h1−h2)=3.60kg/(kW·h)5.4（回热加热，10分）若上题采用一次回热，抽汽压力1MPa，抽汽焓h3=2800kJ/kg，给水加热至饱和液，求循环效率提升量。已知：1MPa下h′=762.5kJ/kg。答案：抽汽份额α=(h′−h′)/(h3−h′)=0.214；平均吸热温度升高，η′=0.409→0.442，提升3.3个百分点。5.5（湿空气，10分）某空调系统引入35℃、φ=60%的湿空气100m³，经冷却去湿至20℃饱和状态。求：(1)初始含湿量；(2)凝结水量；(3)放热量。已知：35℃下ps=5.628kPa，20℃下ps=2.339kPa，干空气Rg=0.287kJ/(kg·K)，水蒸气Rg=0.4615kJ/(kg·K)。答案：(1)d1=0.622φps/(p−φps)=0.0219kg/kg(2)干空气质量ma=pV/(RgT)=110.9kg，d2=0.622×2.339/(101.3−2.339)=0.0147，凝结水=ma(d1−d2)=0.80kg(3)放热量Q=ma[(h1−h2)−(d1−d2)hw]=110.9×[(80.0−57.5)−0.0072×83.9]=2.47MJ5.6（制冷循环，15分）R134a蒸汽压缩制冷循环，蒸发温度−20℃，冷凝温度40℃，压缩机入口x=1，出口s2=s1，求：(1)单位质量制冷量；(2)压缩机比功；(3)制冷系数；(4)若采用回热器使压缩机入口过热度10℃，制冷系数变化率。已知：−20℃下h′=173.5，h″=387.8kJ/kg，s′=0.900，s″=1.743kJ/(kg·K)；40℃下h′=256.4，h″=419.9，s′=1.190，s″=1.712。答案：(1)qL=h1−h4=387.8−256.4=131.4kJ/kg(2)h2由s2=s1=1.743查40℃得h2=432.0kJ/kg，w=h2−h1=44.2kJ/kg(3)COP=qL/w=2.97(4)过热度10℃后h1′=401.0，h2′=445.0，w′=44.0，qL′=144.6，COP′=3.29，提升10.8%6.综合设计题（20分）6.1某化工厂需同时供应1.0MPa饱和蒸汽10t/h与电力500kW。现拟采用背压式汽轮机实现热电联产，背压1.0MPa。已知锅炉效率90%，燃料低位发热量Qnet=20MJ/kg，汽轮机相对内效率85%，机械效率98%，发电机效率97%。求：(1)汽轮机入口蒸汽最低温度（过热度≥30℃）；(2)小时燃料消耗量；(3)系统燃料利用总效率；(4)若改为凝汽式机组单独发电，比较燃料消耗差异并分析原因。答案：(1)1.0MPa饱和温度179.9℃，取入口210℃，h1=2798kJ/kg，s1=6.582；背压饱和h′=762.5，理想h2s=2798−(2798−762.5)×0.85=2068kJ/kg；需功率500kW，蒸汽量D=500/(0.98×0.97×(2798−2068))=0.785kg