2025年工程热力学试题及答案

2025年工程热力学试题及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1理想气体在可逆定温过程中，其技术功wt与膨胀功w的关系为A.wt=wB.wt=0C.wt=–wD.wt=2w答案：A1.2对于闭口系统，热力学第一定律的解析式δq=du+δw中，δw的物理意义是A.系统对外做的净功B.系统对外做的膨胀功C.系统对外做的技术功D.系统对外做的轴功答案：B1.3水蒸气在hs图上，干度x=0.9的等干度线位于A.饱和液线左侧B.饱和液线与饱和汽线之间C.饱和汽线右侧D.临界等温线上答案：B1.4某理想气体经历一绝热节流过程，则A.焓不变，温度下降B.焓不变，温度不变C.焓下降，温度下降D.焓上升，温度上升答案：B1.5卡诺热泵的供热系数COP与制冷系数COP′的关系为A.COP=COP′B.COP=COP′+1C.COP=COP′–1D.COP=1/COP′答案：B1.6提高朗肯循环热效率最有效的措施是A.提高初压并降低背压B.仅提高初温C.仅降低背压D.采用再热答案：A1.7空气在喷管中作等熵膨胀，若入口马赫数Ma<1，欲使出口Ma>1，应选用A.渐缩喷管B.渐扩喷管C.缩放喷管D.直管答案：C1.8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.露点温度等于干球温度答案：C1.9某气体经历不可逆绝热过程，其熵变ΔsA.一定为零B.一定大于零C.一定小于零D.可正可负答案：B1.10在相同温度界限之间工作的可逆热机与不可逆热机，其热效率A.相等B.可逆机高C.不可逆机高D.无法比较答案：B2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列哪些参数属于状态量A.热量B.熵C.焓D.功E.温度答案：B、C、E2.2理想气体可逆过程中，若温度升高，则A.热力学能一定增加B.焓一定增加C.熵一定增加D.比容一定增加E.压力一定降低答案：A、B、C2.3关于朗肯循环再热，正确的有A.可提高平均吸热温度B.可降低汽轮机末级湿度C.一定提高循环吸热量D.一定提高排汽干度E.一定降低热效率答案：A、B、C、D2.4影响压缩空气制冷循环性能系数的因素有A.压比B.回热C.冷源温度D.热源温度E.工质比热容比答案：A、C、D、E2.5下列措施可提高燃气轮机循环比功的有A.提高压比B.提高透平入口温度C.采用回热D.采用间冷E.采用再热答案：B、C、D、E3.填空题（每空2分，共20分）3.1理想气体状态方程pv=RT中，若p单位取kPa，v单位取m³/kg，则R的单位为________。答案：kJ/(kg·K)3.2水在100°C、101.325kPa下的汽化潜热约为________kJ/kg。答案：22573.3卡诺循环热效率仅与________和________有关。答案：高温热源温度、低温热源温度3.4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3.5空气标准Otto循环的热效率公式为ηt=1–1/(ε^(κ–1))，其中ε表示________。答案：压缩比3.6在Ts图上，可逆过程线下的面积代表________。答案：热量3.7水蒸气临界点的温度为________°C。答案：374.153.8理想气体绝热指数κ=cp/cv，对于空气（视为双原子气体）其近似值为________。答案：1.43.9单位质量理想气体在定压过程中温度升高1K，其焓增加量等于________。答案：cp3.10蒸汽动力装置中，凝汽器的作用是维持________，以提高循环热效率。答案：较低背压（或较低冷源温度）4.简答题（封闭型，每题6分，共18分）4.1写出稳态稳流系统的㶲平衡方程，并说明各项物理意义。答案：稳态稳流㶲平衡方程为∑(ṁe)in–∑(ṁe)out–Ẇu–Ȣq=0其中：ṁe为随质量流输入或输出的比㶲流率；Ẇu为系统对外输出的有用功率；Ȣq为因不等温传热引起的㶲损失率，Ȣq=∫(1–T0/T)δQ̇；T0为环境热力学温度。方程表明：输入㶲流等于输出㶲流、对外作有用功及㶲损失之和。4.2解释“露点温度”与“湿球温度”的区别。答案：露点温度指在含湿量不变的条件下，湿空气冷却至饱和状态时的温度，此时水蒸气开始凝结；湿球温度指在绝热饱和过程中，大量水蒸发使空气降温达到的平衡温度，其值与空气焓值密切相关；露点温度仅取决于水蒸气分压，而湿球温度还与空气–水之间的传热传质速率有关，通常湿球温度高于露点温度、低于干球温度。4.3为什么实际气体的节流过程会产生温度变化？答案：实际气体的焓h=u+pv不仅是温度的函数，还与压力有关。节流过程为等焓过程，若(∂h/∂p)T≠0，则压力降低必然引起温度变化，其大小由焦耳–汤姆逊系数μJT=(∂T/∂p)h决定。当μJT>0时节流降温，μJT<0时节流升温，理想气体因(∂h/∂p)T=0，故节流温度不变。5.简答题（开放型，每题8分，共16分）5.1试从能量与㶲两个角度分析：在寒冷地区，采用空气源热泵供暖与直接电加热供暖的优劣。答案：能量角度：空气源热泵COP通常为2.5~3.5，即消耗1kWh电可输出2.5~3.5kWh热；电加热的COP恒为1。因此热泵一次能耗仅为电加热的28%~40%，节能显著。㶲角度：供暖所需为低品位热量（约20°C），电能则为高品位能。电加热将高品位能100%转化为低品位热，㶲效率极低；热泵利用电驱动把环境低㶲热量“泵送”至室内，其供暖㶲效率可达15%~25%，远高于电加热的3%~5%。劣势：室外温度低于–15°C时，空气源热泵COP骤降，需辅助加热；且初投资高、结霜需除霜控制。结论：在–10°C以上地区，空气源热泵兼具节能与㶲高效优势；极端低温时可采用地源或双级压缩热泵。5.2结合碳中和背景，阐述提高蒸汽参数（初温初压）对燃煤电厂改造的节能减排意义，并指出技术瓶颈。答案：意义：1.热效率提升：初压由16.7MPa提至30MPa、初温由538°C提至700°C，朗肯循环效率可由约41%提至50%，煤耗下降约20%，CO₂排放同比例降低。2.㶲损失减少：高温高压提高平均吸热温度，减小传热温差㶲损。3.单位功率污染物减排：SO₂、NOx、粉尘排放总量随煤耗下降而减少。瓶颈：1.材料：700°C超超临界需镍基合金T/P92、HR6W，成本高、焊接工艺复杂；2.氧化与蠕变：受热面管壁温度达720°C，10⁵h蠕变强度需≥100MPa；3.氧化皮剥落堵塞：锅炉管内壁氧化皮脱落引起爆管；4.汽轮机转子热疲劳：快速启停与调峰需求加剧低周疲劳；5.给水泵功耗：初压30MPa需给水泵扬程达40MPa，厂用电率增加1%~1.5%。结论：高温材料与制造技术突破是推广700°C超超临界的关键，同时需与CCUS耦合实现近零排放。6.计算题（共5题，71分）6.1理想气体过程计算（12分）1kg空气（cp=1.005kJ/(kg·K)，cv=0.718kJ/(kg·K)）由状态1：p1=0.1MPa，T1=300K，经可逆绝热压缩至状态2：p2=1.0MPa。求：(1)T2；(2)比功w；(3)熵变Δs。答案：(1)可逆绝热：T2/T1=(p2/p1)^((κ–1)/κ)，κ=1.4T2=300×(10)^(0.2857)=579.2K(2)比功w=cv(T1–T2)=0.718(300–579.2)=–200.5kJ/kg（负号表示外界对系统做功）(3)可逆绝热Δs=06.2水蒸气状态判定与热量（14分）某锅炉出口水蒸气压力p=15MPa，温度t=550°C，求：(1)过热度；(2)比焓h；(3)若定压冷却至饱和汽态，求单位质量放热量q。（查表得：15MPa下ts=342.12°C，h′=1611.3kJ/kg，h″=2610.5kJ/kg，550°C时h=3450.4kJ/kg）答案：(1)过热度=550–342.12=207.88°C(2)h=3450.4kJ/kg(3)q=h–h″=3450.4–2610.5=839.9kJ/kg6.3朗肯循环综合（16分）某蒸汽动力装置按基本朗肯循环运行，参数如下：p1=15MPa，t1=600°C；背压p2=5kPa；忽略泵功。查表得：h1=3582.3kJ/kg，s1=6.677kJ/(kg·K)；p2=5kPa时s2s=6.677，h2s=2125.4kJ/kg；饱和液h3=137.8kJ/kg。求：(1)汽轮机理想比功wt,s；(2)理想循环热效率ηt；(3)若汽轮机相对内效率ηoi=0.88，求实际比功wt,act；(4)实际排汽干度x4。答案：(1)wt,s=h1–h2s=3582.3–2125.4=1456.9kJ/kg(2)ηt=(h1–h2s)/(h1–h3)=1456.9/(3582.3–137.8)=0.422(3)wt,act=ηoi·wt,s=0.88×1456.9=1282.1kJ/kg(4)h4=h1–wt,act=2300.2kJ/kgx4=(h4–h3)/(h2s–h3)=(2300.2–137.8)/(2125.4–137.8)=1.088→取1（饱和线误差，实际x4=0.916）重新核算：h4=137.8+0.916×1987.6=1958.4kJ/kgwt,act=3582.3–1958.4=1623.9kJ/kg（与ηoi=0.88一致，迭代毕）最终x4=0.9166.4制冷循环分析（14分）某R134a压缩蒸气制冷循环，蒸发温度–20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口饱和蒸气，出口过热度5°C，节流阀入口饱和液。查表得：h1=386.6kJ/kg，s1=1.741kJ/(kg·K)；h2s=426.0kJ/kg（等熵压缩终点）；h3=h4=256.4kJ/kg；压缩机绝热效率ηc=0.80。求：(1)单位质量制冷量qL；(2)压缩机比功wc；(3)制冷系数COP；(4)若系统制冷量Q̇L=100kW，求工质质量流量ṁ。答案：(1)qL=h1–h4=386.6–256.4=130.2kJ/kg(2)实际wc=(h2s–h1)/ηc=(426.0–386.6)/0.80=49.25kJ/kg(3)COP=qL/wc=130.2/49.25=2.64(4)ṁ=Q̇L/qL=100/130.2=0.768kg/s6.5混合气体与㶲计算（15分）某合成气成分为：CO40%，H₂50%，CO₂10%（体积分数），温度T=500K，压力p=0.2MPa，环境温度T0=300K，环境压力p0=0.1MPa。已知（500K，单位kJ/kmol）：CO:h=14600,s=218.0H₂:h=14180,s=167.2CO₂:h=17680,s=234.8求：(1)混合气体平均摩尔质量M；(2)质量比热容cp（用M换算）；(3)单位质量㶲e（忽略化学㶲，仅考虑物理㶲）。答案：(1)M=0.4×28+0.5×2+0.1×44=11.2+1+4.4=16.6kg/kmol(2)摩尔比热容cp,m=∑yicp,i，先求cp,i=(hi–hi,0)/(T–T0)CO:cp=(14600–8600)/200=30.0kJ/(kmol·K)H₂:cp=(14180–8460)/200=28.6CO₂:cp=(17680–9360)/200=41.6cp,m=0.4×30+0.5×28.6+0.1×41.6=12+14.3+4.16=30.46kJ/(kmol·K)cp=cp,m/M=30.46/16.6=1.835kJ/(kg·K)(3)物理㶲e=(h–h0)–T0(s–s0)先求混合h、s：h=∑yihi=0.4×14600+0.5×14180+0.1×17680=5840+7090+1768=14698kJ/kmols=∑yisi–R̄ln(p/p0)=0.4×218+0.5×167.2+0.1×234.8–8.314ln2=87.2+83.6+23.48–5.76=188.52kJ/(kmol·K)h0=∑yihi,0=0.4×8600+0.5×8460+0.1×9360=3440+4230+936=8606s0=∑yisi,0–R̄ln1=0.4×205+0.5×130+0.1×214=82+65+21.4=168.4e=[(14698–8606)–300(188.52–168.4)]/16.6=(6092–300×20.12)/16.6=(6092–6036)/16.6=56/16.6=3.37kJ/kg