工程热力学考试题库及答案

工程热力学考试题库及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.理想气体在可逆绝热过程中，若比热容比为k，则过程方程为A.pv^k=常数B.pv=常数C.pv^(1/k)=常数D.p^kv=常数答案：A2.卡诺循环的热效率仅取决于A.工质种类B.高温热源与低温热源温度C.循环净功D.循环压力比答案：B3.湿空气相对湿度φ=50%，若温度不变而含湿量增大，则φ将A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A4.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能变化，其焓降等于A.轴功B.技术功C.体积功D.热量答案：B5.理想气体节流过程前后A.焓不变，温度不变B.焓不变，温度可能变C.焓变，温度不变D.焓变，温度变答案：B6.对闭口系，下列哪项组合正确表达了热力学第一定律A.Q=ΔU+WB.Q=ΔH+W_tC.Q=ΔU+∫pdVD.Q=ΔH+∫Vdp答案：A7.若某循环的熵产ΔS_gen>0，则该循环A.可逆B.不可逆C.不可能实现D.与可逆性无关答案：B8.理想气体定压比热c_p与定容比热c_v满足A.c_p−c_v=R/MB.c_p/c_v=kC.c_p+c_v=RD.c_p·c_v=R²答案：A9.朗肯循环中提高初压而保持初温、背压不变，则A.汽轮机排汽干度上升B.汽轮机排汽干度下降C.热效率下降D.耗汽率增大答案：B10.空气压缩制冷循环中，若回热完善，则A.制冷系数一定增大B.制冷系数一定减小C.单位质量工质制冷量增大D.单位质量工质制冷量减小答案：C二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.下列措施可提高简单燃气轮机循环热效率的是A.提高压比B.采用回热C.分级压缩中间冷却D.分级膨胀中间再热答案：ABCD12.关于水蒸气定压汽化过程，正确的有A.温度不变B.熵增大C.焓增大D.干度始终为1答案：ABC13.理想气体在相同初态、相同终压下，不可逆绝热压缩与可逆绝热压缩相比A.终温更高B.耗功更大C.熵产大于零D.终体积更大答案：ABC14.湿空气焓值与下列参数有关A.干球温度B.含湿量C.水蒸气分压D.大气压力答案：AB15.下列关于熵的说法正确的有A.孤立系熵增原理适用于任何热力学过程B.可逆过程熵产为零C.熵流可正可负可为零D.系统熵变等于熵流加熵产答案：ABCD三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程pv=RT中，R的单位是________，其值与气体________有关。答案：J/(kg·K)，种类17.卡诺循环由两个________过程和两个________过程组成。答案：可逆等温，可逆绝热18.水在100℃、1atm下的汽化潜热约为________kJ/kg。答案：225719.湿空气露点温度是________开始结露的温度，其值取决于________和________。答案：水蒸气，分压，含湿量20.朗肯循环的热效率η_t=________，其中q_in表示________。答案：1−q_out/q_in，锅炉吸热量21.理想气体绝热指数k=c_p/c_v，对于空气k≈________。答案：1.4022.压缩因子Z=________，理想气体Z=________。答案：pv/RT，123.吉布斯函数g=h−Ts，在________相平衡条件下，两相g值________。答案：等温等压，相等四、判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）24.系统经历一个循环后，其熵变一定为零。答案：√25.理想气体混合物的总压等于各组分分压之和。答案：√26.水蒸气在临界点的汽化潜热为零。答案：√27.燃气轮机循环的净功等于压气机耗功与涡轮膨胀功之和。答案：×28.湿空气经绝热加湿后，干球温度下降，含湿量增大。答案：√29.提高蒸汽初温总是能提高朗肯循环热效率并降低排汽干度。答案：×30.理想气体节流后温度一定不变。答案：×31.对于闭口系，Q+W=ΔU中的W为外界对系统做的功。答案：×32.可逆绝热过程一定是等熵过程。答案：√33.熵产为零的过程一定是可逆过程。答案：√五、简答题（共25分）34.（6分）写出闭口系熵平衡方程，并说明各项物理意义。答案：ΔS=∫(δQ/T)+S_genΔS：系统熵变；∫(δQ/T)：熵流，系统与外界换热引起；S_gen：熵产，不可逆性引起，可逆时为零。35.（6分）解释“干度”概念，并给出湿蒸汽比容计算公式。答案：干度x=干蒸汽质量/湿蒸汽总质量；v=v_f+x(v_g−v_f)，其中v_f、v_g分别为饱和液、饱和汽比容。36.（6分）说明回热在燃气轮机循环中的作用，并画出Ts图示意。答案：回热利用涡轮排气加热压气机出口空气，减少燃烧室加热量，提高热效率；Ts图上表现为高温排气线与低温压缩线之间加入回热器，两线靠近，平均吸热温度升高。37.（7分）简述蒸汽再热的目的及可能带来的负面效应。答案：目的：提高初温受限时，通过中间再热提高平均吸热温度，抑制低压缸末级蒸汽湿度过大；负面：增加系统复杂性，管道压降导致循环净功下降，投资增大。六、计算题（共70分）38.（10分）1kg空气（c_p=1.005kJ/(kg·K)，c_v=0.718kJ/(kg·K)）由初态0.1MPa、27℃经可逆绝热压缩到0.8MPa，求终温、终比容、技术功。答案：T_2=T_1(p_2/p_1)^((k−1)/k)=300×(8)^(0.4/1.4)=543.4K；v_1=RT_1/p_1=0.287×300/100=0.861m³/kg；v_2=v_1(p_1/p_2)^(1/k)=0.861×(1/8)^(1/1.4)=0.192m³/kg；w_t=c_p(T_1−T_2)=1.005×(300−543.4)=−244.6kJ/kg（负号表示耗功）。39.（12分）某卡诺热机工作在800K、300K两热源之间，每小时吸热5000kJ，求（1）热效率；（2）净功率；（3）每小时排热量；（4）若实际循环熵产为0.45kJ/K，求实际效率。答案：（1）η_C=1−300/800=0.625；（2）P=η_C×Q_in/3600=0.625×5000/3600=0.868kW；（3）Q_out=Q_in(1−η_C)=5000×0.375=1875kJ/h；（4）ΔS_isolated=−Q_in/T_H+Q_out_actual/T_L+S_gen=0，Q_out_actual=Q_in−W_actual，η_actual=W_actual/Q_in=0.625−300×0.45/5000=0.598。40.（12分）某朗肯循环初压10MPa、初温600℃，背压5kPa，忽略泵功，求（1）汽轮机出口干度；（2）热效率；（3）汽轮机比功。已知：h_1=3625kJ/kg，s_1=6.902kJ/(kg·K)，s_f=0.476kJ/(kg·K)，s_g=8.393kJ/(kg·K)，h_f=138kJ/kg，h_g=2561kJ/kg。答案：（1）s_2=s_1=6.902，x=(6.902−0.476)/(8.393−0.476)=0.812；（2）h_2=h_f+x(h_g−h_f)=138+0.812×2423=2106kJ/kg；w_t=h_1−h_2=3625−2106=1519kJ/kg；q_in=h_1−h_f=3625−138=3487kJ/kg；η=1519/3487=0.436；（3）已求w_t=1519kJ/kg。41.（12分）某蒸汽压缩制冷循环用R134a，蒸发温度−10℃，冷凝温度40℃，压缩机入口为饱和蒸汽，出口为过热蒸汽（h_2=440kJ/kg），冷凝液为饱和液（h_3=256kJ/kg），蒸发器出口h_1=395kJ/kg，求（1）单位质量制冷量；（2）压缩机比功；（3）制冷系数；（4）若质量流量0.05kg/s，求制冷量kW。答案：（1）q_L=h_1−h_4=395−256=139kJ/kg；（2）w_c=h_2−h_1=440−395=45kJ/kg；（3）COP=139/45=3.09；（4）Q_L=0.05×139=6.95kW。42.（12分）某绝热刚性容器被隔板分成两部分，A侧0.5m³、0.3MPa、400K，B侧0.5m³、0.1MPa、300K，均为空气。抽去隔板后达到平衡，求（1）终温；（2）终压；（3）熵产。已知c_v=0.718kJ/(kg·K)，R=0.287kJ/(kg·K)。答案：m_A=p_AV_A/(RT_A)=0.3×0.5/(0.287×400)=1.306×10⁻³kg；m_B=0.1×0.5/(0.287×300)=0.581×10⁻³kg；m=1.887×10⁻³kg；U_1=m_Ac_vT_A+m_Bc_vT_B=1.306×0.718×400+0.581×0.718×300=500.3kJ；T_2=U_1/(mc_v)=500.3/(1.887×0.718)=369.3K；p_2=mRT_2/(V_total)=1.887×0.287×369.3/1=0.200MPa；ΔS_A=m_A[c_pln(T_2/T_A)−Rln(p_2/p_A)]=1.306[1.005ln(369.3/400)−0.287ln(0.2/0.3)]=0.092kJ/K；ΔS_B=0.581[1.005ln(369.3/300)−0.287ln(0.2/0.1)]=−0.065kJ/K；S_gen=ΔS_A+ΔS_B=0.027kJ/K。43.（12分）某燃气轮机循环压比12，初温1400K，回热度80%，环境温度300K，求（1）理想回热循环热效率；（2）实际循环考虑压气机η_c=0.86、涡轮η_t=0.88后的净比功；（3）实际热效率。取c_p=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4。答案：（1）τ=1400/300=4.667，π=12，η_ideal=1−τ^(−1)π^((k−1)/k)=1−4.667^(−1)×12^(0.286)=0.603；（2）T_2s=300×12^(0.286)=610K，T_2=300+(610−300)/0.86=660K；T_4s=1400×(1/12)^(0.286)=688K，T_4=1400−0.88(1400−688)=774K；回热器：T_x=T_2+0.8(T_4−T_2)=660+0.8(774−660)=751K；q_in=c_p(1400−T_x)=1.005×649=652kJ/kg；w_t=c_p(1400−774)=1.005×626=629kJ/kg；w_c=c_p(660−300)=362kJ/kg；w_net=629−362=267kJ/kg；（3）η_real=w_net/q_in=267/652=0.410。七、综合分析题（共40分）44.（20分）某大型火电厂采用超临界参数：初压25MPa、初温600℃，再热压力4MPa、再热温度600℃，背压6kPa。给定水蒸气表数据：h_1=3675kJ/kg，s_1=6.60kJ/(kg·K)；再热后h_3=3680kJ/kg，s_3=7.62kJ/(kg·K)；汽轮机终压6kPa时s_f=0.521，s_g=8.329，h_f=151，h_g=2567。忽略泵功，求：（1）高压缸出口干度；（2）低压缸出口干度；（3）循环热效率；（4）与同参数无再热循环对比，再热对效率与干度的影响。答案：（1）s_2=s_1=6.60，x_2=(6.60−0.521)/(8.329−0.521)=0.781；（2）s_4=s_3=7.62，x_4=(7.62−0.521)/(8.329−0.521)=0.913；（3）高压缸h_2=h_f+x_2(h_g−h_f)=151+0.781×2416=2038kJ/kg；低压缸h_4=151+0.913×2416=2357kJ/kg；q_in=(h_1−h_f)+(h_3−h_2)=3675−151+3680−2038=5166kJ/kg；w_t=(h_1−h_2)+(h_3−h_4)=3675−2038+3680−2357=2960kJ/kg；η=2960/5166=0.573；（4）无再热时终干度x=(6.60−0.521)/(8.329−0.521)=0.781，效率约0.55；再热使终干度由0.781升至0.913，效率提高约2.3个百分点，显著改善末级叶片安全与热经济性。45.（20分）某联合循环由燃气轮机与余热锅炉—汽轮机组成。燃气轮机参数：压比18，初温1500K，回热度85%，η_c=0.89，η_t=0.92，排气进入余热锅炉。蒸汽侧采用三压再热循环：高压15MPa、600℃，再热4MPa、600℃，背压5kPa，余热锅炉节点温差20℃，排烟温度110℃。已知空气c_p=1.005，R=0.287，k=1.4；蒸汽侧数据同题44。求：（1）燃气轮机排气温度；（2）蒸汽质量流量与燃