《工程热力学与传热学》模拟题及答案

《工程热力学与传热学》模拟题及答案一、单项选择题（每题1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.在闭口系统经历一可逆定温过程时，其技术功的大小等于（）。A.系统对外放热量B.系统对外做功量C.系统内能变化量D.系统焓变化量答案：A2.理想气体绝热自由膨胀后，其温度将（）。A.升高B.降低C.不变D.先升高后降低答案：C3.水蒸气在hs图上，等干度线呈（）。A.水平直线B.竖直直线C.向右上方倾斜的曲线D.向右下方倾斜的曲线答案：C4.卡诺循环效率仅取决于（）。A.工质种类B.高温热源与低温热源温度C.循环净功D.循环吸热量答案：B5.对于理想气体，定压比热容cp与定容比热容cv满足（）。A.cp=cvB.cp−cv=RgC.cp+cv=RgD.cp/cv=Rg答案：B6.在朗肯循环中，提高蒸汽初温的主要热力学效果是（）。A.降低汽轮机排汽干度B.提高平均吸热温度C.降低锅炉压力D.增大泵功答案：B7.湿空气相对湿度φ=100%时，其干球温度t、湿球温度tw、露点温度td的关系为（）。A.t=tw=tdB.t>tw=tdC.t=tw>tdD.t>tw>td答案：A8.理想气体经可逆绝热压缩，其熵变Δs为（）。A.大于0B.小于0C.等于0D.无法确定答案：C9.热力学第二定律的数学表达式对闭口系统可写为（）。A.δQ=dU+δWB.∮δQ/T≤0C.δQ=TdSD.dS=δQ/T+δSgen答案：B10.在逆流式换热器中，当热流体比热容流量与冷流体相等时，其温度沿换热面呈（）。A.线性变化且斜率相等B.线性变化且斜率相反C.指数变化D.对数变化答案：B11.一维稳态导热微分方程∇²t=0成立的条件是（）。A.导热系数λ为常物性、无内热源B.导热系数λ随温度变化、有内热源C.非稳态、有内热源D.导热系数λ为常数、有内热源答案：A12.毕渥数Bi→∞时，集总参数法（）。A.适用B.不适用C.精度提高D.与傅里叶数无关答案：B13.黑体辐射力Eb与绝对温度T的关系为（）。A.Eb∝T²B.Eb∝T³C.Eb∝T⁴D.Eb∝T⁵答案：C14.当普朗特数Pr≪1时，流体热边界层厚度δt与速度边界层厚度δ的关系为（）。A.δt≈δB.δt≫δC.δt≪δD.δt=δ/Pr答案：B15.在沸腾曲线中，临界热流密度点又称为（）。A.莱顿弗罗斯特点B.核态沸腾起始点C.迪恩点D.烧毁点答案：D16.理想回热循环中，回热度σ定义为（）。A.实际回热量/最大可能回热量B.最大可能回热量/实际回热量C.回热器效率D.回热器㶲效率答案：A17.对理想气体，节流过程前后（）。A.温度不变B.焓不变C.熵不变D.压力不变答案：B18.在相同雷诺数下，粗糙管与光滑管的努塞尔数相比（）。A.一定更大B.一定更小C.可能更大也可能更小D.相等答案：C19.对灰体表面，其有效辐射J与本身辐射E的关系为（）。A.J=EB.J=εEbC.J=εEb+(1−ε)GD.J=G答案：C20.在相同进出口温度下，逆流布置与顺流布置的对数平均温差Δtm相比（）。A.逆流Δtm更大B.顺流Δtm更大C.两者相等D.无法比较答案：A二、多项选择题（每题2分，共10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）21.下列措施中，能够提高朗肯循环热效率的有（）。A.提高蒸汽初压B.降低汽轮机背压C.提高蒸汽初温D.采用再热E.采用回热答案：ABCDE22.关于热辐射，下列说法正确的有（）。A.黑体吸收比等于1B.灰体发射率与波长无关C.基尔霍夫定律适用于非热力学平衡体系D.实际物体发射率小于1E.辐射换热不需要介质答案：ABDE23.下列无量纲数中，与对流换热有关的有（）。A.ReB.PrC.GrD.NuE.Fo答案：ABCD24.理想气体在可逆过程中，满足ds=cpdT/T−Rgdp/p的条件包括（）。A.定比热B.可逆C.仅适用于定压D.仅适用于定容E.适用于任意可逆过程答案：ABE25.关于一维非稳态导热数值解，下列说法正确的有（）。A.显式格式存在稳定性条件B.隐式格式无条件稳定C.显式格式计算量小D.隐式格式需解代数方程组E.克兰克尼科尔森格式精度为二阶答案：ABCDE三、填空题（每空1分，共20分）26.理想气体状态方程的微观表达式为p=______，其中n为分子数密度。答案：nkT27.水蒸气在定压加热过程中，经历的五态依次为过冷水、______、湿蒸汽、干饱和蒸汽、______。答案：饱和水；过热蒸汽28.卡诺热泵的供热系数εC=______，其中T1为高温热源温度，T2为低温热源温度。答案：T1/(T1−T2)29.在湿空气焓值计算式h=1.005t+d(2501+1.86t)中，d表示______，单位是______。答案：含湿量；kg/kg干空气30.一维稳态导热内热源强度为Φ，导热系数λ为常数，则温度分布满足微分方程______。答案：d²t/dx²+Φ/λ=031.对于外掠平板层流边界层，局部努塞尔数Nux与雷诺数Rex的关系式为______。答案：Nux=0.332Re_x^0.5Pr^{1/3}32.黑体辐射的普朗克定律表达式为Ebλ=______。答案：c1λ^{−5}/[exp(c2/λT)−1]33.在辐射换热网络法中，表面辐射热阻为______，空间辐射热阻为______。答案：(1−ε)/εA；1/(A1F12)34.理想气体绝热指数k=______，对于双原子气体在常温下近似取______。答案：cp/cv；1.435.采用集总参数法时，物体温度随时间变化满足θ/θ0=______，其中Bi满足______。答案：exp(−Bi·Fo)；Bi<0.1四、简答题（每题6分，共30分）36.简述热力学第一定律与第二定律对闭口系统的表述，并说明二者在能量分析中的作用。答案：第一定律：ΔU=Q−W，表述能量守恒，用于定量计算能量转换数量；第二定律：ΔS≥∫δQ/T，表述能量品质，指出过程方向与限度，用于分析能量可用性与不可逆损失。37.说明朗肯循环与卡诺循环在蒸汽动力应用上的差异，并解释为何实际电站采用朗肯循环而非卡诺循环。答案：卡诺循环要求锅炉吸热在湿蒸汽区定温，汽轮机需膨胀湿蒸汽，导致叶片侵蚀、效率低；朗肯循环吸热过程在过热区，提高平均吸热温度且排汽干度高，设备安全，效率虽略低但综合经济性优。38.写出牛顿冷却公式，解释各符号含义，并说明对流换热系数h的影响因素。答案：q=h(tw−tf)；q为热流密度，h为对流换热系数，tw壁面温度，tf流体温度；h受流速、物性(λ,ρ,cp,μ)、壁面几何、流动状态、边界条件等影响。39.简述灰体假设的工程合理性，并给出灰体间辐射换热计算步骤。答案：灰体假设发射率与吸收比等于常数且与波长无关，多数工程材料在红外波段近似成立；步骤：1.求各表面有效辐射J；2.列节点方程；3.解线性方程组得J；4.用(Q=(Eb−J)/[(1−ε)/εA])求热流。40.说明临界热绝缘直径现象，并给出圆管外包绝缘层热阻表达式，解释何时增加绝缘反而强化散热。答案：当绝缘外径小于临界热绝缘直径dc=2λins/h时，增加绝缘厚度使外表面积增大导致的对流热阻下降超过导热热阻增加，总热阻减小，散热增强；热阻Rtot=ln(r2/r1)/(2πλL)+1/(2πr2Lh)。五、计算题（共60分）41.（10分）某理想气体经历一可逆定温过程，由p1=0.2MPa、V1=0.5m³膨胀至V2=1.0m³，气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)，温度T=400K。求：(1)过程功W；(2)热量Q；(3)熵变ΔS。答案：(1)W=mRgTln(V2/V1)，先求m=p1V1/(RgT)=0.2×10³×0.5/(0.287×400)=0.871kg，W=0.871×0.287×400×ln2=69.3kJ；(2)定温ΔU=0，Q=W=69.3kJ；(3)ΔS=Q/T=69.3/400=0.173kJ/K。42.（12分）一台蒸汽动力装置按再热回热朗肯循环运行，已知：锅炉出口p1=15MPa,t1=600°C；再热压力pR=3MPa,再热至600°C；背压p2=5kPa；采用一级混合式回热器，抽汽压力p6=0.8MPa。忽略泵功，查表得：h1=3582kJ/kg,hR=3682kJ/kg,h3=2330kJ/kg(排汽干度0.86),h6=2830kJ/kg,h7=720kJ/kg(饱和水0.8MPa)。求：(1)抽汽系数α；(2)循环净功wnet；(3)热效率ηt。答案：(1)回热器能量平衡：αh6+(1−α)h7=h7'，设h7'为出口饱和水，h7'=720，α=(720−720)/(2830−720)=0，查表修正h7'=720，实际h7'为0.8MPa饱和水，h7=720，α=(h7'−h7)/(h6−h7)=(720−720)/(2830−720)=0，发现数据自洽性误差，采用标准近似：α=(h7−h2')/(h6−h2')，h2'为5kPa饱和水h2'=137.8kJ/kg，α=(720−137.8)/(2830−137.8)=0.217；(2)wT=(h1−h6)+(1−α)(hR−h3)=(3582−2830)+0.783×(3682−2330)=752+0.783×1352=1809kJ/kg；wnet≈wT=1809kJ/kg；(3)qin=(h1−h7)+(1−α)(hR−h6)=(3582−720)+0.783×(3682−2830)=2862+0.783×852=3530kJ/kg；ηt=wnet/qin=1809/3530=51.2%。43.（12分）一无限大平壁厚度δ=0.2m，导热系数λ=45W/(m·K)，内热源Φ=2×10⁵W/m³，两侧均与流体对流换热，流体温度tf=30°C，换热系数h=500W/(m²·K)。求：(1)壁内最高温度及其位置；(2)单位面积热流密度q。答案：(1)对称冷却，最高温度在中心x=0，tmax=tf+Φδ/(2h)+Φδ²/(8λ)=30+2×10⁵×0.2/(2×500)+2×10⁵×0.2²/(8×45)=30+40+22.2=92.2°C；(2)由能量平衡，q=Φδ/2=2×10⁵×0.2/2=20kW/m²。44.（13分）一外径do=25mm的水平钢管，表面温度tw=120°C，置于空气温度t∞=20°C的大空间中，求单位管长自然对流散热损失。空气物性：λ=0.032W/(m·K),ν=2.5×10⁻⁵m²/s,Pr=0.7,β=1/343K⁻¹。答案：Gr=gβΔtdo³/ν²=9.81×(1/343)×100×0.025³/(2.5×10⁻⁵)²=1.77×10⁵，GrPr=1.24×10⁵，层流，Nu=0.53(GrPr)^{0.25}=0.53×(1.24×10⁵)^{0.25}=9.4，h=Nuλ/do=9.4×0.032/0