《工程热力学》复习学习材料试题与参考答案

《工程热力学》复习学习材料试题与参考答案一、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=cᵥln(p₂/p₁)D.Δs=cₚln(p₂/p₁)2.某闭口系统经历一绝热不可逆过程，系统对外做功100kJ，则其热力学能变化量ΔU为（）A.100kJB.−100kJC.0D.无法确定3.水蒸气在汽液两相区内，若干度x增大而压力不变，则（）A.比熵减小B.比焓减小C.温度升高D.比容增大4.卡诺热泵的供热系数COP与温度T₁（高温）、T₂（低温）的关系为（）A.T₁/(T₁−T₂)B.T₂/(T₁−T₂)C.(T₁−T₂)/T₁D.(T₁−T₂)/T₂5.理想气体绝热自由膨胀后，温度（）A.升高B.降低C.不变D.先升后降6.对于R134a制冷剂，在30°C饱和液态与饱和气态之间，下列参数中近似为常数的是（）A.比焓B.比熵C.温度D.比容7.某蒸汽动力循环采用再热后，汽轮机排汽干度将（）A.降低B.升高C.不变D.先升后降8.布雷顿循环的回热器作用是（）A.提高平均吸热温度B.降低平均放热温度C.提高压气机出口温度D.提高涡轮入口温度9.若湿空气相对湿度φ=100%，则其干球温度t、露点温度t_d、湿球温度t_w的关系为（）A.t=t_d=t_wB.t>t_d=t_wC.t=t_w>t_dD.t>t_w>t_d10.某理想气体经历一多变过程pVⁿ=常数，若1<n<k（k为绝热指数），则该过程的热容Cₙ为（）A.Cₙ=cᵥB.Cₙ=cₚC.Cₙ>cₚD.cᵥ<Cₙ<cₚ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.下列措施可提高朗肯循环热效率的有（）A.提高锅炉压力B.降低冷凝器压力C.提高给水泵出口温度D.采用再热E.采用回热12.理想气体在下列过程中，ΔU可能为零的有（）A.定温过程B.绝热自由膨胀C.定压过程D.定容过程E.多变过程n=113.下列关于水蒸气hs图的说法正确的有（）A.等压线在湿蒸汽区为直线B.等温线在过热区斜率为正C.等干度线从临界点放射D.等容线比等压线陡峭E.临界点处(∂h/∂s)_p=014.湿空气加热过程中，若含湿量d不变，则（）A.相对湿度降低B.湿球温度升高C.露点温度不变D.比焓升高E.水蒸气分压力升高15.某压缩空气储能系统采用两级压缩、级间冷却，理想情况下（）A.总耗功小于单级绝热压缩B.级间冷却可降低高压缸入口温度C.级间冷却可提高储气密度D.最佳中间压力为√(p₁p₂)E.若级间冷却为完全冷却，则耗功与等温压缩相同三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程pv=RT中，R的单位为________，其数值与气体的________有关。17.水在0.1MPa下的饱和温度为99.63°C，此时汽化潜热r=2257.5kJ/kg，则克劳修斯—克拉贝龙方程估算的饱和曲线斜率dp/dT≈________kPa/K。18.某理想气体k=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)，其定压比热cₚ=________kJ/(kg·K)，定容比热cᵥ=________kJ/(kg·K)。19.某蒸汽轮机入口参数为p₁=10MPa、t₁=550°C，出口压力p₂=5kPa，忽略动能、位能变化，若等熵效率η_s=0.85，则实际出口干度x₂≈________（保留三位小数）。20.湿空气总压力100kPa，干球温度30°C，露点温度20°C，则水蒸气分压力p_v=________kPa，含湿量d=________kg/kg(干空气)。（已知20°C饱和水蒸气压力2.339kPa）21.某逆卡诺制冷机低温热源温度为−15°C，高温热源温度为30°C，则其制冷系数COP_R=________，若排热量为5kW，则制冷量Q_L=________kW。22.理想气体经历一可逆绝热过程，其技术功w_t与膨胀功w的关系为w_t=________w。四、简答题（共25分）23.（6分）封闭系统经历一不可逆过程，从状态1到状态2，已知Q=−50kJ，W=100kJ。若从状态2回到状态1沿一可逆路径，需外界对系统做功60kJ。求该不可逆过程系统熵产S_g，并说明符号意义。24.（5分）写出麦克斯韦关系式中由亥姆霍兹自由能a(T,v)导出的(∂s/∂v)_T表达式，并说明其工程应用。25.（6分）简述蒸汽压缩制冷循环中“过冷”对系统性能的影响，并用Ts图示意。26.（8分）某燃气轮机回热循环如图，试在Ts图上标出回热量q_reg、涡轮功w_t、压气机耗功w_c，并说明回热器如何影响循环平均吸热温度与热效率。五、计算与分析题（共70分）27.（12分）某刚性绝热容器被隔板分成A、B两室，A室有1kg空气，p_A1=0.5MPa，T_A1=350K；B室为真空。抽去隔板后空气自由膨胀充满整个容器，最终压力p₂=0.2MPa。求：(1)终态温度T₂；(2)该过程熵产S_g；(3)若改用可逆绝热膨胀到相同压力，终态温度T₂′及做功W′。（空气：R=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）28.（15分）某朗肯循环如图，汽轮机入口p₁=15MPa、t₁=600°C，出口p₂=6kPa，冷凝器出口为饱和液体。给水泵效率η_p=0.75，汽轮机等熵效率η_t=0.85。求：(1)循环净功w_net；(2)热效率η_t；(3)汽轮机出口实际干度x₂；(4)若采用一级抽汽回热，抽汽压力1MPa，混合式加热器出口为饱和水，求抽汽份额α及此时热效率η_t′。（查表得：15MPa/600°C：h₁=3582kJ/kg，s₁=6.68kJ/(kg·K)；6kPa：h_f=151.5kJ/kg，h_g=2567kJ/kg，s_f=0.521kJ/(kg·K)，s_g=8.330kJ/(kg·K)；1MPa饱和水h_f=762.5kJ/kg）29.（13分）某理想气体（k=1.33，R=0.297kJ/(kg·K)）在活塞—气缸中经历多变过程pV¹·²=常数，从p₁=0.1MPa、T₁=300K压缩到p₂=1.0MPa。若气体质量0.05kg，过程与300K恒温热源换热，求：(1)终态温度T₂；(2)过程热量Q；(3)系统熵变ΔS_sys、热源熵变ΔS_surr及总熵产S_g；(4)判断该过程是否可行。30.（15分）某两级压缩、级间冷却的轴流压气机，进口空气p₁=100kPa、t₁=290K，出口压力p₃=1.6MPa，级间冷却至t₃′=290K，两级等熵效率均为0.85。求：(1)最佳中间压力p₂；(2)每级出口温度T₂、T₃；(3)压气机总耗功w_c；(4)若改为单级绝热压缩，耗功w_c′，并比较节能率。（空气：cₚ=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4）31.（15分）某建筑需维持室内温度20°C，室外−5°C，通过热泵供热，热负荷为50kW。现有两种方案：A.电动逆卡诺热泵，COP按理论值；B.燃料发动机驱动，发动机热效率35%，发动机排热全部用于供暖，热泵COP=3.0。若电价0.6元/(kW·h)，天然气低位热值35MJ/m³，气价2.2元/m³，求：(1)两种方案一次能源利用率（用能系数）；(2)每小时运行费用；(3)从能源—经济角度给出选择建议。六、综合设计题（20分）32.某太阳能辅助燃气—蒸汽联合循环系统如图，燃气轮机进口1100°C、回热后排出400°C，排气进入余热锅炉产生450°C、4MPa过热蒸汽，蒸汽轮机背压5kPa，冷凝水经除氧、加热后回余热锅炉。太阳能集热场在250°C下提供额外蒸汽，与余热锅炉蒸汽混合后进入蒸汽轮机。要求：(1)画出系统流程图，并标注各状态点；(2)给出关键状态参数假设（燃气侧、蒸汽侧）；(3)建立能量平衡方程，推导太阳能贡献份额ψ与联合循环效率η_cc的关系；(4)若燃气轮机净功率50MW，太阳能集热功率20MW，估算系统总功率及η_cc；(5)讨论太阳能温度、回热匹配对效率的影响，并提出优化方向。（注：综合题无唯一答案，评分依据：流程正确5分，参数合理3分，建模正确6分，计算合理4分，讨论深度2分。）参考答案与评分要点一、单选1.B2.B3.D4.A5.C6.C7.B8.A9.A10.D二、多选11.ABDE12.AE13.ABCD14.ABCD15.ABCD三、填空16.kJ/(kg·K)，种类（分子量）17.dp/dT=r/(T·v_fg)≈2257.5/(372.8×1.694)≈3.57kPa/K18.c₅=kR/(k−1)=1.005，cᵥ=R/(k−1)=0.71819.s₁=6.68，s₂s=0.521+x₂s×7.809→x₂s=0.789，η_s=(h₁−h₂)/(h₁−h₂s)→h₂=2210，x₂=0.85220.p_v=2.339kPa，d=0.622×2.339/(100−2.339)=0.0149kg/kg21.COP_R=258/(303−258)=5.73，Q_L=5×5.73/6.73=4.26kW22.w_t=kw四、简答23.可逆回：Q_rev+W_rev=ΔU