2025年能源科学与工程专业热力学试题及答案

2025年能源科学与工程专业热力学试题及答案一、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.对于闭口系统，下列哪一项不是热力学第一定律的表述形式（）A.Q=ΔU+WB.∮δQ=∮δWC.ΔU=Q–WD.Q=ΔH+W_t答案：D2.理想气体在可逆绝热过程中，若比热容比γ=1.4，则其技术功与膨胀功之比为（）A.1.4B.0.4C.1.0D.–0.4答案：B3.水蒸气在临界点的状态参数为（）A.p=22.064MPa，T=647.1K，v=0.003106m³/kgB.p=22.064MPa，T=373.95°C，v=0.001000m³/kgC.p=16.5MPa，T=705K，干度x=0D.p=20MPa，T=640K，干度x=1答案：A4.某制冷循环的制冷系数COP=4，若向高温热源排热Q_H=5kW，则其输入功为（）A.1.0kWB.1.25kWC.4.0kWD.5.0kW答案：B5.对于理想气体，下列偏导数中等于零的是（）A.(∂u/∂T)_vB.(∂h/∂p)_TC.(∂s/∂T)_pD.(∂u/∂v)_T答案：D6.在朗肯循环中提高初压而保持初温、背压不变，将导致（）A.汽轮机排汽干度上升B.循环热效率下降C.汽轮机排汽干度下降D.泵功占比显著减小答案：C7.某气体经历不可逆绝热膨胀，其熵变Δs与可逆绝热膨胀的熵变Δs_rev相比（）A.Δs=Δs_rev=0B.Δs>0，Δs_rev=0C.Δs<0，Δs_rev=0D.Δs=Δs_rev>0答案：B8.焦耳–汤姆逊系数μ_JT>0表示（）A.节流后温度一定升高B.节流后温度一定降低C.节流后温度不变D.节流后压力升高答案：B9.若某热机效率η=0.35，高温热源温度T_H=800K，则低温热源温度最接近（）A.520KB.480KC.400KD.300K答案：A10.对于湿空气，下列说法正确的是（）A.露点温度随含湿量增加而降低B.相对湿度φ=1时干球温度必等于露点温度C.含湿量d的单位是kg/kg(干空气)D.湿空气焓值与干空气分压无关答案：C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.下列哪些措施可以提高燃气轮机简单循环的比功输出（）A.提高压气机压比B.提高透平初温C.采用回热D.降低压气机绝热效率答案：A、B12.关于水蒸气hs图，下列说法正确的是（）A.等压线在湿蒸汽区为直线B.等温线在过热区斜率为负C.等干度线从临界点向左下方辐射D.临界点处等压线与等温线相切答案：C、D13.下列哪些因素会导致实际蒸汽压缩制冷循环的COP低于理论循环（）A.蒸发器传热温差B.冷凝器压降C.压缩机不可逆熵产D.膨胀阀代替膨胀机答案：A、B、C、D14.对于理想气体混合过程，下列哪些量守恒（）A.总熵B.总内能C.总焓D.总烟（exergy）答案：B、C15.在热电联产系统中，采用“以热定电”运行模式时（）A.热负荷决定电功率上限B.电负荷决定热功率上限C.系统总烟效率可能高于分产D.需配置背压式汽轮机答案：A、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.某理想气体常数R=0.287kJ/(kg·K)，比定压热容c_p=1.005kJ/(kg·K)，则其比定容热容c_v=________kJ/(kg·K)，比热容比γ=________。答案：0.718；1.417.卡诺热泵在T_H=300K、T_L=270K之间运行，其供热系数COP_H=________。答案：1018.1kg水在100°C、0.101325MPa下完全汽化，其熵增为________kJ/(kg·K)（已知r=2257kJ/kg，T=373.15K）。答案：6.0519.某气体服从范德瓦尔斯方程(p+a/v²)(v–b)=RT，则其临界压缩因子Z_c=________。答案：0.37520.在湿空气焓湿图中，等焓线与等________线重合。答案：湿球温度21.某蒸汽压缩制冷循环，蒸发温度–10°C，冷凝温度40°C，若压缩机入口为干饱和蒸汽，出口为60°C过热蒸汽，则其过热度为________K。答案：2022.朗肯循环再热压力通常选为初压的________%～________%。答案：20；3023.燃气轮机叶片冷却技术中，采用________冷却可使叶片表面形成低温气膜。答案：气膜24.烟（exergy）平衡方程中，系统烟损失I=T_0·S_gen，其中T_0表示________温度。答案：环境25.根据吉布斯相律，纯水在三相点处的自由度F=________。答案：0四、简答题（共25分）26.（封闭型，6分）写出稳态稳流系统的烟平衡方程，并指出各项物理意义。答案：方程：Ė_in=Ė_out+Ė_loss+İ其中：Ė_in——流入系统的烟率，包括工质烟与热烟；Ė_out——流出系统的烟率，包括工质烟与轴功烟；Ė_loss——系统向环境排放的废热烟率；İ——系统内部不可逆烟损失率，İ=T_0·Ṡ_gen。27.（开放型，7分）解释为何实际燃气轮机循环需采用“极限回热”概念，并讨论其技术经济约束。答案：极限回热指回热器出口空气温度趋近于透平排气温度，理论上可大幅提高平均吸热温度，从而提高循环效率。技术约束：1.回热器端差受限，需巨大换热面积，导致体积、重量、压损激增；2.高温材料限制，透平排气温度已接近叶片材料极限，回热器材料需更高耐温；3.经济约束：投资成本随面积指数增长，运维费用上升，需权衡燃料节省与资本折旧；4.动态响应：大惯性回热器降低机组负荷速率，影响调峰能力。因此实际工程选取最佳回热度而非极限回热。28.（封闭型，6分）给出水蒸气干度x的两种测量原理并比较其精度。答案：1.节流法：使湿蒸汽经全节流至过热区，测得p、T后查hs图得h，结合饱和水与饱和汽焓算x。精度±2%，依赖仪表准确度；2.电容/微波法：利用介电常数与含水率关系，在线测x。精度±1%，受盐度、流速影响大；3.光学法：基于光散射强度与液滴浓度关系，精度±0.5%，但价格高昂。综合：实验室用光学法，工业现场多用节流法。29.（开放型，6分）论述超临界CO₂布雷顿循环相比传统蒸汽朗肯循环在太阳能热发电中的优势及待解决关键问题。答案：优势：1.工质高密度降低透平与换热器尺寸，电站占地减少30%；2.循环效率可达50%以上，高于同参数朗肯循环；3.无冷凝真空，降低冷却水耗，适合干旱地区；4.可与sCO₂压缩储能耦合，提高系统灵活性。关键问题：1.高温高压（≥700°C，≥25MPa）密封与轴承技术；2.紧凑式印刷电路换热器制造与成本；3.启停热应力控制，需研发快速启动策略；4.工质纯度控制，防止杂质沉积与腐蚀；5.标准化设计与安全规范缺失。五、计算题（共60分）30.（基础计算，10分）某理想气体经历以下循环：1→2定熵压缩，2→3定压吸热，3→4定熵膨胀，4→1定压放热。已知：p_1=0.1MPa，T_1=300K，压比π=8，γ=1.4，c_p=1.005kJ/(kg·K)。求循环热效率η与比净功w_net。答案：T_2=T_1·π^((γ–1)/γ)=300·8^0.286=543.4KT_4=T_3/π^((γ–1)/γ)，因2→3定压，T_3未知，需先求η：η=1–1/π^((γ–1)/γ)=1–1/8^0.286=0.448q_in=c_p(T_3–T_2)，需补充T_3：由T_3/T_4=π^((γ–1)/γ)且T_4=T_1，得T_3=T_1·π^((γ–1)/γ)=543.4K故q_in=1.005(543.4–543.4)=0，发现题设矛盾，修正：令T_3=1200K（标准题设）。则T_4=T_3/π^((γ–1)/γ)=1200/8^0.286=662Kq_in=1.005(1200–543.4)=659.8kJ/kgq_out=c_p(T_4–T_1)=1.005(662–300)=364.1kJ/kgw_net=q_in–q_out=295.7kJ/kgη=w_net/q_in=44.8%31.（朗肯循环，12分）某再热朗肯循环，初压p_1=15MPa，初温t_1=600°C，再热压力p_r=3MPa，再热至600°C，背压p_c=5kPa。汽轮机内效率η_t=0.9，泵效率η_p=0.8。求循环热效率、汽耗率d及排汽干度x_4。答案：查表得：h_1=3582kJ/kg，s_1=6.677kJ/(kg·K)s_2s=s_1，p_r=3MPa→h_2s=3112kJ/kgh_2=h_1–η_t(h_1–h_2s)=3582–0.9(470)=3159kJ/kg再热后h_3=3682kJ/kg，s_3=7.508kJ/(kg·K)s_4s=s_3，p_c=5kPa→x_4s=(7.508–0.476)/7.918=0.888，h_4s=138+0.888·2423=2290kJ/kgh_4=h_3–η_t(h_3–h_4s)=3682–0.9(1392)=2429kJ/kgx_4=(h_4–138)/2423=0.946泵：h_5s=138+0.001005(15000–5)=153.1kJ/kgh_5=h_6+(h_5s–h_6)/η_p=138+15.1/0.8=156.9kJ/kgq_in=(h_1–h_5)+(h_3–h_2)=3582–156.9+3682–3159=3948kJ/kgw_net=(h_1–h_2)+(h_3–h_4)–(h_5–h_6)=423+753–18.9=1157kJ/kgη=1157/3948=29.3%d=3600/w_net=3.11kg/(kW·h)32.（制冷循环，10分）R134a蒸汽压缩制冷，蒸发温度–15°C，冷凝温度40°C，压缩机入口干饱和，出口过热度10°C，等熵效率0.85，制冷量Q_L=10kW。求COP、质量流量ṁ、压缩机功率W_c。答案：查R134a：h_1=243.2kJ/kg，s_1=0.929kJ/(kg·K)h_2s=271.8kJ/kg，h_2=h_1+(h_2s–h_1)/0.85=243.2+28.6/0.85=276.8kJ/kgh_3=h_4=105.3kJ/kgCOP=(h_1–h_4)/(h_2–h_1)=137.9/33.6=4.1ṁ=Q_L/(h_1–h_4)=10/137.9=0.0725kg/sW_c=ṁ(h_2–h_1)=0.0725·33.6=2.44kW33.（湿空气，8分）某空调箱将室外空气35°C、φ=60%冷却去湿至20°C饱和，风量2000m³/h（干空气）。求：析水量ṁ_w、冷负荷Q_c。已知大气压101.325kPa。答案：查图得：d_1=0.0214kg/kg，h_1=90.5kJ/kgd_2=0.0147kg/kg，h_2=57.5kJ/kgv_1=0.895m³/kg，干空气质量流量：ṁ_a=2000/0.895=2235kg/h=0.621kg/s析水量：ṁ_w=ṁ_a(d_1–d_2)=0.621·0.0067=0.00416kg/s=15kg/h冷负荷：Q_c=ṁ_a(h_1–h_2)–ṁ_w·h_w≈0.621·33–0.00416·57.5=20.5kW34.（烟分析，10分）某锅炉燃烧产生烟气800°C，流量10kg/s，定压比热1.1kJ/(kg·K)，环境温度25°C。求烟气烟率Ė_f及若排烟温度降至150°C时的烟损失减少量Δİ。答案：Ė_f=ṁ·c_p·[(T–T_0)–T_0·ln(T/T_0)]T=1073K，T_0=298KĖ_f=10·1.1·[775–298·ln(1073/298)]=10·1.1·[775–298