2025年强基计划能源与动力工程专业笔试题试题及答案

2025年强基计划能源与动力工程专业笔试题试题及答案一、单项选择题（共10题，每题2分，共20分）1.关于热力学第二定律的表述，正确的是（）A.热量可以自发地从低温物体传到高温物体B.不可能从单一热源吸热并全部转化为功C.第二类永动机不可能制成的原因是违反能量守恒定律D.孤立系统的熵永不减少2.不可压缩理想流体在水平等径管道中作稳定流动时，沿流动方向（）A.静压能增加，动能不变B.静压能减少，动能增加C.静压能不变，动能不变D.静压能减少，动能不变3.下列关于卡诺循环的描述中，错误的是（）A.由两个等温过程和两个绝热过程组成B.热效率仅与高温热源和低温热源的温度有关C.实际循环的热效率不可能超过相同温限下的卡诺循环D.卡诺循环是内可逆循环，与工质性质无关4.某理想气体经历等温膨胀过程，其内能变化ΔU和对外做功W的关系为（）（取系统吸热为正，对外做功为正）A.ΔU=0，W>0B.ΔU>0，W>0C.ΔU<0，W<0D.ΔU=0，W<05.雷诺数Re的物理意义是（）A.惯性力与粘性力之比B.粘性力与惯性力之比C.压力与惯性力之比D.重力与粘性力之比6.下列传热方式中，必须通过介质传递的是（）A.热辐射B.热传导C.热对流D.热辐射和热传导7.某内燃机采用奥托循环（定容加热循环），其压缩比ε=10，工质比热容比γ=1.4，则理论热效率η为（）A.59.4%B.65.3%C.72.1%D.80.2%8.水蒸气在汽轮机中膨胀做功时，若不考虑散热损失，其过程可近似为（）A.定温过程B.定压过程C.定熵过程D.定容过程9.对于管内强制对流换热，当流体为水且处于湍流状态时，努塞尔数Nu的主要影响参数是（）A.普朗特数Pr和雷诺数ReB.格拉晓夫数Gr和普朗特数PrC.雷诺数Re和格拉晓夫数GrD.傅里叶数Fo和毕渥数Bi10.下列能源中，属于二次能源的是（）A.煤炭B.天然气C.电能D.太阳能二、多项选择题（共5题，每题3分，共15分，少选得1分，错选不得分）11.下列关于理想气体的描述中，正确的有（）A.分子间无相互作用力B.分子本身不占体积C.内能仅为温度的函数D.比热容为常数12.提高朗肯循环热效率的措施包括（）A.提高汽轮机入口蒸汽的初温B.降低汽轮机排汽的终压C.采用再热循环D.增加回热级数13.流体在管道中流动时，产生沿程阻力的原因有（）A.管道截面突变B.流体的粘性C.管壁的粗糙度D.流体的湍流脉动14.下列关于换热器的描述中，正确的有（）A.逆流换热器的对数平均温差大于顺流B.板式换热器的换热系数通常高于管壳式C.间壁式换热器中冷热流体直接接触D.肋片式换热器通过增加换热面积强化传热15.新能源动力系统中，可能涉及的关键技术包括（）A.燃料电池的高效催化B.锂电池的热管理C.风力机的气动优化设计D.燃煤锅炉的脱硫脱硝三、填空题（共8题，每空2分，共16分）16.热力学第一定律的数学表达式为______（闭口系统，符号规则：系统吸热Q>0，对外做功W>0）。17.流体的动力粘度μ与运动粘度ν的关系为______（ρ为流体密度）。18.傅里叶定律的表达式为______（q为热流密度，λ为导热系数，dt/dx为温度梯度）。19.标准大气压下，水的饱和温度为100℃，若压力升高，其饱和温度将______（填“升高”“降低”或“不变”）。20.奥托循环的四个过程为：绝热压缩、______、绝热膨胀、定容放热。21.雷诺数Re=ρvd/μ中，d为______（对于圆管流动）。22.评价动力循环经济性的指标是______，其定义为循环净功与______之比。23.燃气轮机的基本组成包括压气机、______和涡轮。四、简答题（共4题，第2425题每题8分，第2627题每题10分，共36分）24.（封闭型）简述卡诺定理的主要结论。25.（封闭型）比较层流与湍流的流动特征（至少列出3点差异）。26.（开放型）分析内燃机实际循环与理论循环存在差异的主要原因（至少4点）。27.（开放型）从传热学角度，提出3种强化管内对流换热的技术措施，并说明其原理。五、应用题（共4题，第2829题每题10分，第30题12分，第31题17分，共49分）28.（计算类）1kg空气在气缸中经历一个可逆多变过程，初始状态为p₁=0.1MPa、T₁=300K，终态为p₂=0.5MPa、T₂=450K。已知空气的气体常数R=0.287kJ/(kg·K)，比热容c_p=1.005kJ/(kg·K)，c_v=0.718kJ/(kg·K)。求：（1）多变指数n；（2）该过程中空气的吸热量q（结果保留2位小数）。29.（计算类）某逆流换热器中，热水从90℃冷却到50℃，冷水从20℃加热到60℃。已知热水的质量流量为2kg/s，比热容为4.18kJ/(kg·℃)，换热器的总传热系数K=500W/(m²·℃)。求：（1）对数平均温差ΔT_m；（2）所需换热面积A（结果保留2位小数）。30.（分析类）某压气机将空气从p₁=0.1MPa、T₁=300K绝热压缩至p₂=0.5MPa。假设空气为理想气体，绝热指数γ=1.4，气体常数R=0.287kJ/(kg·K)。（1）判断该过程是否可逆（需计算熵变）；（2）若为不可逆过程，分析熵产的主要来源。31.（综合类）某燃煤电厂采用朗肯循环，汽轮机入口蒸汽参数为p₁=16MPa、t₁=540℃（h₁=3420kJ/kg，s₁=6.5kJ/(kg·K)），凝汽器压力p₂=0.005MPa（对应饱和水焓h_f=137.8kJ/kg，饱和蒸汽焓h_g=2561kJ/kg，熵s_g=8.393kJ/(kg·K)）。假设汽轮机为绝热膨胀，泵功忽略不计。（1）计算汽轮机出口蒸汽的干度x；（2）计算循环净功w_net；（3）若锅炉热效率η_b=90%，煤的低位发热量Q_net=29000kJ/kg，求发电煤耗率b（kg/(kW·h)）（结果保留3位小数）。参考答案及解析一、单项选择题1.D（孤立系统熵增原理）2.C（等径管道流速不变，动能不变；水平管道位能不变，总机械能守恒，静压能不变）3.D（卡诺循环是外可逆循环，与工质无关）4.A（理想气体等温过程ΔU=0，膨胀时对外做功W>0）5.A（Re=惯性力/粘性力）6.C（热对流需流体宏观运动传递热量）7.A（η=11/ε^(γ1)=11/10^0.4≈59.4%）8.C（汽轮机膨胀近似为绝热可逆过程，即定熵过程）9.A（强制湍流时自然对流可忽略，Nu=f(Re,Pr)）10.C（电能由一次能源转换而来）二、多项选择题11.ABC（理想气体假设分子无体积、无作用力，内能仅与温度有关；比热容不一定为常数）12.ABCD（提高初温、降低终压、再热、回热均能提高朗肯循环效率）13.BC（沿程阻力由流体粘性和管壁粗糙度引起；截面突变属局部阻力）14.ABD（间壁式换热器中流体不直接接触）15.ABC（D为传统燃煤技术，非新能源）三、填空题16.ΔU=QW17.ν=μ/ρ18.q=λ(dt/dx)19.升高20.定容加热21.管道内径22.热效率；循环吸热量23.燃烧室四、简答题24.卡诺定理结论：（1）在相同温度的高温热源和低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率相等，与工质性质无关；（2）不可逆循环的热效率必然小于可逆循环的热效率。25.层流与湍流差异：（1）流动状态：层流为规则分层流动，湍流为不规则脉动流动；（2）速度分布：层流呈抛物线型，湍流呈对数型（核心区较平坦）；（3）阻力特性：层流阻力与流速一次方成正比，湍流阻力与流速1.75~2次方成正比；（4）混合能力：湍流的动量、热量混合能力远强于层流。26.内燃机实际循环与理论循环差异原因：（1）工质变化：理论循环工质为理想气体，实际工质为燃烧产物（成分、比热容变化）；（2）传热损失：实际循环中气缸壁与工质存在热交换；（3）流动损失：进排气过程存在流动阻力；（4）燃烧非理想化：理论循环假设定容/定压加热，实际燃烧需时间，存在燃烧延迟；（5）漏气损失：活塞环等部位存在工质泄漏。27.强化管内对流换热措施：（1）采用内肋管：增加换热面积，同时破坏边界层，增强扰动；（2）使用湍流促进器（如扭带）：诱导流体旋转，增加湍流度，降低边界层厚度；（3）选用高导热系数流体（如相变流体）：利用相变潜热大幅提高换热系数；（4）提高流速：增加雷诺数，使流动进入湍流区（湍流换热系数远高于层流）。五、应用题28.（1）多变过程满足p₁v₁^n=p₂v₂^n，结合理想气体状态方程v=RT/p，得T₂/T₁=(p₂/p₁)^[(n1)/n]。代入数据450/300=(0.5/0.1)^[(n1)/n]，即1.5=5^[(n1)/n]。取自然对数得ln1.5=(n1)/n·ln5，解得n=ln5/(ln5ln1.5)≈1.30。（2）多变过程热量q=c_n(T₂T₁)，其中c_n=c_v·(nγ)/(n1)（γ=c_p/c_v≈1.4）。代入c_v=0.718，n=1.30，γ=1.4，得c_n=0.718×(1.301.4)/(1.301)=0.718×(0.1)/0.3≈0.239kJ/(kg·K)。则q=0.239×(450300)=35.85kJ/kg（负号表示放热）。29.（1）逆流温差：ΔT₁=9060=30℃，ΔT₂=5020=30℃，ΔT_m=(ΔT₁ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)=30℃（因ΔT₁=ΔT₂）。（2）换热量Q=q_mcΔT=2×4.18×(9050)=334.4kW。由Q=KAΔT_m，得A=Q/(KΔT_m)=334400/(500×30)=22.29m²。30.（1）绝热过程熵变Δs=c_pln(T₂/T₁)Rln(p₂/p₁)。可逆绝热时T₂=T₁(p₂/p₁)^[(γ1)/γ]=300×(5)^(0.4/1.4)≈475.1K。实际若为不可逆，T₂>475.1K。计算熵变：假设实际T₂=500K（不可逆），则Δs=1.005×ln(500/300)0.287×ln(5)≈1.005×0.51080.287×1.6094≈0.5130.462=0.051kJ/(kg·K)>0，故过程不可逆。（2）熵产来源：压气机内部的摩擦损失（叶轮与流体、流体内部粘性耗散）、气流的湍流混合损失、叶轮与壳体的漏气损失。31.（1）汽轮机绝热膨胀，s₁=s₂=6.5kJ/(kg·K)。凝汽器压力下s_f=0.476kJ/(kg·K)（查表修正），s_g=8.393kJ/(kg·K)，则s₂=s_f+x(s_gs_f)，解得x=(6.50.476)/(8.3930.476)≈0.761。（2）汽轮机出口焓h₂=h_f+x(h_gh_f)=137.8+0.761×(2561137.8)≈137.8+1844.3=1982.1kJ/