2025年能源与动力工程(工程热力学)试题及答案

2025年能源与动力工程(工程热力学)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，请将正确选项的字母填入括号内）1.对于理想气体，下列状态参数中哪一组满足状态方程pν=RT？（）A.压力p、比容ν、温度TB.压力p、密度ρ、温度TC.焓h、熵s、温度TD.内能u、比容ν、温度T答案：A2.在Ts图上，理想气体经历一等熵过程，其技术功与膨胀功之比为（）A.κB.1C.κ/(κ1)D.(κ1)/κ答案：C3.某闭口系统经历一绝热过程，对外做功200kJ，若系统内能增加50kJ，则系统与外界交换的热量为（）A.250kJB.0kJC.−50kJD.−200kJ答案：B4.对于饱和水蒸气，当压力升高时，饱和温度将（）A.降低B.不变C.升高D.先升高后降低答案：C5.某朗肯循环采用再热措施后，汽轮机排汽干度将（）A.降低B.不变C.升高D.与再热压力无关答案：C6.理想气体在刚性容器内被加热，其熵变Δs可表示为（）A.cvln(T2/T1)B.cpln(T2/T1)C.Rln(p2/p1)D.Rln(V2/V1)答案：A7.若某热机工作在TH=1000K与TL=300K之间，其最大可能热效率为（）A.30%B.50%C.70%D.90%答案：C8.在空气压缩制冷循环中，降低冷源温度同时保持热源温度不变，则制冷系数将（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A9.对于理想气体，焦耳汤姆逊系数μJT在焓不变过程中等于（）A.0B.∞C.(∂T/∂p)hD.(∂h/∂p)T答案：C10.某燃气轮机理想布雷顿循环的回热度为100%，则其热效率等于（）A.1−(p2/p1)^(1−κ)/κB.1−(p2/p1)^(κ−1)/κC.1−(T4/T1)D.1−(T2/T1)答案：B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，请将所有正确选项的字母填入括号内，漏选、错选均不得分）11.下列措施中，能够提高简单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.提高汽轮机入口温度D.增大给水泵功率答案：A、B、C12.关于理想气体混合物的分压力，下列说法正确的有（）A.分压力与摩尔分数成正比B.分压力之和等于总压力C.分压力与组分质量分数成正比D.分压力与组分气体常数无关答案：A、B13.下列过程中，系统熵必然增加的有（）A.闭口系统不可逆绝热膨胀B.理想气体自由膨胀C.可逆等温吸热D.可逆绝热压缩答案：A、B、C14.湿空气经绝热加湿后，下列参数中必然升高的有（）A.含湿量B.相对湿度C.比焓D.干球温度答案：A、C15.对于理想气体，下列关系式恒成立的有（）A.dh=cpdTB.du=cvdTC.ds=cvdT/T+Rdν/νD.(∂u/∂v)T=0答案：A、B、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.某理想气体κ=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)，则其定压比热容cp=________kJ/(kg·K)，定容比热容cv=________kJ/(kg·K)。答案：1.004；0.71717.1kg水在100°C、1atm下完全汽化，已知汽化潜热r=2257kJ/kg，则其熵增为________kJ/(kg·K)。答案：6.04818.某卡诺热泵从−5°C环境吸热，向45°C室内供热，其供热系数COP′=________。答案：6.3719.理想气体经历一多变过程pVn=常数，当n=0时，该过程称为________过程；当n=∞时，该过程称为________过程。答案：等压；等容20.湿空气干球温度30°C，露点温度20°C，查表得20°C时饱和蒸汽压ps=2.339kPa，总压100kPa，则含湿量d=________kg/kg(干空气)。答案：0.014921.某汽轮机入口蒸汽焓h1=3450kJ/kg，出口焓h2=2250kJ/kg，若忽略动能、位能变化，则其轴功ws=________kJ/kg。答案：120022.理想气体在定温过程中，技术功wt与膨胀功w之比为________。答案：123.某闭口系统经历一循环，与外界交换热量Qnet=−200kJ，对外做功Wnet=________kJ。答案：20024.采用两级压缩、中间冷却的理想压缩机，若每级压比相等，则总耗功与单级压缩相比________（填“增大”“减小”或“不变”）。答案：减小25.燃气轮机理想布雷顿循环的压比为8，κ=1.4，则其热效率为________%。答案：44.8四、简答题（每题8分，共24分）26.封闭系统经历一不可逆过程，系统熵变ΔSsys=10kJ/K，环境熵变ΔSsurr=−8kJ/K。试判断该过程能否实现，并说明理由。答案：不能实现。根据熵增原理，孤立系统总熵变ΔStotal=ΔSsys+ΔSsurr=2kJ/K>0，似乎满足。但题目为封闭系统，需考虑系统与环境组成孤立系。若系统熵增10kJ/K，环境熵减8kJ/K，则总熵增2kJ/K，表面满足。然而，系统与外界必有热量交换，若系统吸热，环境放热，则环境熵减绝对值必须不小于系统熵增才能满足第二定律，此处环境熵减仅8kJ/K，系统熵增10kJ/K，总熵增2kJ/K，看似可行。但系统熵增10kJ/K已包含不可逆产熵，环境熵减8kJ/K对应热量流出，若系统实际吸热，则环境应熵增而非熵减，符号矛盾。故ΔSsurr=−8kJ/K意味着热量自环境流向系统，此时系统熵增10kJ/K中，一部分由吸热引起，一部分由不可逆产熵引起。设吸热量Q，则ΔSsurr=−Q/T0=−8，Q=8T0；系统吸热熵流Sf=Q/T0=8kJ/K，则产熵Sg=ΔSsys−Sf=2kJ/K>0，满足熵产>0，故过程可实现。结论：可以实现。27.解释“湿空气比焓”定义，并给出以干空气质量为基准的比焓表达式，说明各项物理意义。答案：湿空气比焓指单位质量干空气及其所带水蒸气组成的湿空气混合物所具有焓值，以干空气质量为基准时，表达式为h=1.005t+d(2501+1.86t)kJ/kg(干空气)。其中1.005t为干空气比焓，t为干球温度℃；d为含湿量kg(水蒸气)/kg(干空气)；2501为0°C时水蒸气汽化潜热kJ/kg；1.86t为水蒸气显热项，1.86为水蒸气定压比热kJ/(kg·K)。该表达式以0°C干空气和0°C饱和水为基准，忽略液态水焓值。28.简述回热式燃气轮机循环中“回热度”定义，并说明为何回热度不能达到100%。答案：回热度σ=(实际回热量)/(理论最大回热量)=(h5−h2)/(h4−h2)，其中h2为压气机出口焓，h4为高压涡轮出口焓，h5为回热器出口空气焓。σ=1意味着空气在回热器中被加热到h4，即T5=T4，需回热器出口端温差为零，此时传热面积需无限大，实际设备无法实现，故回热度<100%。五、计算题（共71分）29.某理想气体（κ=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)）在气缸内经历一可逆绝热膨胀，初态p1=1MPa，T1=1000K，终压p2=0.1MPa。(1)求终温T2；（4分）(2)求单位质量膨胀功w；（4分）(3)若改为不可逆绝热膨胀，终温T2′=700K，求熵产sg。（4分）答案：(1)T2=T1(p2/p1)^(κ−1)/κ=1000×(0.1)^0.286=517.9K(2)w=(R/(κ−1))(T1−T2)=0.287/0.4×(1000−517.9)=346.1kJ/kg(3)sg=Δs=cpln(T2′/T1)−Rln(p2/p1)=1.005ln(700/1000)−0.287ln(0.1/1)=−0.356+0.661=0.305kJ/(kg·K)30.某蒸汽动力厂采用再热朗肯循环，锅炉出口蒸汽p1=15MPa，t1=600°C，再热压力p3=3MPa，再热到600°C，冷凝器压力p4=5kPa。忽略泵功，查表得：h1=3582kJ/kg，s1=6.677kJ/(kg·K)；p3=3MPa，s3=7.508kJ/(kg·K)，h3=3682kJ/kg；p4=5kPa，sf=0.476kJ/(kg·K)，sg=8.393kJ/(kg·K)，hf=138kJ/kg，hg=2561kJ/kg。(1)求高压涡轮出口干度x2；（4分）(2)求低压涡轮出口干度x4；（4分）(3)求循环热效率ηt。（6分）答案：(1)s2=s1=6.677，5kPa下sg=8.393，sf=0.476，x2=(6.677−0.476)/(8.393−0.476)=0.783(2)s4=s3=7.508，x4=(7.508−0.476)/(8.393−0.476)=0.887(3)高压涡轮功wh1=h1−h2，h2=hf+x2(hg−hf)=138+0.783×2423=2034kJ/kg，wh1=3582−2034=1548kJ/kg低压涡轮功wh2=h3−h4，h4=138+0.887×2423=2288kJ/kg，wh2=3682−2288=1394kJ/kg总功w=wh1+wh2=2942kJ/kg吸热q=h1−hf(15MPa，查表hf=1610kJ/kg)+h3−h2=3582−1610+3682−2034=3620kJ/kgηt=w/q=2942/3620=81.3%31.某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口饱和蒸气h1=1420kJ/kg，s1=5.615kJ/(kg·K)，冷凝器出口饱和液h3=390kJ/kg，压缩机绝热效率ηc=0.85。(1)求压缩机出口实际焓h2s；（4分）(2)求制冷系数COP；（4分）(3)若制冷量Q0=100kW，求氨质量流量qm。（3分）答案：(1)先求等熵出口h2s：查40°C饱和压力ps=1555kPa，s2s=s1=5.615，在1555kPa下s=5.615对应h2s=1680kJ/kg(2)实际出口h2=h1+(h2s−h1)/ηc=1420+(1680−1420)/0.85=1726kJ/kg制冷系数COP=(h1−h4)/(h2−h1)=(1420−390)/(1726−1420)=1030/306=3.36(3)qm=Q0/(h1−h4)=100/1030=0.0971kg/s=349kg/h32.某办公楼需供应湿空气干球温度20°C，相对湿度50%，室外空气5°C，相对湿度80%，采用加热加湿方案。已知风量V=2m³/s，大气压101.3kPa。(1)求室外空气含湿量d1和比焓h1；（4分）(2)求送风含湿量d2和比焓h2；（4分）(3)若采用干蒸汽加湿，求所需蒸汽流量qm,v；（3分）(4)求预热器最小加热量Qh。（3分）答案：查5°Cps=872Pa，d1=0.622×φps/(p−φps)=0.622×0.8×872/(101300−0.8×872)=0.0043kg/kgh1=1.005×5+0.0043(2501+1.86×5)=5+10.8=15.8kJ/kg20°Cps=2339Pa，d2=0.622×0.5×2339/(101300−0.5×2339)=0.0072kg/kgh2=1.005×20+0.0072(2501+1.86×20)=20+18.2=38.2kJ/kg干空气质量流量qm,a=pV/(RaT)=101300×2/(287×278)=2.54kg/sqm,v=qm,a(d2−d1)=2.54×(0.0072−0.0043)=0.0074kg/s预热器仅需将空气加热到20°C，但含湿量不变，故Qh=qm,a(h2−h1)−qm,v×2501=2.54(38.2−15.8)−0.0074×2501=57−18.5=38.5kW33.某企业拟利用工业余热Qavail=500kW，温度150°C，驱动吸收式制冷机，其热力系数COP=0.7，冷却水进口30°C，出口38°C。(1)求制冷量Qe；（3分）(2)求冷却水流量qm,w；（4分）(3)若改用电动压缩机制冷，电耗P=100kW，COP′=4.0，与吸收式相比，年运行8000h，电费0.6元/kWh，求年电费差额。（4分）答案：(1)Qe=COP×Qavail=0.7×500=350kW(2)吸收机排热Qc=Qe+Qavail=850kW，冷却水温升8K，qm,w=Qc/(cpΔT)=850/(4.18×8)=25.4kg/s(3)压缩机电耗P=100kW，吸收式无电耗，年差额电费=100×8000×0.6=48万元34.综合题：某小型热电联产系统采用微型燃气轮机，发电功率P=100kW，排气温度t4=550°C，流量qm,g=0.8kg/s，拟加装余热锅炉产生p=0.8MPa饱和蒸汽，给水温度60°C，锅炉效率ηb=0.85，蒸汽用于工艺加热，冷凝水返回温度80°C。(1)求排气可用能（exhaustexergy）流量，设环境温度T0=298K，cp