全国工程热力学(一)自考试题及答案解析

全国工程热力学(一)自考试题及答案解析一、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.在闭口系统中，若系统与外界无热量交换，但对外做功，则系统内能的变化为（）A.增加B.减少C.不变D.无法确定【答案】B【解析】根据热力学第一定律ΔU=QW，Q=0，W>0，故ΔU<0，内能减少。2.某理想气体经历一绝热可逆膨胀过程，其温度变化趋势为（）A.升高B.降低C.不变D.先升高后降低【答案】B【解析】绝热可逆膨胀中，气体对外做功，内能减少，温度降低。3.卡诺循环的热效率取决于（）A.工质种类B.高温热源与低温热源的温差C.循环方向D.循环速率【答案】B【解析】卡诺效率η=1T_L/T_H，仅与热源温度有关。4.湿空气相对湿度φ=100%时，表示（）A.干球温度等于湿球温度B.水蒸气分压等于饱和分压C.含湿量为零D.露点温度高于干球温度【答案】B【解析】φ=p_v/p_s×100%，φ=100%即p_v=p_s。5.在蒸汽动力循环中，提高初压而保持初温不变，则循环热效率（）A.一定提高B.一定降低C.可能提高也可能降低D.不变【答案】A【解析】提高初压使平均吸热温度升高，热效率提高。6.理想气体节流过程前后，下列参数一定不变的是（）A.温度B.焓C.熵D.压力【答案】B【解析】节流是等焓过程，h_1=h_2。7.若某系统经历一不可逆绝热过程，则其熵变ΔS（）A.小于零B.等于零C.大于零D.无法确定【答案】C【解析】绝热不可逆过程系统熵产>0，故ΔS>0。8.对于理想气体，定压比热c_p与定容比热c_v的关系为（）A.c_p=c_vB.c_p=c_v+RC.c_p=c_vRD.c_p·c_v=R【答案】B【解析】迈耶公式c_pc_v=R。9.逆卡诺制冷循环的制冷系数COP与（）A.高温热源温度成正比B.低温热源温度成反比C.高温与低温热源温差成反比D.高温与低温热源温差成正比【答案】C【解析】COP=T_L/(T_HT_L)，与温差成反比。10.在湿蒸汽区，干度x的取值范围为（）A.x<0B.0≤x≤1C.x>1D.x=1【答案】B【解析】干度定义即饱和液x=0，饱和汽x=1。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.下列哪些过程属于不可逆过程（）A.自由膨胀B.有温差的传热C.绝热可逆膨胀D.节流【答案】A、B、D【解析】C为可逆过程，其余均为不可逆。12.提高朗肯循环热效率的有效措施包括（）A.提高初温B.提高初压C.降低背压D.增加锅炉排烟温度【答案】A、B、C【解析】D会降低效率。13.理想气体在下列哪些过程中技术功w_t等于膨胀功w（）A.定压过程B.定容过程C.定温过程D.绝热过程【答案】B、C【解析】定容w=0，w_t=0；定温w=w_t；定压w≠w_t；绝热w≠w_t。14.湿空气焓值与下列哪些参数有关（）A.干球温度B.含湿量C.水蒸气分压D.大气压力【答案】A、B【解析】h=1.005t+d(2501+1.86t)，与t、d直接相关。15.下列关于熵的说法正确的是（）A.孤立系统熵增原理适用于任何过程B.可逆绝热过程熵变为零C.熵是过程量D.熵产恒大于等于零【答案】A、B、D【解析】熵是状态量，C错误。三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程pv=RT中，R的单位是________。【答案】kJ/(kg·K)17.卡诺循环由两个________过程和两个________过程组成。【答案】定温、绝热（可交换顺序）18.湿空气的露点温度是指在水蒸气分压不变的情况下，湿空气冷却至________开始结露的温度。【答案】饱和19.蒸汽压缩制冷循环中，节流阀替代了逆卡诺循环中的________。【答案】膨胀机20.若某理想气体从状态1到状态2的熵变Δs=0.3kJ/(kg·K)，则该过程一定是________过程。【解析】无法确定是否可逆，只能填“熵增加”或“不可逆”均不给分，标准答案为：________（开放，阅卷时视表述给分，若填“不可逆”得2分，填“可逆”得0分）21.在湿蒸汽区，压力越高，饱和水与饱和汽的焓差________（填“越大”“越小”或“不变”）。【答案】越小22.朗肯循环采用再热的主要目的是________汽轮机末级湿度。【答案】降低23.理想气体绝热指数k=c_p/c_v，对于双原子气体在常温下k≈________。【答案】1.424.若某系统经历一循环，其∮δq/T=0.2kJ/K，则该循环一定是________循环。【答案】不可逆25.蒸汽动力厂中，给水泵消耗的功属于________功（填“技术”或“膨胀”）。【答案】技术四、简答题（每题8分，共24分）26.简述热力学第二定律的两种经典表述，并说明其等价性。【答案要点】1.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体而不引起其他变化。2.开尔文普朗克表述：不可能制造出一种循环工作的热机，其唯一效果是从单一热源吸热并全部转化为功。等价性证明：若违反一种表述，则可构造出违反另一种表述的方案，例如用违反克劳修斯的装置驱动可逆热机，即可得到违反开尔文普朗克的装置。评分：表述各3分，等价性2分。27.为什么在实际蒸汽压缩制冷循环中，膨胀机常被节流阀取代？请从工程角度分析利弊。【答案要点】利：节流阀结构简单、成本低、无运动部件、可靠性高、便于调节。弊：节流不可逆，熵产大，导致单位制冷量下降，COP降低；若采用膨胀机可回收部分功，提高COP，但两相膨胀机制造困难、成本高、易汽蚀。结论：小型装置优先采用节流阀，大型装置可考虑膨胀机或经济器。评分：利弊各3分，结论2分。28.湿空气在冷却去湿过程中，为何干球温度先降至露点，再进一步冷却才能去湿？请用hd图说明。【答案要点】1.冷却初期，含湿量d不变，过程沿等d线向左，φ增大；2.当到达饱和线（φ=100%）时，t=t_d，继续冷却则进入两相区，水蒸气凝结，d减小；3.在hd图上表现为先等d向左，再沿饱和线向左下方移动。评分：文字说明5分，图示描述3分（无图可文字描述）。五、计算题（共41分）29.（10分）某理想气体（R=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）在气缸内经历一绝热可逆膨胀，初态p_1=0.5MPa，T_1=600K，终压p_2=0.1MPa。求：(1)终态温度T_2；(2)单位质量气体对外做的膨胀功w；(3)若同样的初终态间经历一定温可逆膨胀，求吸热量q。【解答】(1)绝热可逆：T_2/T_1=(p_2/p_1)^((k1)/k)T_2=600×(0.1/0.5)^(0.4/1.4)=378.4K(2)w=c_v(T_1T_2)=R/(k1)·(T_1T_2)=0.287/0.4×(600378.4)=159.1kJ/kg(3)定温：q=w=RT_1ln(p_1/p_2)=0.287×600×ln5=276.3kJ/kg评分：(1)4分，(2)3分，(3)3分，单位错扣1分。30.（10分）某蒸汽动力厂采用再热回热循环，已知：初参数：p_1=15MPa，t_1=600°C；再热压力：p_r=3MPa，再热至600°C；背压：p_b=5kPa；采用一级混合式回热器，抽汽压力p_e=0.5MPa。忽略泵功，查表得：h_1=3582kJ/kg，h_r=3682kJ/kg，h_b=2330kJ/kg（乏汽），h_e=2930kJ/kg（抽汽），h_f=640kJ/kg（0.5MPa饱和水），h_4=137kJ/kg（5kPa饱和水）。求：(1)抽汽率α；(2)循环热效率η。【解答】(1)回热器能量平衡：αh_e+(1α)h_4=h_fα=(h_fh_4)/(h_eh_4)=(640137)/(2930137)=0.180(2)总加热量：q_in=(h_1h_f)+(h_rh_e)=(3582640)+(36822930)=3694kJ/kg总放热量：q_out=(1α)(h_bh_4)=(10.180)(2330137)=1796kJ/kgη=1q_out/q_in=11796/3694=0.514（51.4%）评分：(1)5分，(2)5分，公式对数值错扣2分。31.（11分）某空气压缩制冷循环，冷库温度20°C，环境温度25°C，空气视为理想气体，k=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)。压气机绝热效率η_c=0.85，膨胀机绝热效率η_t=0.88，循环压比π=4。求：(1)理论（理想）循环COP；(2)实际循环COP；(3)若冷库负荷Q_L=50kW，求实际空气质量流量。【解答】T_L=253K，T_H=298K(1)理想COP=T_L/(T_HT_L)=253/(298253)=5.62(2)理想压气机出口：T_2s=T_1π^((k1)/k)=253×4^0.286=376K实际T_2=T_1+(T_2sT_1)/η_c=253+(376253)/0.85=398K理想膨胀机出口：T_4s=T_3/π^((k1)/k)=298/4^0.286=200K实际T_4=T_3η_t(T_3T_4s)=2980.88×(298200)=212K实际COP=q_L/w_net=c_p(T_1T_4)/[c_p(T_2T_1)c_p(T_3T_4)]=(253212)/(398253298+212)=41/133=0.308(3)q_L=c_p(T_1T_4)=1.005×41=41.2kJ/kgṁ=Q_L/q_L=50/41.2=1.21kg/s评分：(1)3分，(2)6分，(3)2分，单位错扣1分。32.（10分）某刚性绝热容器被隔板分成两部分，左侧V_A=0.5m³，p_A=0.3MPa，T_A=400K；右侧V_B=1m³，p_B=0.1MPa，T_B=300K。两侧均为空气（R=0.287kJ/(kg·K)，c_v=0.718kJ/(kg·K)）。抽去隔板后达到平衡，求：(1)平衡温度T；(2)平衡压力p；(3)熵产ΔS_gen。【解答】m_A=p_AV_A/(RT_A)=0.3×0.5/(0.287×400)=1.306kgm_B=0.1×1/(0.287×300)=1.161kg总内能守恒：m_Ac_vT_A+m_Bc_vT_B=(m_A+m_B)c_vTT=(1.306×400+1.161×300)/(1.306+1.161)=352.4K总容积V=1.5m³，总质量m=2.467kgp=mRT/V=2.467×0.287×352.4/1.5=0.166MPa熵产：ΔS=m_A[c_pln(T/T_A)Rln(p/p_A)]+m_B[c_pln(T/T_B)Rln(p/p_B)]c_p=c_v+R=1.005kJ/(kg·K)ΔS=1.306[1.005ln(352.4/400)0.287ln(0.166/0.3)]+1.161[1.005ln(352.4/300)0.287ln(0.166/0.1)]=1.306(0.120+0.176)+1.161(0.1580.147)=0.073+0.013=0.086kJ/K评分：(1)3分，(2)3分，(3)4分，公式对数值错扣2分。六、综合分析题（共20分）33.某大型火力发电厂拟对原纯凝汽式朗肯循环进行节能改造，现有三种方案：A.将初温由540°C提高到600°C，初压保持16MPa不变；B.采用两级抽汽回热，抽汽压力分别为4MPa、0.4MPa；C.在方案B基础上增加一次再热至600°C，再热压力4