工程热力学期末复习试题及答案解析

工程热力学期末复习试题及答案解析一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，将正确选项的字母填入括号内）1.在理想气体状态方程pV=mRT中，R的物理意义是（）A.通用气体常数B.气体常数C.比气体常数D.摩尔气体常数答案：C解析：R=Ru/M，为比气体常数，单位J/(kg·K)。2.对于闭口系统，下列哪一项不是状态参数（）A.温度B.压力C.热量D.比容答案：C解析：热量是过程量，与路径有关，不是状态参数。3.卡诺循环的热效率仅取决于（）A.工质种类B.高温热源与低温热源温度C.循环净功D.循环平均压力答案：B解析：η_carnot=1−T_L/T_H，仅与热源温度有关。4.水蒸气在湿蒸汽区，干度x=0.8，则其比容v等于（）A.v_fB.v_gC.v_f+x(v_g−v_f)D.v_g−x(v_g−v_f)答案：C解析：湿蒸汽比容按干度加权平均。5.理想气体绝热节流前后（）A.温度不变B.焓不变C.熵不变D.压力不变答案：B解析：节流过程h_1=h_2，为等焓过程。6.朗肯循环中提高初压对循环热效率的影响是（）A.一定提高B.一定降低C.可能提高也可能降低D.无影响答案：A解析：提高初压使平均吸热温度升高，η_t上升。7.压缩因子Z>1说明实际气体（）A.比理想气体更易压缩B.比理想气体更难压缩C.与理想气体压缩性相同D.无法判断答案：B解析：Z=pv/RT>1，说明实际气体比理想气体占更大体积，更难压缩。8.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_v+RB.c_p=c_v−RC.c_p=c_v/RD.c_p=c_v·R答案：A解析：迈耶公式c_p−c_v=R。9.逆卡诺制冷循环的制冷系数COP与供暖系数COP′满足（）A.COP′=COP+1B.COP′=COP−1C.COP′=1/COPD.COP′=COP答案：A解析：COP′=T_H/(T_H−T_L)=COP+1。10.湿空气含湿量d的定义是（）A.水蒸气质量/干空气质量B.水蒸气质量/湿空气质量C.干空气质量/水蒸气质量D.水蒸气分压/干空气分压答案：A解析：d=m_v/m_a，单位kg_v/kg_a。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，漏选、错选均不得分）11.下列哪些措施可提高朗肯循环热效率（）A.提高初温B.降低背压C.提高初压D.增加再热次数E.降低给水泵耗功答案：ABCD解析：E项给水泵耗功减小对η_t影响极小。12.理想气体可逆绝热过程满足（）A.pv^k=常数B.Tv^(k−1)=常数C.Tp^((1−k)/k)=常数D.Δs=0E.q=0答案：ABCDE解析：可逆绝热即等熵，q=0，Δs=0，三式均成立。13.水蒸气hs图上，下列哪些线为直线（）A.等压线B.等温线C.等干度线D.等容线E.等熵线答案：AE解析：在过热区等压线斜率恒定，等熵线为垂直线。14.下列属于广延性质的是（）A.内能B.焓C.温度D.熵E.比容答案：ABD解析：广延量与系统规模成正比，比容为强度量。15.湿空气冷却去湿过程在hd图上表现为（）A.沿等d线向左B.沿等h线向下C.沿等φ线向右D.先等d冷却，后沿饱和线向左下E.含湿量先不变后减小答案：DE解析：冷却到露点后析出水分，d下降。三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体可逆定温过程的膨胀功w=________，技术功w_t=________。答案：RTln(v_2/v_1)；RTln(p_1/p_2)解析：定温过程w=∫pdv，w_t=−∫vdp。17.卡诺循环由________、________、________、________四个可逆过程组成。答案：等温吸热、绝热膨胀、等温放热、绝热压缩18.水在150°C时的饱和压力约为________kPa，饱和液焓h_f≈________kJ/kg。答案：476；632解析：查饱和水表150°C对应值。19.理想气体绝热指数k=________，双原子气体在常温下k≈________。答案：c_p/c_v；1.420.朗肯循环再热压力一般选为初压的________%左右，目的是________。答案：20~30；降低汽轮机末级湿度，提高乏汽干度四、简答题（共25分）21.（6分）写出热力学第一定律对闭口系统的表达式，并说明各项物理意义。答案：Q−W=ΔU。Q为系统吸热量，W为系统对外做功，ΔU为系统内能增量。符号规定：系统吸热为正，对外做功为正。22.（6分）简述提高燃气蒸汽联合循环效率的主要技术途径。答案：1.提高燃气轮机初温；2.采用三级以上压气机中间冷却；3.提高蒸汽循环初压初温；4.采用双压或三压余热锅炉；5.汽轮机乏汽回热；6.降低余热锅炉排烟温度至90°C以下。23.（6分）何谓“露点温度”？若湿空气温度降至露点以下会发生什么？答案：露点温度是在定压下冷却湿空气至水蒸气开始凝结的温度。降至露点以下，水蒸气过饱和，出现雾滴或结露，含湿量下降，过程沿饱和线进行。24.（7分）解释“熵产”与“做功能力损失”的关系，并给出表达式。答案：熵产S_g为不可逆过程引起的系统与外界的熵增量。做功能力损失I=T_0S_g，其中T_0为环境温度。S_g越大，I越大，系统可用能损失越大。五、计算题（共70分）25.（12分）1kg空气（c_p=1.005kJ/(kg·K)，c_v=0.718kJ/(kg·K)）由状态1（p_1=0.1MPa，T_1=300K）经可逆绝热压缩到状态2（p_2=1.0MPa）。求：(1)T_2；(2)压缩功w；(3)技术功w_t；(4)熵变Δs。答案：(1)T_2=T_1(p_2/p_1)^((k−1)/k)=300×(10)^(0.4/1.4)=579K(2)w=c_v(T_1−T_2)=0.718(300−579)=−200.4kJ/kg（负号表示耗功）(3)w_t=c_p(T_1−T_2)=1.005(300−579)=−280.4kJ/kg(4)Δs=0（可逆绝热）解析：用理想气体等熵关系式，注意符号。26.（14分）某朗肯循环初参数：p_1=10MPa，t_1=550°C，背压p_2=5kPa。忽略泵功，求：(1)汽轮机出口干度x_2；(2)循环热效率η_t；(3)若采用一次再热，再热压力2MPa，再热到550°C，求再热后η_t′。答案：查表得：h_1=3500kJ/kg，s_1=6.756kJ/(kg·K)；p_2=5kPa时，s_f=0.476，s_g=8.395，h_f=138，h_g=2561。(1)x_2=(s_1−s_f)/(s_g−s_f)=(6.756−0.476)/(8.395−0.476)=0.793h_2=h_f+x_2(h_g−h_f)=138+0.793×2423=2060kJ/kg(2)η_t=(h_1−h_2)/(h_1−h_f)=(3500−2060)/(3500−138)=0.428再热后：再热前膨胀到2MPa，s=6.756，查得h_b=2940kJ/kg；再热到550°C，h_3=3580，s_3=7.370；再膨胀到5kPa，x_4=(7.370−0.476)/7.919=0.871，h_4=138+0.871×2423=2248kJ/kg总加热量q_in=(h_1−h_f)+(h_3−h_b)=(3500−138)+(3580−2940)=4002kJ/kg总功w_t=(h_1−h_b)+(h_3−h_4)=(3500−2940)+(3580−2248)=1892kJ/kgη_t′=1892/4002=0.473解析：分段计算，注意再热后熵值变化。27.（14分）某空气制冷理想回热循环，冷库温度−20°C，环境温度25°C，压比π=4。求：(1)制冷系数COP；(2)每kg空气冷库吸热量q_L；(3)若制冷量Q_L=100kW，求空气质量流量。答案：T_L=253K，T_H=298K，π=4，k=1.4(1)COP=T_L/(T_H−T_L)=253/(298−253)=5.62(2)q_L=c_p(T_1−T_4)=1.005(253−198)=55.3kJ/kg其中T_4=T_H/π^((k−1)/k)=298/4^0.286=198K(3)ṁ=Q_L/q_L=100/55.3=1.81kg/s解析：理想回热循环，冷端吸热温度T_1=T_L。28.（15分）某绝热刚性容器被隔板分成两部分，A侧0.5m³，空气p_A=0.2MPa，T_A=350K；B侧0.3m³，p_B=0.1MPa，T_B=300K。抽去隔板后求：(1)平衡温度T_2；(2)平衡压力p_2；(3)熵产S_g。答案：m_A=p_AV_A/(RT_A)=0.2×10³×0.5/(0.287×350)=0.996kgm_B=0.1×10³×0.3/(0.287×300)=0.348kg总内能U=m_Ac_vT_A+m_Bc_vT_B=0.996×0.718×350+0.348×0.718×300=250+75=325kJ总质量m=1.344kg(1)T_2=U/(mc_v)=325/(1.344×0.718)=337K(2)p_2=mRT_2/(V_A+V_B)=1.344×0.287×337/0.8=0.163MPa(3)ΔS_A=m_A[c_pln(T_2/T_A)−Rln(p_2/p_A)]=0.996[1.005ln(337/350)−0.287ln(0.163/0.2)]=0.996(−0.038+0.064)=0.026kJ/KΔS_B=0.348[1.005ln(337/300)−0.287ln(0.163/0.1)]=0.348(0.112−0.142)=−0.010kJ/KS_g=ΔS_A+ΔS_B=0.016kJ/K解析：绝热刚性，Q=0，W=0，ΔU=0。29.（15分）某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口为干饱和蒸气，绝热效率η_c=0.85。求：(1)单位质量制冷量q_L；(2)压缩机耗功w_c；(3)冷凝器放热量q_H；(4)COP；(5)若制冷量Q_L=200kW，求氨流量。答案：查氨lgph图：h_1=1420kJ/kg，s_1=5.6kJ/(kg·K)等熵压缩到p_2=15.5bar，h_2s=1680kJ/kg实际h_2=h_1+(h_2s−h_1)/η_c=1420+260/0.85=1726kJ/kgh_3=h_4=320kJ/kg（过冷液）(1)q_L=h_1−h_4=1420−320=1100kJ/kg(2)w_c=h_2−h_1=1726−1420=306kJ/kg(3)q_H=h_2−h_3=1726−320=1406kJ/kg(4)COP=q_L/w_c=1100/306=3.59(5)ṁ=Q_L/q_L=200/1100=0.182kg/s解析：注意实际压缩过程效率修正。六、综合分析题（共40分）30.（20分）某大型燃气蒸汽联合循环电厂采用两台GE9HA燃气轮机，初温1500°C，压比23，排气温度630°C。余热锅炉三压再热，蒸汽循环初压18MPa、600°C，再热到600°C，背压5kPa。给出以下要求：(1)画出联合循环系统简图，标注关键状态点；(2)列出燃气侧与蒸汽侧能量平衡方程；(3)推导联合循环总效率η_cc与燃气轮机效率η_g、蒸汽轮机效率η_s、余热锅炉效率η_b的关系；(4)若η_g=0.40，η_s=0.35，η_b=0.92，求η_cc；(5)讨论降低余热锅炉排烟温度至85°C对η_cc的影响，并指出技术瓶颈。答案：(1)图略（标准三压再热联合循环图，含压气机、燃烧室、燃气轮机、高压、中压、低压汽包、汽轮机、凝汽器、给水泵）。(2)燃气侧：Q_in=ṁ_fLHV=W_g+Q_ex；蒸汽侧：Q_ex=ṁ_s(h_s_out−h_s_in)+Q_loss。(3)η_cc=(W_g+W_s)/Q_in=η_g+(1−η_g)η_bη_s。(4)η_cc=0.40+(1−0.40)×0.92×0.35=0.40+0.193=0.593。(5)排烟温度降低可提高η_b，但受限于酸露点腐蚀（硫分）、低压省煤器传热温差小、钢材成本上升。需采用ND钢或氟塑料换热器，投资增加约8%，η_cc可再升1.5个百分点。31.（20分）某城市拟利用地下含水层建设季节性压缩空气储能（CAES）系统，储