《工程热力学》参考试题与答案

《工程热力学》参考试题与答案一、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，下列状态参数中仅与温度有关的是（）A.比焓B.比熵C.比体积D.比内能答案：D2.在闭口系统经历一绝热过程，若系统对外做功，则其内能变化ΔU的符号为（）A.大于零B.小于零C.等于零D.无法确定答案：B3.卡诺循环的热效率只与（）有关。A.工质种类B.高温热源与低温热源温度C.循环净功D.循环时间答案：B4.水蒸气在汽轮机内膨胀可近似看作（）A.定压过程B.定温过程C.定熵过程D.定容过程答案：C5.对于湿空气，若含湿量不变而温度升高，则其相对湿度（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：B6.理想气体绝热节流前后，下列参数保持不变的是（）A.温度B.压力C.焓D.熵答案：C7.在Ts图上，两条可逆绝热线之间的距离表示（）A.热量B.功量C.技术功D.无法判断答案：A8.若压缩比相同，奥托循环的热效率（）狄塞尔循环。A.高于B.低于C.等于D.无法比较答案：A9.当湿空气达到饱和时，干球温度、湿球温度与露点温度的关系为（）A.t干>t湿>t露B.t干=t湿=t露C.t干<t湿<t露D.t干=t湿>t露答案：B10.提高朗肯循环热效率最有效的措施是（）A.降低冷凝压力B.提高锅炉压力C.提高锅炉温度D.采用再热答案：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，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.下列措施可提高简单燃气轮机循环比功的有（）A.提高压气机增压比B.提高透平进口温度C.增加回热器D.采用间冷答案：B、D12.关于水蒸气定压汽化过程，下列说法正确的有（）A.温度保持不变B.熵持续增加C.焓持续增加D.比体积持续增加答案：A、B、C、D13.下列属于不可逆因素的有（）A.有限温差传热B.自由膨胀C.摩擦D.绝热节流答案：A、B、C、D14.湿空气焓值与下列参数有关（）A.干球温度B.含湿量C.水蒸气分压力D.大气压力答案：A、B15.若理想气体经历一多变过程，指数n满足1<n<k，则过程中（）A.温度升高B.熵减小C.对外放热D.压缩过程答案：B、C、D三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体状态方程的表达式为________，其通用气体常数R₀=________J/(mol·K)。答案：pv=RgT或pV=nR₀T；8.31417.卡诺循环由两个________过程和两个________过程组成。答案：可逆绝热（定熵）；可逆等温18.水蒸气在hs图上，临界点位于________线与________线的交点。答案：饱和水；饱和蒸汽19.湿空气的含湿量定义为________质量与________质量之比。答案：水蒸气；干空气20.朗肯循环中，给水泵消耗的功称为________功，汽轮机输出的功称为________功。答案：技术；技术21.理想气体绝热指数k=________，对于双原子气体在常温下近似取________。答案：cp/cv；1.422.在相同温度范围内，所有热机中热效率最高的是________循环，其效率表达式为ηt=________。答案：卡诺；1−T₂/T₁四、简答题（共25分）23.（6分）封闭系统经历一不可逆过程，已知系统对外放热500kJ，外界对系统做功300kJ，试分析系统内能变化符号并说明理由。答案：由闭口系能量方程Q=ΔU+W，符号规定系统对外放热Q=−500kJ，外界对系统做功W=−300kJ，则ΔU=Q−W=−500−(−300)=−200kJ，ΔU<0，内能减少。24.（6分）写出稳定流动能量方程，并说明各项物理意义。答案：方程：q=h₂−h₁+(c₂²−c₁²)/2+g(z₂−z₁)+wₛ。各项：q为单位质量工质吸热量；h₂−h₁为焓变；(c₂²−c₁²)/2为动能差；g(z₂−z₁)为位能差；wₛ为轴功。25.（6分）解释“露点温度”概念，并说明其在空调设计中的应用。答案：露点温度是在含湿量不变的条件下，湿空气冷却至饱和时的温度。空调设计中，送风温度必须高于室内露点，防止风口结露；同时利用露点控制除湿量，实现湿度独立调节。26.（7分）为什么实际燃气轮机循环需采用回热？回热度σ如何定义？答案：实际循环排气温度高，直接排入大气造成巨大热量损失。回热器利用排气预热压气机出口空气，减少燃烧室燃油量，提高循环热效率。回热度σ=(实际预热温升)/(最大可能预热温升)=(T₃′−T₂)/(T₄−T₂)，其中T₃′为回热器出口空气温度，T₂为压气机出口温度，T₄为透平排气温度。五、计算题（共70分）27.（10分）某理想气体（Rg=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）在闭口系统中由p₁=0.1MPa、T₁=300K被绝热压缩至p₂=1.0MPa。若质量m=0.5kg，求终温T₂、内能变化ΔU及所需功W。答案：绝热过程T₂=T₁(p₂/p₁)^((k−1)/k)=300×(10)^(0.2857)=579.2K；ΔU=mcv(T₂−T₁)=0.5×0.717×(579.2−300)=100.2kJ；绝热Q=0，W=−ΔU=−100.2kJ（外界对系统做功100.2kJ）。28.（12分）水蒸气在汽轮机内可逆绝热膨胀，进口参数p₁=5MPa、t₁=450℃，出口压力p₂=0.01MPa。求单位质量蒸汽做功wₛ及出口干度x₂。答案：查表得h₁=3316.2kJ/kg，s₁=6.818kJ/(kg·K)；出口s₂=s₁=6.818，p₂=0.01MPa时s′=0.649、s″=8.148，x₂=(6.818−0.649)/(8.148−0.649)=0.823；h₂=h′+x₂(h″−h′)=191.8+0.823×2392.1=2160.5kJ/kg；wₛ=h₁−h₂=3316.2−2160.5=1155.7kJ/kg。29.（12分）某朗肯循环，锅炉出口p₁=10MPa、t₁=550℃，冷凝器压力p₂=10kPa，忽略泵功。求循环热效率ηt及汽耗率d。答案：h₁=3500.9kJ/kg，s₁=6.756kJ/(kg·K)；s₂=s₁，p₂=10kPa时x₂=(6.756−0.649)/(8.148−0.649)=0.814，h₂=191.8+0.814×2392.1=2139.2kJ/kg；q₁=h₁−h₃≈h₁−h₂′=3500.9−191.8=3309.1kJ/kg；wₙₑₜ=h₁−h₂=3500.9−2139.2=1361.7kJ/kg；ηt=wₙₑₜ/q₁=1361.7/3309.1=41.2%；汽耗率d=3600/wₙₑₜ=3600/1361.7=2.64kg/(kW·h)。30.（12分）某空气制冷循环，冷库温度−15℃，环境温度30℃，压气机出口温度80℃，求理论制冷系数COP。若实际压气机绝热效率ηc=0.8，透平效率ηt=0.85，求实际COP。答案：理论：T₁=258K，T₃=303K，T₂=353K，COP理想=(T₁)/(T₂−T₁)=258/(353−258)=2.72；实际：T₂′=T₁+(T₂−T₁)/ηc=258+(95)/0.8=376.8K；T₄′=T₃−ηt(T₃−T₁)=303−0.85×45=264.8K；COP实际=(T₁−T₄′)/(T₂′−T₁)=(258−264.8)/(376.8−258)=−6.8/118.8=0.057（负号表示方向，取绝对值0.057）。31.（12分）某燃气轮机循环，压气机增压比π=10，透平进口温度1200K，环境温度300K，k=1.4。求理想循环比功wₙₑₜ及热效率ηt。若采用理想回热，求新热效率。答案：理想：T₂=T₁π^((k−1)/k)=300×10^0.2857=579.2K；T₄=T₃/π^((k−1)/k)=1200/10^0.2857=621.5K；wₙₑₜ=cp[(T₃−T₄)−(T₂−T₁)]=1.005[(1200−621.5)−(579.2−300)]=1.005×299.3=300.8kJ/kg；ηt=wₙₑₜ/q₁=300.8/(1.005×(1200−579.2))=300.8/622.9=48.3%；理想回热：T₅=T₄=621.5K，q₁′=cp(T₃−T₅)=1.005×(1200−621.5)=581.4kJ/kg；ηt′=wₙₑₜ/q₁′=300.8/581.4=51.7%。32.（12分）某蒸汽压缩制冷循环，采用R134a，蒸发温度−10℃，冷凝温度40℃，压缩机入口为饱和蒸气，出口为过热蒸气（过热度10℃），节流阀入口为饱和液。求单位质量制冷量qL、压缩机比功wc及COP。答案：查R134a表：h₁=244.5kJ/kg（−10℃饱和蒸气），s₁=0.922kJ/(kg·K)；p₂=1.016MPa，s₂=s₁，T₂′=50℃，h₂=280.5kJ/kg；h₃=h₄=107.4kJ/kg（40℃饱和液）；qL=h₁−h₄=244.5−107.4=137.1kJ/kg；wc=h₂−h₁=280.5−244.5=36.0kJ/kg；COP=qL/wc=137.1/36.0=3.81。六、综合分析题（共20分）33.（20分）某大型火电厂采用再热+回热朗肯循环，主蒸汽参数p₁=20MPa、t₁=600℃，再热压力4MPa、再热温度600℃，冷凝器压力5kPa，共三级回热抽汽，压力分别为2MPa、0.4MPa、0.05MPa，忽略泵功。（1）画出循环Ts示意图，标出各状态点；（2）计算抽汽系数α₁、α₂、α₃（以1kg主蒸汽为基准）；（3）求循环热效率ηt，并与无回热简单朗肯循环比较，说明回热对效率的影响。答案：（1）图略，需标出1—高压缸入口，2—再热器入口，3—再热器出口，4—低压缸出口，5—冷凝器出口，6—第一级混合器出口，7—第二级混合器出口，8—第三级混合器出口，各抽汽点a、b、c。（2）能量平衡：α₁(hₐ−h₆)=(1−α₁)(h₆−h₇)，α₂(h₇−h₈)=(1−α₁−α₂)(h₈−h₉)，α₃(h₉−h₁₀)=(1−α₁−α₂−α₃)(h₁₀−h₅)。查表得：h₁=3537kJ/kg，s₁=6.504kJ/(kg·K)；再热前s₂=s₁，p=4MPa，h₂=3100kJ/kg；再热后h₃=3672kJ/kg，s₃=7.369kJ/(kg·K)；低压膨胀至p=5kPa，s₄=s₃，x₄=(7.369−0.476)/(8.393−0.476)=0.873，h₄=138+0.873×2423=2250kJ/kg；各混合器出口饱和水焓：h₆=908kJ/kg，h₈=605kJ/kg，h₁₀=138kJ/kg；联立解得：α₁=0.104，α₂=0.098，α₃=0.085。（3）总吸热：q₁=(h₁−h₈)+(1−α₁)(h₃−h₂)=(3537−605)+0.896×(3672