工程热力学考试试卷(含答案)

工程热力学考试试卷(含答案)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.气体常数，与气体种类无关B.通用气体常数，与气体种类无关C.比气体常数，与气体种类有关D.摩尔气体常数，与气体种类无关答案：C2.对于闭口系统，下列哪一项不是热力学第一定律的表达式（）A.Q=ΔU+WB.δQ=dU+δWC.Q=ΔH+W_tD.q=Δu+w答案：C3.卡诺循环的热效率仅取决于（）A.工质种类B.高温热源与低温热汇的温度C.循环净功D.循环吸热量答案：B4.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能、位能变化，其技术功等于（）A.焓降B.内能降C.熵增D.热量答案：A5.理想气体绝热节流前后，下列参数一定不变的是（）A.温度B.压力C.焓D.熵答案：C6.湿空气的含湿量d是指（）A.水蒸气质量与干空气质量之比B.水蒸气质量与湿空气质量之比C.水蒸气分压与干空气分压之比D.水蒸气质量与总质量之比答案：A7.理想气体在定温过程中，其技术功与体积功的关系为（）A.w_t=wB.w_t=2wC.w_t=0D.w_t=−w答案：A8.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：A9.水蒸气hs图上，等压线斜率为（）A.TB.vC.sD.1/T答案：A10.理想气体可逆绝热过程的多变指数n等于（）A.0B.1C.κD.∞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，多选、少选、错选均不得分）11.下列哪些措施可以提高朗肯循环的热效率（）A.提高初温B.提高初压C.降低背压D.增加再热级数E.采用回热答案：ABCDE12.理想气体在定熵过程中，下列参数一定满足（）A.pV^κ=常数B.TV^(κ−1)=常数C.Tp^((1−κ)/κ)=常数D.Δs=0E.q=0答案：ABCDE13.湿空气达到饱和时（）A.干球温度=湿球温度B.相对湿度φ=100%C.含湿量达到最大值D.水蒸气分压=饱和压力E.露点温度=干球温度答案：BDE14.下列关于热力学第二定律的说法正确的是（）A.克劳修斯表述：热量不能自发地从低温物体传到高温物体B.开尔文表述：不可能从单一热源吸热并全部变为功而不引起其他变化C.熵产≥0D.可逆过程熵产=0E.孤立系统熵减过程不可能自发进行答案：ABCDE15.理想气体混合物的分压力定律满足（）A.p=Σp_iB.p_i=p·x_iC.V_i=V·x_iD.混合前后各组分内能不变E.混合熵产>0答案：ABCE三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体定压比热c_p与定容比热c_v满足关系：c_p−c_v=________。答案：R17.1kg0°C的冰在常压下完全融化为0°C的水，其比熵增约为________kJ·kg⁻¹·K⁻¹。（已知冰的熔化潜热334kJ·kg⁻¹）答案：1.2218.卡诺热机高温热源727°C，低温热汇27°C，其热效率为________%。答案：7019.理想气体可逆绝热膨胀，初温500K，终温300K，则压力比p₂/p₁=________。（κ=1.4）答案：0.068020.水蒸气在干度x=0.8的湿蒸汽区，已知饱和液焓h′=640kJ·kg⁻¹，饱和汽焓h″=2750kJ·kg⁻¹，则其比焓h=________kJ·kg⁻¹。答案：232821.理想气体经历一等温压缩，初容积1m³，终容积0.2m³，初压0.1MPa，则终压为________MPa。答案：0.522.湿空气干球温度30°C，露点温度20°C，查表得20°C饱和水蒸气压力2.339kPa，则水蒸气分压为________kPa。答案：2.33923.某系统经历一循环，吸热500kJ，放热300kJ，对外做功________kJ。答案：20024.理想气体节流前后温度________（升高/降低/不变）。答案：不变25.朗肯循环中，若忽略泵功，则单位质量工质的净功等于汽轮机________。答案：比焓降四、简答题（共25分）26.（封闭型，6分）写出热力学第一定律对闭口系统的微分形式，并说明各项物理意义。答案：δQ=dU+δW。δQ为系统吸收的微小热量，dU为系统内能的微小增量，δW为系统对外做的微小功。27.（封闭型，6分）简述“可逆过程”必须满足的两个条件。答案：(1)过程为准静态过程，即系统始终处于无限接近平衡态；(2)无耗散效应，如摩擦、涡流、电阻等。28.（开放型，6分）为什么实际气体的节流膨胀会产生温度效应？答案：实际气体分子间存在相互作用力，其焓值不仅是温度的函数，还与压力有关。节流过程焓不变，但压力降低导致分子间位能变化，若分子间以引力为主，位能增加则动能减少，表现为温度下降；反之若斥力为主，温度升高。理想气体因无分子间力，故温度不变。29.（开放型，7分）结合Ts图说明再热循环如何改善朗肯循环的效率，并指出再热压力选择过高或过低带来的问题。答案：再热循环将高压缸排汽回热再加热后进入中低压缸，可显著提高平均吸热温度，从而提高热效率。Ts图上，再热过程使吸热线段向高温区平移。再热压力过高则低压缸排汽干度下降，侵蚀叶片；过低则再热效果弱，效率提升有限。最佳再热压力约为初压的20%–30%。五、计算题（共70分）30.（理想气体过程计算，12分）2kg空气（R=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹，κ=1.4）由初态p₁=0.15MPa、T₁=300K可逆绝热压缩至p₂=1.2MPa。求：(1)终态温度T₂；(2)外界对气体做的功；(3)熵变化。答案：(1)T₂=T₁(p₂/p₁)^((κ−1)/κ)=300×(8)^(0.286)=543.4K(2)W=mR(T₁−T₂)/(κ−1)=2×0.287×(300−543.4)/0.4=−349.6kJ（负号表示外界对系统做功）(3)可逆绝热过程ΔS=031.（水蒸气查表计算，12分）汽轮机入口蒸汽p₁=5MPa、t₁=450°C，出口背压p₂=10kPa，忽略动能、位能及散热。求：(1)入口比焓h₁、比熵s₁；(2)若等熵膨胀至p₂，求出口干度x₂s及比焓h₂s；(3)等熵比焓降Δh_s。答案：查过热蒸汽表：(1)h₁=3316kJ·kg⁻¹，s₁=6.819kJ·kg⁻¹·K⁻¹(2)查饱和表10kPa：s′=0.649kJ·kg⁻¹·K⁻¹，s″=8.150kJ·kg⁻¹·K⁻¹；h′=192kJ·kg⁻¹，h″=2584kJ·kg⁻¹x₂s=(s₁−s′)/(s″−s′)=0.812h₂s=h′+x₂s(h″−h′)=2137kJ·kg⁻¹(3)Δh_s=h₁−h₂s=1179kJ·kg⁻¹32.（混合气体计算，10分）某容器内有1kg氮气（R=0.297kJ·kg⁻¹·K⁻¹）与2kg二氧化碳（R=0.189kJ·kg⁻¹·K⁻¹）在300K下充分混合。求：(1)混合气体平均气体常数R_mix；(2)混合气体总压力若为300kPa，求各组分分压；(3)混合熵产ΔS_mix。答案：(1)m=3kg，R_mix=(1×0.297+2×0.189)/3=0.225kJ·kg⁻¹·K⁻¹(2)x_N2=1/3，x_CO2=2/3；p_N2=100kPa，p_CO2=200kPa(3)ΔS_mix=−m_N2R_N2lnx_N2−m_CO2R_CO2lnx_CO2=−1×0.297ln(1/3)−2×0.189ln(2/3)=0.326+0.153=0.479kJ·K⁻¹33.（回热循环分析，12分）某朗肯循环采用一级回热，抽汽压力1MPa，汽轮机入口p₁=10MPa、t₁=500°C，背压5kPa。忽略泵功，设给水在回热器中被加热至抽汽饱和温度。求：(1)抽汽饱和温度t_sat；(2)抽汽焓h_b（查表得h_b=2820kJ·kg⁻¹）；(3)设抽汽份额α，列出回热器能量平衡方程；(4)若h₂=3400kJ·kg⁻¹（汽轮机入口），h₄=137kJ·kg⁻¹（凝水），h_6=762kJ·kg⁻¹（出口给水），求α。答案：(1)查饱和表1MPa，t_sat=179.9°C(3)αh_b+(1−α)h₄=h_6(4)α=(h_6−h₄)/(h_b−h₄)=(762−137)/(2820−137)=0.23334.（湿空气计算，12分）某空调系统引入室外湿空气，干球温度35°C、相对湿度60%，当地大气压100kPa。查表得35°C饱和水蒸气压力5.628kPa。求：(1)水蒸气分压p_v；(2)含湿量d；(3)湿空气比焓h（干空气比热1.005kJ·kg⁻¹·K⁻¹，水蒸气比热1.86kJ·kg⁻¹·K⁻¹，0°C水蒸气焓2501kJ·kg⁻¹）。答案：(1)p_v=φp_s=0.6×5.628=3.377kPa(2)d=0.622p_v/(p−p_v)=0.622×3.377/(100−3.377)=0.0217kg·kg⁻¹干空气(3)h=1.005t+d(2501+1.86t)=1.005×35+0.0217×(2501+1.86×35)=35.2+55.4=90.6kJ·kg⁻¹干空气35.（综合题，12分）某小型燃气轮机装置采用理想布雷顿循环，压比π=8，进气温度300K，最高温度1200K，工质为空气（κ=1.4，c_p=1.005kJ·kg⁻¹·K⁻¹）。求：(1)各状态点温度；(2)单位质量净功w_net；(3)循环热效率η；(4)若采用理想回热，求最高可能效率。答案：(1)T₂=T₁π^((κ−1)/κ)=300×8^0.286=543.4KT₄=T₃/π^((κ−1)/κ)=1200/8^0.286=662.2K(2)w_net=c_p[(T₃−T₄)−(T₂−T₁)]=1.005[(1200−662.2)−(543.4−300)]=1.005×(537.8−243.4)=295.7kJ·kg⁻¹(3)η=1−1/π^((κ−1)/κ)=1−1/8^0.286=44.8%(4)理想回热极限效率η_reg=1−T₁/T₃=1−300/1200=75%六、分析题（共20分）36.（10分）某大型火电厂拟将原朗肯循环参数由初温540°C、初压16MPa升级为初温600°C、初压30MPa，背压保持5kPa。试从热力学角度分析：(1)参数升级对循环热效率的定性影响；(2)对汽轮机末级干度的影响；(3)对锅炉受热面材料的要求；(4)对给水泵功耗的影响；(5)若再热压力选择不当，可能带来的负面效果。答案要点：(1)初温、初压同时提高，平均吸热温度显著上升，循环热效率提高；(2)初温提高有利于干度，但初压提高使膨胀线左移，干度下降，综合需计算，通常再热可解决；(3)30MPa、600°C已接近超超临界，需采用高铬耐热钢、镍基合金，成本大幅上升；(4)泵功耗与比容、压升成正比，30MPa时给水泵功耗显著增加，约翻倍；(5)再热压力过高则低压缸排汽干度低，侵蚀叶片；过低则再热效果弱，且管道压损大，热效率提升有限。37.（10分）某科研团队提出在沙漠地区利用太阳能驱动CO₂闭式布雷顿循环发电，CO₂在临界压力7.5MPa下进入压缩机，拟采用干冷塔冷却。试分析：(1)近临界区CO₂物性对压缩过程的影响；(2)干冷塔在高温环境（昼间45°C）下对循环背温