工程热力学期末考试试题及答案

工程热力学期末考试试题及答案一、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.比热容，与温度有关答案：C2.对于闭口系统，经历一不可逆绝热过程后，系统的熵变ΔS（）A.一定大于零B.一定等于零C.一定小于零D.可能大于、等于或小于零答案：A3.水蒸气在汽轮机内膨胀做功，若忽略散热，该过程可近似看作（）A.定压过程B.定温过程C.定熵过程D.定容过程答案：C4.卡诺循环的热效率只与（）A.工质种类有关B.高温热源与低温热源温度有关C.循环净功有关D.循环吸热量有关答案：B5.湿空气相对湿度φ=50%，若温度不变而含湿量d增加，则φ将（）A.增大B.减小C.不变D.先增后减答案：A6.理想气体绝热节流前后（）A.焓不变，熵增B.焓增，熵不变C.焓减，熵增D.焓不变，熵减答案：A7.朗肯循环中提高初压的主要代价是（）A.汽轮机排汽干度下降B.泵功急剧增加C.锅炉排烟损失增大D.凝汽器真空恶化答案：A8.若某制冷循环的COP为4，则其制冷量为100kW时，输入功率为（）A.400kWB.25kWC.50kWD.75kW答案：B9.水在定压下由0°C加热到200°C，经历的状态顺序为（）A.未饱和水→饱和水→湿蒸汽→干蒸汽→过热蒸汽B.饱和水→未饱和水→湿蒸汽→干蒸汽→过热蒸汽C.未饱和水→湿蒸汽→饱和水→干蒸汽→过热蒸汽D.饱和水→湿蒸汽→干蒸汽→过热蒸汽→未饱和水答案：A10.对于理想气体，下列偏导数中等于零的是（）A.(∂u/∂T)_vB.(∂h/∂p)_TC.(∂s/∂T)_pD.(∂u/∂p)_T答案：D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.下列措施可提高朗肯循环热效率的是（）A.提高初温B.降低背压C.再热D.回热E.提高凝汽器冷却水温度答案：ABCD12.理想气体在可逆过程中，技术功wt与膨胀功w的关系可能是（）A.wt=wB.wt=w+Δ(pv)C.wt=−∫vdpD.wt=∫pdvE.wt=Δh答案：BCE13.湿空气焓值h与下列参数有关（）A.干球温度B.含湿量C.水蒸气分压力D.相对湿度E.大气压力答案：ABCE14.关于熵的性质，正确的有（）A.熵是状态参数B.不可逆过程熵产恒大于零C.孤立系统熵永不减少D.可逆绝热过程熵变为零E.熵流可正可负可为零答案：ABCDE15.水蒸气hs图上，下列叙述正确的有（）A.等压线斜率等于温度B.等温线在湿区为水平线C.等干度线从临界点出发呈放射状D.过热区等压线斜率随温度升高而增大E.临界点处饱和水线与干蒸汽线相切答案：ABDE三、填空题（每空2分，共20分）16.理想气体定压比热cp与定容比热cv满足cp−cv=________，迈耶公式成立条件是________。答案：R；理想气体17.卡诺循环由________、________、________、________四个可逆过程组成。答案：定温吸热；绝热膨胀；定温放热；绝热压缩18.水蒸气临界参数为：pc=________MPa，tc=________°C。答案：22.064；373.9919.湿空气含湿量d的定义式为________，单位________。答案：d=mv/ma；kg水蒸气/kg干空气20.朗肯循环回热级数无限多时，理论热效率趋于________循环效率。答案：卡诺21.理想气体可逆绝热过程方程pv^k=常数，其中k=________。答案：cp/cv22.蒸汽压缩制冷循环中，节流阀入口为________状态，出口为________状态。答案：饱和液或过冷液；湿蒸汽四、简答题（共25分）23.（6分）封闭气缸内1kg空气由p1=0.1MPa、T1=300K经可逆绝热压缩到p2=1MPa，求终温T2。若改为不可逆绝热压缩，终温高于还是低于T2？说明理由。答案：可逆绝热：T2=T1(p2/p1)^((k−1)/k)=300×(10)^(0.4/1.4)=579K。不可逆绝热：终温高于579K，因为不可逆熵产使系统熵增加，在相同压力升高下需要更多技术功，能量转化为内能使温度更高。24.（6分）写出湿空气相对湿度φ、含湿量d、干球温度t、水蒸气分压力pv之间的函数关系，并说明如何由干球与露点温度查表求φ。答案：φ=pv/ps(t)，d=0.622pv/(p−pv)，pv=ps(td)。已知干球t与露点td，由td查饱和蒸汽表得pv=ps(td)，再查ps(t)得干球对应饱和压力，即可算φ=ps(td)/ps(t)。25.（6分）何谓“汽轮机排汽干度限制”？为何现代高参数机组需采用再热？答案：排汽干度限制指排汽干度x不宜低于0.88~0.90，否则水滴冲刷叶片造成侵蚀与振动。提高初压使膨胀线左移，排汽干度下降，再热可将高压排汽送回锅炉再热器升温后再进入中低压缸，提高平均吸热温度，同时显著升高排汽干度，兼顾效率与安全。26.（7分）比较蒸汽压缩制冷与吸收式制冷在驱动能源、主要设备、适用场合三方面的差异。答案：驱动能源：蒸汽压缩用高品位电能或机械能；吸收式用低品位热能（废热、太阳能、燃气）。主要设备：压缩机制冷用压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器；吸收式用发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、溶液泵、溶液热交换器，无大型压缩机。适用场合：压缩式适合电力充足、小型分散；吸收式适合有廉价余热、大型空调或区域供冷、电力紧缺地区。五、计算题（共70分）27.（12分）某理想气体循环由下列过程组成：1→2定熵压缩，2→3定压吸热，3→4定熵膨胀，4→1定压放热。已知T1=300K，T2=600K，T3=1800K，cp=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4。求循环热效率、单位质量净功。答案：定压吸热量q23=cp(T3−T2)=1.005(1800−600)=1206kJ/kg。定压放热量q41=cp(T4−T1)，需先求T4。由定熵膨胀3→4：T4=T3(p4/p3)^((k−1)/k)，而定压2→3得p3=p2，定压4→1得p4=p1，定熵压缩1→2：p2/p1=(T2/T1)^(k/(k−1))=(600/300)^(3.5)=11.31，故T4=T3/(p3/p4)^((k−1)/k)=1800/(11.31)^(0.285)=1800/2.095=859K，q41=1.005(859−300)=561.5kJ/kg，η=1−q41/q23=1−561.5/1206=53.4%，w_net=q23−q41=644.5kJ/kg。28.（14分）一台汽轮机入口蒸汽p1=15MPa、t1=600°C，出口背压p2=5kPa，忽略动能差与散热。求：(1)理想朗肯循环热效率；(2)若汽轮机相对内效率η_T=0.85，求实际排汽干度、循环热效率。答案：查过热蒸汽表：h1=3582kJ/kg，s1=6.677kJ/(kg·K)。背压5kPa下饱和参数：h'=137.8kJ/kg，h''=2561kJ/kg，s'=0.476，s''=8.393kJ/(kg·K)。理想膨胀s2s=s1=6.677，x2s=(6.677−0.476)/(8.393−0.476)=0.783，h2s=h'+x2s(h''−h')=137.8+0.783×2423=2035kJ/kg，理想循环：泵功w_p≈v'(p1−p2)=0.001005×(15−0.005)×1000=15.1kJ/kg，h4=h3+w_p=137.8+15.1=152.9kJ/kg，q_in=h1−h4=3429kJ/kg，w_Ts=h1−h2s=1547kJ/kg，η_ideal=(w_Ts−w_p)/q_in=(1547−15.1)/3429=44.7%。实际汽轮机：h2=h1−η_T(h1−h2s)=3582−0.85×1547=2267kJ/kg，x2=(h2−h')/(h''−h')=(2267−137.8)/2423=0.879，实际w_T=3582−2267=1315kJ/kg，η_real=(1315−15.1)/3429=37.9%。29.（14分）某氨蒸气压缩制冷循环，蒸发温度−20°C，冷凝温度40°C，压缩机入口饱和蒸汽，冷凝器出口饱和液，制冷量Q_L=100kW，氨物性：h1=1430kJ/kg，h3=390kJ/kg，h2s=1790kJ/kg，压缩机绝热效率η_c=0.8。求：(1)氨流量；(2)压缩机实际出口焓；(3)压缩机功率；(4)冷凝器热负荷；(5)COP。答案：(1)q_L=h1−h4=1430−390=1040kJ/kg，m=Q_L/q_L=100/1040=0.0962kg/s。(2)h2=h1+(h2s−h1)/η_c=1430+(1790−1430)/0.8=1430+450=1880kJ/kg。(3)W_c=m(h2−h1)=0.0962×450=43.3kW。(4)Q_H=m(h2−h3)=0.0962×(1880−390)=143.3kW。(5)COP=Q_L/W_c=100/43.3=2.31。30.（15分）某空气调节系统需将室外35°C、φ=60%的湿空气冷却去湿至20°C、φ=50%，空气流量ma=2kg干空气/s。已知大气压101.325kPa，查表得：35°Cps=5.628kPa，20°Cps=2.339kPa。求：(1)初、终含湿量；(2)凝结水量；(3)所需冷量；(4)若采用7°C冷水逆流换热，求最小冷水流量（冷水温升5°C，c_p=4.18kJ/(kg·K)）。答案：(1)d1=0.622×0.6×5.628/(101.325−0.6×5.628)=0.0215kg/kg，d2=0.622×0.5×2.339/(101.325−0.5×2.339)=0.00725kg/kg。(2)mw=ma(d1−d2)=2×(0.0215−0.00725)=0.0285kg/s。(3)查焓湿图或计算：h1=1.005×35+0.0215×(2501+1.86×35)=35.2+55.1=90.3kJ/kg，h2=1.005×20+0.00725×(2501+1.86×20)=20.1+18.3=38.4kJ/kg，Q=ma(h1−h2)−mw×hf，(7°C水hf=29.5kJ/kg)，Q=2×(90.3−38.4)−0.0285×29.5=103.8−0.84=103kW。(4)冷水吸热Q=mw_c×4.18×5，得mw_c=Q/(4.18×5)=103/20.9=4.93kg/s。31.（15分）某燃气轮机理想布雷顿循环，压比π=8，初温T1=300K，最高温度T3=1200K，cp=1.005kJ/(kg·K)，k=1.4。求：(1)循环热效率；(2)单位质量净功；(3)若采用理想回热，求热效率；(4)说明实际机组为何难以达到理想回热。答案：(1)η_B=1−1/π^((k−1)/k)=1−1/8^0.286=44.8%。(2)T2=T1×π^((k−1)/k)=300×8^0.286=543K，T4=T3/π^((k−1)/k)=1200/1.81