2025年工程热力学试题附答案

2025年工程热力学试题附答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，将正确选项字母填入括号内）1.在闭口系统经历一可逆定温吸热过程时，其热力学能变化Δu与热量q的关系为（）A.Δu=q  B.Δu=0  C.Δu=–q  D.Δu=w答案：B。解析：理想气体定温过程Δu=0，热量全部转化为对外做功。2.某理想气体经历一可逆绝热膨胀，若比热比k=1.4，则过程方程pv^n=常数中的指数n为（）A.1.0  B.1.3  C.1.4  D.0.4答案：C。解析：可逆绝热过程即等熵过程，n=k。3.水蒸气在汽轮机内绝热膨胀，若忽略动能差与势能差，则其做功量等于（）A.焓降  B.热力学能减少  C.熵增  D.热量答案：A。解析：绝热稳流w_s=h_1–h_2。4.卡诺热泵的供热系数COP_H与制冷系数COP_R满足（）A.COP_H=COP_R  B.COP_H=COP_R+1  C.COP_H=1–COP_R  D.COP_H=COP_R–1答案：B。解析：COP_H=q_H/w=(q_L+w)/w=COP_R+1。5.湿空气相对湿度φ=50%，若干球温度不变而含湿量d增加，则露点温度将（）A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：A。解析：d增加意味着水蒸气分压升高，对应饱和温度即露点升高。6.某蒸汽压缩制冷循环采用R134a，若蒸发温度由0℃降至–10℃，冷凝温度不变，则单位质量制冷量q_L将（）A.增大  B.减小  C.不变  D.先增后减答案：A。解析：蒸发压力降低，但压缩机入口比焓值下降更多，h_1–h_4增大。7.对于理想气体，下列偏导数中恒等于零的是（）A.(∂u/∂T)_v  B.(∂h/∂p)_T  C.(∂s/∂T)_p  D.(∂u/∂p)_T答案：D。解析：理想气体内能仅为温度函数，(∂u/∂p)_T=0。8.在朗肯循环中提高初压而保持初温、背压不变，则汽轮机排汽干度将（）A.升高  B.降低  C.不变  D.先升后降答案：B。解析：初压升高使膨胀终点进入更湿区，干度下降。9.若某闭口系统完成一个循环后，系统对外做功200kJ，同时向环境放热400kJ，则该循环的热效率为（）A.–50%  B.33.3%  C.50%  D.66.7%答案：B。解析：η=W_net/Q_in=200/(200+400)=33.3%。10.水在100℃、1atm下处于饱和液状态，其吉布斯函数g与饱和汽相比（）A.g_f<g_g  B.g_f=g_g  C.g_f>g_g  D.无法确定答案：B。解析：两相平衡时化学势相等，g_f=g_g。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.下列措施中，能够同时提高燃气轮机简单循环比功与热效率的是（）A.提高压气机压比  B.提高透平初温  C.回热  D.间冷答案：B、C。解析：初温提高直接增加比功与η_t；回热提高η_t同时略增比功；压比过高反而降比功；间冷增比功但不一定增η_t。12.理想气体在喷管中可逆绝热膨胀，若入口参数不变而背压降低，则（）A.出口马赫数增大  B.出口温度降低  C.出口流速增大  D.出口比体积增大答案：A、B、C、D。解析：背压降低使膨胀程度加大，所有选项均正确。13.关于湿空气焓h=1.005t+d(2501+1.86t)kJ/kg干空气，下列说法正确的是（）A.1.005为干空气定压比热  B.2501为0℃水蒸气汽化潜热  C.1.86为水蒸气定压比热  D.d单位为kg水蒸气/kg干空气答案：A、B、C、D。解析：公式各项物理意义明确。14.下列过程属于不可逆过程的是（）A.自由膨胀  B.有温差的传热  C.快速节流  D.可逆绝热压缩答案：A、B、C。解析：D为可逆过程。15.蒸汽再热循环的优点包括（）A.提高平均吸热温度  B.降低汽轮机排汽干度  C.减少汽轮机低压段侵蚀  D.提高循环热效率答案：A、C、D。解析：再热可提高干度，B错误。三、填空题（每空2分，共20分）16.某理想气体R=0.287kJ/(kg·K)，c_p=1.005kJ/(kg·K)，则其c_v=________kJ/(kg·K)，比热比k=________。答案：0.718；1.4。解析：c_v=c_p–R；k=c_p/c_v。17.水蒸气在汽轮机内由8MPa、500℃绝热膨胀至0.1MPa，若等熵效率为0.85，则实际出口干度为________（保留三位小数）。答案：0.912。解析：查表得s_1=7.009kJ/(kg·K)，等熵终点干度x_s=0.896，实际h_2s=2478kJ/kg，h_1=3400kJ/kg，η_s=(h_1–h_2)/(h_1–h_2s)，解得h_2=2520kJ/kg，再求x=0.912。18.某卡诺热机工作在1000K与300K热源之间，若每小时吸热3.6×10^6kJ，则其输出功率为________kW。答案：700。解析：η=1–300/1000=0.7，P=0.7×3.6×10^6/3600=700kW。19.湿空气干球温度30℃，露点20℃，则其含湿量d=________kg/kg干空气，水蒸气分压p_v=________kPa。答案：0.0147；2.34。解析：20℃饱和压力p_s=2.34kPa，d=0.622p_v/(p–p_v)，取p=100kPa。20.理想气体经历一可逆多变过程，初态p_1=0.1MPa、v_1=0.8m³/kg，终态p_2=0.8MPa、v_2=0.2m³/kg，则多变指数n=________。答案：1.5。解析：ln(p_2/p_1)=nln(v_1/v_2)，解得n=1.5。四、简答题（共25分）21.（封闭型，6分）写出稳态稳流能量方程，并说明各项物理意义。答案：\[\dot{Q}–\dot{W}_s=\dot{m}\left[(h_2–h_1)+\frac{V_2^2–V_1^2}{2}+g(z_2–z_1)\right]\]\(\dot{Q}\)：系统吸热功率；\(\dot{W}_s\)：轴功率；\(\dot{m}\)：质量流量；h：比焓；V²/2：比动能；gz：比势能。方程表明热量与轴功用于改变流体的焓、动能与势能。22.（开放型，8分）为何实际燃气轮机循环需采用回热？请从Ts图与平均吸热温度角度说明。答案：实际压缩终温较高，若直接加入燃烧室，需在高温区吸热，导致平均吸热温度不高。回热利用排气余热预热压缩空气，使吸热过程从更高温度开始，提高平均吸热温度，从而提高热效率。Ts图上，回热使吸热线左移，靠近高温区，循环面积与吸热面积之比增大。23.（封闭型，5分）给出热力学第三定律的表述，并说明其对熵数据表的意义。答案：当温度趋近于绝对零度时，任何完美晶体的熵趋近于零。意义：为绝对熵提供基准点，使标准熵s°(T)可计算，无需另设参考态。24.（开放型，6分）解释为何节流过程为等焓，却不可逆。答案：节流无轴功且绝热，稳流能量方程得h_1=h_2。但过程中存在粘性摩擦与涡流，熵产大于零，s_2>s_1，故不可逆。虽初终焓相等，但可用能下降。五、计算与综合应用题（共70分）25.（15分）某理想气体（R=0.287kJ/(kg·K)，k=1.4）在可逆绝热喷管中膨胀，入口p_1=0.8MPa、T_1=600K、V_1=80m/s，出口背压p_b=0.1MPa。求：(1)出口温度T_2；(2)出口流速V_2；(3)若喷管效率η_N=0.92，求实际出口温度与速度。答案：(1)等熵：T_2s=T_1(p_2/p_1)^((k–1)/k)=600×(0.1/0.8)^0.286=331K。(2)能量：h_1+V_1²/2=h_2s+V_2s²/2，c_p=1.005kJ/(kg·K)，1.005(600–331)+0.5(80²–V_2s²)/1000=0，解得V_2s=√[2×1005×269+80²]=737m/s。(3)实际：η_N=(h_1–h_2)/(h_1–h_2s)，得h_1–h_2=0.92×269=247.5kJ/kg，T_2=T_1–247.5/1.005=354K，V_2=√[2×1005×(600–354)+80²]=707m/s。26.（15分）某蒸汽朗肯循环初参数p_1=10MPa、t_1=550℃，背压p_2=5kPa。汽轮机相对内效率η_T=0.85，泵效率η_P=0.75。求：(1)汽轮机出口干度；(2)循环热效率；(3)若采用一次再热至550℃、再热压力2MPa，再热后膨胀至5kPa，求再热循环热效率。答案：查表得h_1=3500kJ/kg，s_1=6.755kJ/(kg·K)。(1)等熵终点s_2s=6.755，p=5kPa，x_s=(6.755–0.476)/7.918=0.793，h_2s=137.8+0.793×2423=2059kJ/kg，实际h_2=h_1–η_T(h_1–h_2s)=3500–0.85×1441=2275kJ/kg，x=(2275–137.8)/2423=0.882。(2)泵功w_p=v_f(p_1–p_2)/η_P=0.001005×(10000–5)/0.75=13.4kJ/kg，h_3=137.8+13.4=151.2kJ/kg，q_in=h_1–h_3=3349kJ/kg，w_net=(h_1–h_2)–w_p=1225–13.4=1211.6kJ/kg，η=1211.6/3349=36.2%。(3)再热：再热前膨胀至2MPa，s=6.755，h_a=2820kJ/kg，再热后h_b=3570kJ/kg，s_b=7.545，再膨胀至5kPa，x_s=(7.545–0.476)/7.918=0.893，h_c=137.8+0.893×2423=2303kJ/kg，实际h_d=h_b–η_T(h_b–h_c)=3570–0.85×1267=2493kJ/kg，总q_in=(h_1–h_3)+(h_b–h_a)=3349+750=4099kJ/kg，w_net=(h_1–h_a)+(h_b–h_d)–w_p=680+1077–13.4=1743.6kJ/kg，η=1743.6/4099=42.5%。27.（12分）某空气制冷循环，冷库温度–20℃，环境温度30℃，压气机压比4，压气机绝热效率0.82，膨胀机绝热效率0.85。求：(1)制冷系数；(2)每kg空气制冷量；(3)若改用回热，分析对制冷系数的影响。答案：T_1=253K，T_3=303K，π=4，k=1.4。(1)理想：COP_R=1/(π^((k–1)/k)–1)=1/(4^0.286–1)=2.06，实际：η_C=0.82，η_T=0.85，T_2s=T_1π^((k–1)/k)=253×1.486=376K，T_2=T_1+(T_2s–T_1)/η_C=253+123/0.82=403K，T_4s=T_3/π^((k–1)/k)=303/1.486=204K，T_4=T_3–η_T(T_3–T_4s)=303–0.85×99=219K，COP_R=(T_1–T_4)/(T_2–T_1–(T_3–T_4))=(253–219)/(403–253–84)=34/150=0.227。(2)q_L=c_p(T_1–T_4)=1.005×34=34.2kJ/kg。(3)回热使压气机入口温度升高，膨胀机入口温度亦升高，可降低压比或提高冷量，但在空气制冷中回热对COP改善有限，需具体参数分析，一般COP略升。28.（13分）某绝热刚性容器被隔板分成两部分，A侧0.5m³、0.3MPa、300K，B侧0.5m³、0.1MPa、300K，均为空气。抽去隔板后气体混合。求：(1)终态温度；(2)熵产；(3)若用可逆方式使系统回到初态，求最小功。答案：(1)绝热刚性，Q=0，W=0，ΔU=0，理想气体ΔT=0，T_2=300K。(2)总n_A=p_AV_A/(RT)=0.3×0.5/(0.287×300)=1.742mol，n_B=0.581mol，总n=2.323mol，终压p_2=nRT/(V_A+V_B)=2.323×8.314×300/1=0.193MPa，ΔS_A=n_ARln(V_2/V_A)+n_Ac_vln(T_2/T_1)=1.742×8.314×ln2=10.05J/K，ΔS_B=0.581×8.314×ln2=3.35J/K，总熵产