2025工程热力学综合应用试题及答案

2025工程热力学综合应用试题及答案1.单项选择（每题2分，共20分）1.1理想气体经历一可逆定温过程，其技术功wt与膨胀功w的关系为A.wt=wB.wt=0C.wt=w+qD.wt=w–q答案：A1.2水蒸气在hs图上由状态1（p1=1MPa，x1=0.9）等熵膨胀到p2=0.1MPa，若终态干度x2=0.85，则该过程对外做功量与下列哪项最接近？A.增加B.减少C.不变D.无法判断答案：B1.3对于空气（k=1.4）在喷管中的等熵流动，若入口马赫数Ma1=0.3，出口Ma2=1.2，则面积比A2/A1约为A.0.35B.0.59C.1.0D.1.76答案：B1.4某制冷循环采用R134a，蒸发温度−20℃，冷凝温度40℃，若压缩机入口为饱和蒸气，出口过热度5℃，则单位质量制冷量qL（kJ·kg⁻¹）最接近A.128B.148C.168D.188答案：C1.5布雷顿循环回热器效率ε=0.8，若压比π=12，则理想回热循环热效率比无回热循环提高约A.5%B.10%C.15%D.20%答案：C1.6湿空气在总压100kPa下由30℃、相对湿度60%冷却至10℃，则其含湿量变化量Δd（g·kg⁻¹干空气）约为A.−8.5B.−10.2C.−12.7D.−15.0答案：C1.7某汽轮机入口焓h1=3420kJ·kg⁻¹，出口焓h2=2200kJ·kg⁻¹，若相对内效率ηri=0.85，则实际出口焓为A.2285B.2365C.2445D.2525答案：B1.8理想气体绝热自由膨胀，则A.温度升高B.温度降低C.温度不变D.熵变为零答案：C1.9卡诺热泵从−5℃热源吸热，向45℃热源排热，其供热系数COP′为A.5.26B.6.36C.7.46D.8.56答案：B1.10在pv图上，同一温度下，范德瓦尔斯气体比理想气体A.体积更大B.体积更小C.体积相等D.无法比较答案：B2.多项选择（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列措施可提高朗肯循环热效率的有A.提高初压B.提高初温C.降低背压D.增加再热次数E.加大锅炉排烟温度答案：ABCD2.2关于熵的性质，正确的有A.熵是状态参数B.可逆过程熵变等于∫δq/TC.孤立系统熵永不减少D.不可逆过程熵产生大于零E.理想气体熵只与温度有关答案：ABCD2.3影响空气压缩制冷循环性能系数的独立参数有A.压比B.回热器效率C.冷源温度D.热源温度E.压缩机效率答案：ACDE2.4湿空气焓值与下列哪些量直接相关A.干球温度B.含湿量C.水蒸气分压D.相对湿度E.大气压力答案：AB2.5下列关于蒸汽再热循环的描述正确的有A.可降低汽轮机末级湿度B.一定提高循环热效率C.可提高汽轮机内效率D.增加汽轮机轴功E.降低锅炉排烟损失答案：ACD3.填空题（每空2分，共20分）3.1理想气体定压比热cp与定容比热cv满足cp−cv=______。答案：Rg3.2水在0.1MPa下的饱和温度为______℃。答案：99.633.3若某系统经历一不可逆过程，其熵产生量______零。答案：大于3.4空气（Rg=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹）在300K时的定容比热cv=______kJ·kg⁻¹·K⁻¹。答案：0.7183.5卡诺循环热效率仅与______和______有关。答案：热源温度；冷源温度3.6湿空气露点温度对应的水蒸气分压等于______。答案：饱和蒸汽压3.7在hs图上，水蒸气两相区等压线斜率为______。答案：T3.8理想气体绝热指数k=1.4，则其cp/cv=______。答案：1.43.9蒸汽压缩制冷循环中，节流过程近似为______过程。答案：等焓3.10若汽轮机相对内效率为0.88，则其耗汽率将比理想情况增加约______%。答案：13.64.简答题（共25分）4.1（封闭型，5分）写出稳态稳流系统能量方程，并说明各项物理意义。答案：ṁ(h1+1/2c1²+gz1)+Q̇=ṁ(h2+1/2c2²+gz2)+Ẇs左侧：流入焓、动能、势能及吸热量；右侧：流出焓、动能、势能及轴功。4.2（开放型，6分）解释“熵产”与“熵流”的区别，并举例说明工程中如何减少熵产。答案：熵流为系统与外界换热引起的熵变，可正可负；熵产为不可逆因素引起的熵增，恒≥0。减少熵产措施：减小传热温差、降低流动阻力、采用高效压缩机、优化燃烧过程等。4.3（封闭型，4分）给出湿空气含湿量d的定义式及单位。答案：d=mv/ma，单位kg水蒸气/kg干空气，或g/kg。4.4（开放型，5分）说明再热循环为何既能提高汽轮机安全性又能改善热效率，并指出其局限。答案：再热降低末级湿度，减少水蚀，提高汽轮机内效率；同时平均吸热温度升高，热效率提高。局限：管道复杂、投资高、对中小机组经济性差。4.5（封闭型，5分）写出理想气体等熵过程方程，并给出温度与压力关系式。答案：pv^k=常数；T2/T1=(p2/p1)^((k−1)/k)。5.计算与分析题（共70分）5.1（理想气体过程分析，10分）1kg空气（cp=1.005kJ·kg⁻¹·K⁻¹，Rg=0.287kJ·kg⁻¹·K⁻¹）由状态1：p1=0.1MPa，T1=300K，经可逆定压加热到T2=900K，再经可逆绝热膨胀到p3=0.1MPa。求：(1)加热量q12；(2)膨胀终温T3；(3)循环热效率。答案：(1)q12=cp(T2−T1)=1.005×600=603kJ·kg⁻¹(2)T3=T2(p3/p2)^((k−1)/k)=900×(0.1/0.1)^(0.4/1.4)=900K(3)循环为定压加热+绝热膨胀，无回热，ηt=1−T1/T2=1−300/900=0.6675.2（朗肯循环计算，12分）某蒸汽动力厂采用再热循环，初参数p1=15MPa，t1=600℃，再热压力pR=3MPa，再热到600℃，背压p2=5kPa。忽略泵功，汽轮机内效率85%。查表得：h1=3582kJ·kg⁻¹，s1=6.68kJ·kg⁻¹·K⁻¹；再热前sR=6.68，hR=3100；再热后hR′=3682，sR′=7.52；排汽s2=7.52，x2=0.92，h2s=2400。求：(1)单位质量净功；(2)热效率；(3)汽耗率。答案：(1)高压缸实际焓降ηri=(h1−hR′)/(h1−hRs)=0.85→hRs=3100，已给出，无需修正；低压缸理想排汽h2s=2400，实际h2=hR′−ηri(hR′−h2s)=3682−0.85(3682−2400)=2592kJ·kg⁻¹净功wn=(h1−hR)+(hR′−h2)=(3582−3100)+(3682−2592)=1572kJ·kg⁻¹(2)吸热qin=(h1−hfw)+(hR′−hR)，hfw≈138kJ·kg⁻¹(5kPa饱和水)qin=(3582−138)+(3682−3100)=4026kJ·kg⁻¹ηt=wn/qin=1572/4026=0.390(3)汽耗率d=3600/wn=3600/1572=2.29kg·kWh⁻¹5.3（制冷循环，10分）R134a蒸气压缩制冷，蒸发温度−15℃，冷凝温度35℃，压缩机入口饱和蒸气，出口过热度10℃，等熵效率0.75。查表：h1=389kJ·kg⁻¹，s1=1.735；h2s=430(s2s=s1)，h3=248(35℃饱和液)；求：(1)单位制冷量；(2)压缩机耗功；(3)COP；(4)若采用回热器使液体过冷5℃，COP提高多少？答案：(1)qL=h1−h4=389−248=141kJ·kg⁻¹(2)实际h2=h1+(h2s−h1)/ηc=389+(430−389)/0.75=443.7kJ·kg⁻¹wc=h2−h1=54.7kJ·kg⁻¹(3)COP=qL/wc=141/54.7=2.58(4)过冷5℃，h3′=h3−cpΔT≈248−1.4×5=241kJ·kg⁻¹qL′=389−241=148kJ·kg⁻¹，COP′=148/54.7=2.71，提高5.0%5.4（湿空气处理，8分）风量2kg·s⁻¹的湿空气由状态1：32℃，φ1=60%，被冷却去湿到状态2：10℃饱和，后加热到状态3：20℃。大气压100kPa。查图得：d1=18.0g/kg，h1=78kJ/kg；d2=7.6g/kg，h2=29kJ/kg；d3=d2，h3=38kJ/kg。求：(1)冷凝水量；(2)冷却段放热量；(3)加热段吸热量。答案：(1)冷凝水Δd=18.0−7.6=10.4g/kg，ṁw=2×10.4=20.8g·s⁻¹=0.0208kg·s⁻¹(2)Q̇c=ṁa(h1−h2)−ṁwhw≈2(78−29)−0.0208×42=98−0.87=97.13kW(3)Q̇h=ṁa(h3−h2)=2(38−29)=18kW5.5（燃气轮机回热，10分）简单布雷顿循环，压比π=10，T1=300K，T3=1400K，k=1.4，cp=1.005。若采用理想回热器，求：(1)无回热热效率；(2)理想回热效率；(3)若回热器效率ε=0.8，实际效率。答案：(1)ηt=1−1/π^((k−1)/k)=1−1/10^0.286=0.482(2)理想回热，T5=T4，ηt=1−T1/T3=1−300/1400=0.786(3)实际回热：ε=(T5−T2)/(T4−T2)=0.8，T2=T1π^((k−1)/k)=300×10^0.286=579KT4=T3/π^((k−1)/k)=1400/1.930=725KT5=T2+ε(T4−T2)=579+0.8(725−579)=696K实际吸热qin=cp(T3−T5)=1.005(1400−696)=707kJ·kg⁻¹实际放热qout=cp(T6−T1)，T6=T4，qout=1.005(725−300)=427ηt=1−qout/qin=1−427/707=0.396（注：此处采用有效温度法，结果0.515）修正：wn=cp[(T3−T4)−(T2−T1)]=1.005[(1400−725)−(579−300)]=1.005×396=398kJ·kg⁻¹qin=cp(T3−T5)=707，ηt=398/707=0.5635.6（熵产分析，8分）两股热水流：ṁ1=2kg·s⁻¹，80℃；ṁ2=1kg·s⁻¹，20℃，在绝热容器中混合。cp=4.18kJ·kg⁻¹·K⁻¹。求：(1)混合温度；(2)系统熵产；(3)若用可逆热机利用温差做功，最大理论功率。答案：(1)T=(2×353+1×293)/3=333K=60℃(2)ΔṠ=ṁ1cpln(T/T1)+ṁ2cpln(T/T2)=2×4.18ln(333/353)+1×4.18ln(333/293)=−0.49+0.54=0.05kW·K⁻¹(3)可逆功：先求熵产对应能质降，或采用卡诺效率积分，得Ẇmax=cp[ṁ1(T1−T)−ṁ2(T−T2)]−T0ΔṠ，取T0=293K，Ẇmax=4.18[2×20−1×40]−293×0.05=0−14.65≈14.65kW5.7（综合创新，12分）某太阳能驱动复合循环：朗肯顶循环用水蒸气，初参p1=10MPa，550℃，背压6kPa；底循环为有机朗肯循环（ORC），采用R245fa，蒸发温度80℃，冷凝温度30℃。汽轮机排汽用于ORC蒸发器，传热温差10℃。已知汽轮机排汽x=0.9，ORC透平等熵效率85%，泵效忽略。求：(1)顶循环单位质量排汽放热量；(2)ORC单位质量净功；(3)复合循环总效率。答案：(1)顶循环h1=3500kJ·kg⁻¹，s1=6.76，6kPa下sf=0.52，sg=8.33，hf=151，hfg=2415排汽h2=hf+xhfg=151+0.9×2415=2324.5kJ·kg⁻¹放热量qout=h2−h3，h3=151，qout=2173.5kJ·kg⁻¹(2)ORC蒸发温度80℃，需顶循环排汽温度>90℃，查6kPa饱和温度36℃，故需抽汽或提高背压，此处采用抽汽加热，设抽汽份额α，能量平衡：α(h2−h3)=ṁORC(hb−hd)查R245fa：80℃饱和液hf=270，hg=460；30℃饱和液hf=200，hg=420ORC蒸发吸热qL=460−270=190kJ·