《工程热力学与传热学》模拟题及答案

《工程热力学与传热学》模拟题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某理想气体经历一个可逆绝热过程，若初始温度为300K，终态温度为400K，则该过程的熵变（）。A.大于0B.等于0C.小于0D.无法确定2.对于实际气体，当压力趋近于零时，其行为接近理想气体的主要原因是（）。A.分子间势能可忽略B.分子体积可忽略C.分子间碰撞频率降低D.分子热运动速度加快3.水蒸气在定压加热过程中，若处于未饱和水状态，则其温度随吸热量增加（）。A.升高B.不变C.降低D.先升后降4.某热力循环的吸热量为Q1，放热量为Q2，循环净功为W，则循环热效率η=（）。A.W/Q1B.W/Q2C.(Q1-Q2)/Q2D.Q2/Q15.平壁稳态导热时，若壁厚为δ，导热系数为λ，两侧温差为ΔT，则热流密度q=（）。A.λΔT/δB.δΔT/λC.λδ/ΔTD.ΔT/(λδ)6.下列哪种换热过程同时包含导热和对流两种基本传热方式？（）A.空气与管壁的换热B.太阳向地球的传热C.冰块在水中融化D.电炉丝的辐射散热7.理想气体定容过程中，热力学能变化Δu=（）。（cv为定容比热）A.cvΔTB.cpΔTC.RΔTD.08.对于逆流换热器，冷热流体的进出口温度分别为Th1、Th2和Tc1、Tc2（Th1>Tc1，Th2>Tc2），则对数平均温差ΔTm=（）。A.(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)B.(ΔT1+ΔT2)/2C.ΔT1-ΔT2D.(ΔT1×ΔT2)^0.59.卡诺循环的热效率仅取决于（）。A.循环中传递的热量B.高温热源和低温热源的温度C.工质的性质D.循环的做功能力10.下列关于对流换热系数的描述，错误的是（）。A.湍流流动的对流换热系数大于层流B.流体流速增加，对流换热系数增大C.液体的对流换热系数通常小于气体D.相变过程的对流换热系数远大于单相流动二、填空题（每空1分，共20分）1.热力学第一定律的数学表达式为__________（闭口系统，微元过程）。2.理想气体的比热容比γ=__________（用cp和cv表示）。3.水蒸气的饱和温度与饱和压力呈__________（正/负）相关关系。4.孤立系统的熵只能__________或保持不变，这是__________定律的体现。5.导热的基本定律是__________，其数学表达式为__________。6.对流换热的牛顿冷却公式为__________，其中h的单位是__________。7.黑体的辐射力遵循__________定律，表达式为__________。8.朗肯循环的四个基本过程是：定压吸热、__________、定压放热、__________。9.某理想气体的摩尔质量为M，气体常数Rg=__________（用通用气体常数R0表示）。10.增强传热的方法包括__________、__________和改变流体物性等。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述，并说明二者的等价性。2.什么是过冷度？在水蒸气的h-s图中，过冷水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽分别对应哪些区域？3.比较导热、对流和辐射三种传热方式的异同点。4.分析影响对流换热系数的主要因素，并举例说明工程中强化对流换热的常用措施。5.说明卡诺循环在热力学中的意义，并推导其热效率公式。四、计算题（共30分）1.（8分）1kg空气在活塞气缸中经历一个可逆定压加热过程，初始状态为p1=0.1MPa、T1=300K，终态温度T2=500K。已知空气的定压比热cp=1.005kJ/(kg·K)，气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)。求：（1）空气的初始体积v1和终态体积v2；（2）过程中空气吸收的热量Q；（3）过程中空气对外做的功W。2.（7分）某平壁厚度δ=0.3m，导热系数λ=1.5W/(m·K)，两侧表面温度分别为t1=300℃、t2=50℃。若平壁面积A=2m²，求：（1）平壁的热阻R；（2）通过平壁的热流量Φ；（3）平壁内距离高温侧0.1m处的温度t。3.（7分）某逆流换热器中，热水从90℃冷却到50℃，冷水从20℃加热到60℃。已知传热系数K=500W/(m²·K)，换热量Φ=100kW。求：（1）对数平均温差ΔTm；（2）换热器的传热面积A。4.（8分）某蒸汽动力循环采用朗肯循环，新蒸汽参数为p1=3MPa、t1=400℃，乏汽压力p2=0.005MPa。已知：新蒸汽焓h1=3230kJ/kg，乏汽焓h2=2160kJ/kg，凝结水焓h3=137kJ/kg，水泵出口水焓h4=140kJ/kg。求：（1）循环吸热量q1；（2）循环放热量q2；（3）汽轮机做功wT；（4）循环热效率η。答案一、选择题1.B2.A3.A4.A5.A6.A7.A8.A9.B10.C二、填空题1.δq=du+δw2.cp/cv3.正4.增加；热力学第二5.傅里叶定律；q=-λ(dt/dx)6.q=hΔt；W/(m²·K)7.斯特藩-玻尔兹曼；Eb=σT⁴（σ=5.67×10⁻⁸W/(m²·K⁴)）8.绝热膨胀；绝热压缩9.R0/M10.增加换热面积；提高对流换热系数（或增强流体扰动）三、简答题1.克劳修斯表述：“不可能将热量从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。”开尔文表述：“不可能从单一热源吸热并使之完全变为功而不引起其他变化。”二者等价性体现在：若违反克劳修斯表述则必违反开尔文表述，反之亦然。例如，假设存在违反克劳修斯的热机（无外界做功将热量从低温传至高温），可与热机联合运行，将高温热源放出的热量全部转化为功，违反开尔文表述。2.过冷度是指过冷水温度低于同压力下饱和温度的差值。h-s图中：过冷水位于饱和水线左侧（未饱和水区）；饱和水位于饱和水线；湿蒸汽位于饱和水线与饱和蒸汽线之间（湿蒸汽区）；干饱和蒸汽位于饱和蒸汽线；过热蒸汽位于饱和蒸汽线右侧（过热蒸汽区）。3.相同点：均为热量传递方式。不同点：导热是分子热运动引起的微观传递，无需介质流动；对流是流体宏观运动与分子热运动共同作用的结果，需流体参与；辐射是通过电磁波传递，无需介质，可在真空中进行。4.影响因素：流体流速（流速↑，h↑）、流体物性（如导热系数λ、比热容c、密度ρ、粘度μ）、流动状态（湍流h>层流）、换热表面形状（如肋片增强扰动）。工程措施：采用肋片增大换热面积；提高流体流速（如增加泵功率）；使用螺旋管增强流体扰动；选用导热系数大的流体（如水代替空气）。5.意义：卡诺循环是理想可逆循环，其热效率是相同温限下一切热机的最高效率，为实际循环的改进提供理论极限。推导：卡诺循环由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。吸热Q1=T1(S2-S1)，放热Q2=T2(S2-S1)，效率η=1-Q2/Q1=1-T2/T1（T1、T2为绝对温度）。四、计算题1.（1）v1=RgT1/p1=0.287×300/(0.1×10³)=0.861m³/kgv2=RgT2/p1=0.287×500/(0.1×10³)=1.435m³/kg（2）Q=mc(T2-T1)=1×1.005×(500-300)=201kJ（3）W=p(v2-v1)=0.1×10³×(1.435-0.861)=57.4kJ2.（1）R=δ/(λA)=0.3/(1.5×2)=0.1K/W（2）Φ=(t1-t2)/R=(300-50)/0.1=2500W（3）热流密度q=Φ/A=2500/2=1250W/m²由q=λ(t1-t)/x→t=t1-qx/λ=300-1250×0.1/1.5≈216.67℃3.（1）ΔT1=Th1-Tc2=90-60=30℃ΔT2=Th2-Tc1=50-20=30℃因ΔT1=ΔT2，ΔTm=ΔT1=30℃（或按公式