工程热力学期末试题及答案

工程热力学期末试题及答案一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填在题后的括号内）1.在热力学中，系统与外界发生能量传递时，若仅由于温差引起的热量交换，且系统边界无宏观物质位移，则该能量传递形式称为（）。A.功B.热量C.动能D.势能2.下列参数中，属于状态参数的是（）。A.热量B.功C.熵D.过程量3.理想气体的比热容（）。A.仅是温度的函数B.是常数C.仅是压力的函数D.与温度和压力都有关4.热力学第一定律的实质是（）。A.能量守恒与转换定律B.热力学第二定律C.卡诺定理D.能量贬值原理5.工质进行一个不可逆过程后，其熵的变化量（）。A.一定大于零B.一定小于零C.一定等于零D.可能大于零，也可能小于零，取决于过程的具体方向6.卡诺循环的热效率仅取决于（）。A.工质的性质B.循环的类型C.高温热源和低温热源的温度D.循环所作的净功7.在压容图（p-v图）上，理想气体可逆绝热过程线的斜率（）。A.大于定温过程线斜率B.小于定温过程线斜率C.等于定温过程线斜率D.无法确定8.水蒸气的汽化潜热随着压力的升高而（）。A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小9.朗肯循环中，提高蒸汽初温，其他条件不变，循环热效率将（）。A.降低B.提高C.不变D.不确定10.湿空气的相对湿度定义为（）。A.湿空气中水蒸气的分压力与同温度下饱和水蒸气分压力之比B.湿空气中水蒸气的质量与干空气质量之比C.湿空气的温度与露点温度之差D.湿空气的含湿量11.压气机采用多级压缩和中间冷却的主要目的是（）。A.提高排气压力B.减小压气机尺寸C.节省压缩功并降低排气温度D.增加产气量12.某绝热刚性容器内充有理想气体，若通过搅拌器对气体输入功，则气体的温度将（）。A.升高B.降低C.不变D.无法确定13.热力学第二定律的开尔文表述指出（）。A.热量不能自发地从低温物体传向高温物体B.不可能制造出从单一热源吸热并使之全部转变为功而不留下其他任何变化的热机C.第一类永动机是不可能制造的D.熵增原理14.空气在喷管中进行可逆绝热膨胀流动，若进口流速可忽略不计，则出口流速主要取决于（）。A.进出口压力比B.进口温度C.喷管长度D.喷管材料15.某闭口系统经历一个循环过程，系统对外作净功10kJ，吸热20kJ，则该系统放热量为（）。A.10kJB.20kJC.30kJD.0kJ二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分。在每小题列出的五个备选项中有两个至五个是符合题目要求的，请将其代码填在题后的括号内。多选、少选、错选均不得分）1.下列关于平衡状态的描述，正确的有（）。A.系统的宏观性质不随时间改变B.系统内不存在不平衡势差C.平衡状态一定是稳定状态D.平衡状态下系统内的粒子是静止的E.只有在平衡状态下，状态参数才有确定的单一值2.理想气体的内能和焓具有以下特性（）。A.仅仅是温度的函数B.仅仅是压力的函数C.温度不变，内能和焓也不变D.在定温过程中，Δu=E.在绝热过程中，内能和焓的变化量等于功量3.提高朗肯循环热效率的途径包括（）。A.提高蒸汽的初压力B.提高蒸汽的初温度C.降低背压（冷凝器压力）D.采用再热循环E.降低蒸汽的初压力4.下列过程属于不可逆过程的有（）。A.机械能通过摩擦无条件地完全转化为热能的过程B.不同温度的液体混合过程C.气体在气缸内无摩擦的准静态膨胀过程D.热量从高温物体传向低温物体的过程E.节流过程5.湿空气中的水蒸气分压力取决于（）。A.湿空气的总压力B.湿空气的温度C.湿空气的含湿量D.湿空气的相对湿度E.大气压力三、填空题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。请在每小题的空格中填上正确答案）1.状态参数的数学特性是____________。2.1kg理想气体在定压下温度升高1K所吸收的热量称为____________。3.热力学第二定律的克劳修斯表述为：________________________。4.在临界状态下，液态和气态的____________完全相同。5.气体在喷管中流动，当背压大于临界压力时，应采用____________喷管。6.压缩因子Z的定义式为Z=，对于理想气体，Z7.某热机从热源吸收热量1000kJ，向冷源放出热量600kJ，该热机的热效率为____________%。8.闭口系统热力学第一定律的表达式为____________（以微元形式表示）。9.焓的定义式为____________。10.绝热节流过程的特征是____________保持不变。四、名词解释（本大题共5小题，每小题4分，共20分）1.可逆过程2.饱和状态3.湿空气的含湿量（比湿度）4.临界点5.㶲（有效能）五、简答题（本大题共3小题，每小题6分，共18分）1.简述热力学温标（绝对温标）是如何建立的，它与摄氏温标的换算关系是什么？2.试画出简单朗肯循环的装置流程图（示意图）及其在T-s图上的循环曲线，并说明各过程的主要设备。3.为什么理想气体的绝热指数κ（/）总是大于1？六、计算分析题（本大题共3小题，共47分）1.（15分）一个刚性容器（绝热）内有2kg空气，初始温度为300K，压力为0.1MPa。现通过搅拌器对容器内的空气输入功，直到空气温度升高到400K。假设空气为理想气体，比热容取定值，=0.718kJ/(kg·K)，R=0.287(1)求搅拌器对空气所作的功；(2)求过程中空气熵的变化量；(3)求过程中有效能（㶲）的损失。2.（16分）某燃气轮机装置采用定压加热理想循环（布雷顿循环）。工质视为理想空气，比热容取定值，=1.004kJ/(kg·K)，绝热指数κ=1.4。循环参数如下：压气机进口状态=300K，=(1)试计算循环中各点的温度（,,,）和压力（(2)计算压气机消耗的功、涡轮输出的功及循环净功；(3)计算循环的热效率。3.（16分）一蒸汽动力装置按朗肯循环工作。新蒸汽进入汽轮机的参数为：=4MPa，(1)试利用水蒸气热力性质表（或焓熵图），确定汽轮机进口状态1的焓和熵，以及冷凝器出口饱和水状态2的焓和熵（即状态3的参数）；(2)若过程1-2为可逆绝热膨胀，求汽轮机出口乏汽的干度和焓值；(3)计算循环的吸热量、放热量及汽轮机所作的比功；(4)计算循环热效率。（注：必要时可使用以下近似数据或查阅标准水蒸气表。本题需列出详细查表或计算逻辑。）参考数据点：4MPa,450°C:h≈3328kJ/kg,0.005MPa饱和水:≈137.8kJ/kg,≈0.005MPa饱和汽:≈2561kJ/kg,≈参考答案与解析一、单项选择题1.B解析：热量定义为仅由于温差引起的能量传递。功是由于除温差以外的其他势差（如压差）引起的能量传递。2.C解析：状态参数是描述系统状态特性的物理量，仅取决于状态，与过程无关。熵是状态参数。热量和功是过程量（路径函数）。3.A解析：理想气体的比热容是温度的单值函数。在工程计算中，若温度变化范围不大或精度要求不高，常取定值（常数），但从理论上讲它仅是温度的函数。4.A解析：热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。5.D解析：熵是状态参数，ΔS6.C解析：卡诺定理指出，所有工作于两个一定温度热源之间的热机，其热效率均相等，且仅取决于两个热源的温度，η=7.A解析：在p-v图上，定温线斜率为−n（对于定温n=1），绝热线斜率为−n（对于绝热n=8.B解析：随着压力升高，饱和温度升高，液态与气态的密度差减小，汽化潜热逐渐减小，直至临界点时变为零。9.B解析：提高初温，平均吸热温度升高，而放热温度不变，根据卡诺效率原理，循环热效率提高。同时也能改善乏汽干度。10.A解析：相对湿度φ=11.C解析：多级压缩和中间冷却可以省功，使压缩过程接近定温压缩，同时有效降低排气温度，保证润滑油和气缸安全。12.A解析：根据闭口系统热力学第一定律Q=ΔU+W。绝热Q=0，刚性容器容积不变W=013.B解析：开尔文表述针对的是热功转换，指出不可能从单一热源吸热使之全部变为功而不产生其他影响。14.A解析：在喷管绝热流动中，出口动能主要取决于进口焓和出口焓之差，这直接受压力比（膨胀程度）控制。15.A解析：循环∮dU=0。根据第一定律∮δQ=二、多项选择题1.A,B,C,E解析：平衡状态指系统在不受外界影响的条件下，宏观性质不随时间变化的状态。此时系统内无势差。平衡状态在宏观上是静止的，但微观粒子仍在运动。只有平衡态才有确定的状态参数。2.A,C,D解析：理想气体分子间无作用力，内能仅包含动能，故仅为温度函数。焓h=u+pv3.A,B,C,D解析：提高初参数（P,T）、降低背压、采用再热回热等均可提高朗肯循环效率。4.A,B,D,E解析：凡是有耗散效应、有限势差传递的过程均为不可逆。C是可逆过程。5.C,D解析：含湿量d=622，相对湿度φ=。给定含湿量d和总压力，可确定。给定相对湿度和温度（确定），可确定。三、填空题1.点函数（或其循环积分为零，全微分性质）2.定压比热容（）3.热量不能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体4.密度（或比体积，一切状态参数）5.渐缩解析：若背压大于临界压力，喷管内只能膨胀到亚音速，出口压力等于背压，采用渐缩喷管即可。6.17.40解析：η=8.dq=d9.h10.焓（h）四、名词解释1.可逆过程：系统完成某一热力过程后，如果能使系统和外界完全恢复到各自的初始状态，而不留下任何变化，则该过程称为可逆过程。它是无任何不可逆因素（如摩擦、温差传热等）的理想化过程。2.饱和状态：在气液两相共存时，液体和蒸汽处于动态平衡状态。此时气液两相具有相同的温度和压力，且该温度和压力存在一一对应关系。这种状态称为饱和状态。3.湿空气的含湿量（比湿度）：指在含有1kg干空气的湿空气中，所含有的水蒸气的质量，单位通常为kg/kg(干空气)或g/kg(干空气)。4.临界点：在纯物质的p-T相图上，气液两相共存曲线的最高点。在临界点，液态和气态的所有性质完全相同，汽化潜热为零，表面张力为零。5.㶲（有效能）：系统在给定的环境中，理论上能够转变为最大有用功的那部分能量。它代表了能量的“品质”或“作功潜力”。五、简答题1.答：热力学温标（绝对温标）是基于卡诺循环建立的。卡诺定理指出，工作于两个恒温热源之间的可逆热机，其热效率仅与热源温度有关，而与工质无关。即η=1=它与摄氏温标的换算关系为：T(2.答：（注：此处以文字描述代替图形绘制，实际考试需画图）朗肯循环装置流程图主要包括：锅炉、汽轮机、冷凝器、水泵。工质流程：水在锅炉中定压吸热变为过热蒸汽->过热蒸汽进入汽轮机绝热膨胀作功->乏汽进入冷凝器定压放热凝结为饱和水->水在水泵中被绝热压缩升压送回锅炉。T-s图上的循环曲线由四个过程组成：1-2：绝热膨胀过程（定熵线，垂直向下）；2-3：定压放热过程（在两相区内，向左下的水平线/定压线）；3-4：绝热压缩过程（定熵线，垂直向上，通常3、4点在饱和液线上很近）；4-1：定压吸热过程（从未饱和水加热到过热蒸汽，向右上的曲线）。3.答：对于理想气体，�焓h=对温度求微分：=+根据比热容定义：=，=。因此得到迈耶公式：=+因为气体常数R>0，所以绝热指数定义为κ=既然>，则κ>从物理意义上讲，定压加热时，系统吸热除用于增加内能升高温度外，还需对外作膨胀功，所以升高同样温度，定压过程吸热多于定容过程，故>。六、计算分析题1.解：(1)求搅拌器对空气所作的功取容器内空气为闭口系统。过程特点：刚性容器V=0(膨胀功为0)，绝热根据闭口系第一定律：Q其中W包含膨胀功和搅拌功（轴功）。此处膨胀功为0，故=。0=代入数据：=−符号为负表示外界（搅拌器）对系统作功。功的大小为143.6kJ。(2)求过程中空气熵的变化量理想气体熵变公式：Δ或Δ因是定容过程，=，故lnΔ代入数据：ΔS(3)求过程中有效能（㶲）的损失根据Gouy-Stodola定理（熵产与㶲损的关系）：不可逆过程的熵产=系统熵变Δ=环境熵变：过程绝热，与环境无热交换，Δ=故=0.413㶲损II=答：(1)搅拌功为143.6kJ；(2)熵变为0.413kJ/K；(3)㶲损为123.9kJ。2.解：(1)计算循环中各点的温度和压力状态1：=300过程1-2：绝热压缩。压力：=π温度：==300状态3：=1200过程2-3：定压加热。==过程3-4：绝热膨胀。压力：==温度：==1200(2)计算功量压气机消耗功（技术功，取绝对值）：=(涡轮输出功：=(循环净功：==(3)计算循环热效率吸热量：=(热效率：η=（或者用公式验证：η=答：(1)=579.3K,=1MPa,3.解：(1)确定状态参数状态1（新蒸汽）：=4查过热蒸汽表或由题目参考数据得：=3328=6.928状态2（冷凝器出口/泵入口）：=0.005查饱和水蒸气表或由参考数据得：====(2)求汽轮机出口乏汽状态