2026年四川大学工程热力学与传热学第五次测试试题及答案

2026年四川大学工程热力学与传热学第五次测试试题及答案一、单项选择题（每题3分，共30分）1.某刚性容器内装有一定量的未饱和水，加热后温度升高10℃，不考虑容器的热胀冷缩，该过程中水的热力学能变化为ΔU，焓变为ΔH，已知水的定压热容近似为常数，以下关系正确的是（）A.ΔU=0，ΔH>0B.ΔU>0，ΔH=ΔUC.ΔU>0，ΔH>ΔUD.ΔU>0，ΔH<ΔU2.卡诺循环中两个等温过程的吸热量为Q1，放热量为Q2，若保持高温热源温度T1不变，降低低温热源温度T2，保持放热量Q2不变，循环净功W，以下说法正确的是（）A.W增大，热效率η减小B.W增大，η增大C.W减小，η增大D.W减小，η减小3.空气经绝热节流，入口参数p1=2MPa，T1=300K，出口p2=0.1MPa，若将空气视为理想气体，节流过程中单位质量工质的㶲变化为（已知环境温度T0=300K，环境压力p0=0.1MPa，气体常数Rg=0.287kJ/(kg·K)）（）A.0kJ/kgB.-19.14kJ/kgC.-300kJ/kgD.19.14kJ/kg4.对于未饱和湿空气，干球温度t，湿球温度tw，露点温度td，三者大小关系正确的是（）A.t>tw>tdB.t>tw=tdC.t=tw>tdD.t>td>tw5.大空间稳态自然对流换热中，竖壁高度方向的平均表面传热系数h和竖壁高度H的关系，当流态为层流时，正确的是（）A.H增大，h增大B.H增大，h减小C.H增大，h不变D.关系不确定6.一维无内热源稳态常物性导热，平壁两侧温度分别维持t1>t2，当平壁材料的导热系数随温度升高而增大时，温度分布曲线的形状为（）A.上凸曲线B.下凸曲线C.直线D.阶梯形曲线7.纯蒸汽在竖管外膜状凝结，若竖管高度足够，从上到下凝结流态从层流逐步变为湍流，不考虑不凝气体的影响，该过程表面传热系数沿高度方向的变化规律是（）A.持续增大B.持续减小C.先减小后增大D.先增大后减小8.已知某漫灰表面对波长λ<3μm的光谱发射率ελ1=0.8，λ>3μm的光谱发射率ελ2=0.3，该表面温度为1000K，黑体温度T=1000K时，λT=3×1000=3000μm·K，对应黑体辐射函数Fb(0-λT)=0.27，该表面的全波长发射率为（）A.0.55B.0.435C.0.665D.0.1359.理想气体混合物中，组分i的摩尔分数为xi，总压力为p，总容积为V，以下关系满足道尔顿分压定律和阿马格分容定律的是（）A.pi=xip，Vi=xiVB.pi=p/xi，Vi=V/xiC.pi=xip，Vi=Vxi²D.pi=xi²p，Vi=xiV10.两个无限大平行固体表面之间进行辐射换热，加入一块无限大遮热板，若要使辐射换热量大幅降低，满足以下哪个条件时效果最明显（）A.遮热板的发射率εs远小于原两表面的发射率εB.遮热板的发射率εs远大于原两表面的发射率εC.遮热板的发射率εs等于原两表面的发射率εD.辐射换热量和遮热板的发射率无关二、多项选择题（每题4分，共20分，多选、少选、错选均不得分）1.热力学中，以下过程可以被近似视为可逆过程的是（）A.理想气体无摩擦的准静态定温膨胀过程B.实际水蒸气在大功率汽轮机中的膨胀做功过程C.传热温差趋近于零的热量传递过程D.暴露在空气中的常温常压水的自然蒸发过程2.对流换热过程中，影响平均表面传热系数大小的因素包括（）A.流体的流动速度和流动形态B.流体的导热系数、粘度等物性参数C.换热表面的形状、尺寸、摆放方式D.流体换热过程中是否发生相变3.关于㶲的基本性质，下列说法正确的是（）A.闭口系统的热力学能㶲仅由工质的当前状态和环境状态参数决定B.任何实际不可逆过程的总㶲损失都是正值C.可逆过程的总㶲损失为零D.相同数量的热量，传递温度越高，对应的热量㶲越大4.对于饱和水在大容器内的沸腾换热，下列哪些变化会使沸腾的临界热流密度增大（）A.提高沸腾的饱和压力B.增大饱和液体的表面张力C.提高饱和液体的汽化潜热D.降低饱和液体的密度5.关于热辐射的基本性质，下列说法错误的是（）A.黑体的光谱吸收比恒等于1，和入射辐射的波长无关B.灰体的全波长吸收比恒等于1，和入射辐射的温度无关C.任何实际物体的辐射力都可以表示为E=εσT⁴，其中ε为发射率D.同温度下，一切实际物体的辐射力都大于黑体的辐射力三、判断题（每题2分，共20分，正确填√，错误填×）1.闭口系统热力学第一定律表达式q=Δu+w中，w代表单位质量工质对外输出的所有形式的功，包含体积功、轴功等所有功的总和。（）2.定熵过程一定是绝热过程，绝热过程一定是定熵过程。（）3.所有温度高于绝对零度的物体，都会不断地向外界发射热辐射能。（）4.管内对流换热中，只要雷诺数Re大于2300，管内流动就一定是湍流流动。（）5.相同温度下，理想气体的摩尔定容热容随分子中原子数的增加而增大。（）6.傅里叶导热定律只适用于各向同性的连续介质。（）7.卡诺循环的热效率仅取决于两个热源的温度，和循环采用的工质性质无关。（）8.两个漫灰表面之间的角系数仅和表面的几何形状、尺寸、相对位置有关，和表面的发射率、温度无关。（）9.湿空气的相对湿度越大，其含湿量一定越大。（）10.导热系数和表面传热系数都是物质的固有物性参数，数值仅和物质本身性质有关。（）四、计算题（共80分）1.（15分）压气机将空气从环境状态p0=0.1MPa，T0=298K绝热压缩到出口状态p2=0.5MPa，测得出口温度T2=498K，将空气视为定比热容理想气体，已知cp=1.005kJ/(kg·K)，Rg=0.287kJ/(kg·K)，环境温度T0=298K，求压缩1kg空气过程中：（1）压气机消耗的轴功；（2）该压缩过程的㶲损失。2.（25分）厚度为δ=0.2m的大平壁，稳态无内热源，常物性，左侧被温度tf1=300℃的烟气冲刷对流加热，对流表面传热系数h1=50W/(m²·K)，右侧和温度tf2=30℃的空气对流换热，表面传热系数h2=10W/(m²·K)，平壁导热系数λ=2W/(m·K)，求：（1）稳态下单位面积平壁的热流密度q；（2）平壁左侧固体表面温度tw1和右侧固体表面温度tw2。3.（40分）两个无限大平行平板，表面温度分别为T1=800K，T2=300K，发射率分别为ε1=0.8，ε2=0.7，σ=5.67×10^-8W/(m²·K^4)，求：（1）无遮热板时，单位面积的辐射换热量q；（2）若在两板之间加入一块无限大平行遮热板，遮热板两侧表面的发射率均为εs=0.2，求加入遮热板后的单位面积辐射换热量q'；（3）求稳态下遮热板的平衡温度Ts。一、单项选择题1.答案：C解答：刚性容器体积不变，所以过程中体积功w=0，加热过程中q>0，根据热力学第一定律Δu=q-w>0，所以ΔU=mΔu>0。焓的定义式为h=u+pv，Δh=Δu+Δ(pv)=Δu+vΔp，加热后温度升高，刚性容器比体积v不变，压力升高Δp>0，因此vΔp>0，所以ΔH=mΔh=m(Δu+vΔp)=ΔU+mvΔp>ΔU，因此C正确。2.答案：B解答：卡诺循环热效率η=1-T2/T1，T1不变，T2降低，因此η增大；循环净功W=Q1-Q2，卡诺循环满足Q1/Q2=T1/T2，整理得Q1=Q2T1/T2，T2降低，Q1增大，因此W=Q1-Q2增大，所以W增大、η增大，B正确。3.答案：B解答：理想气体绝热节流过程焓不变，温度不变，所以出口温度T2=T1=300K，等于环境温度，单位质量焓㶲表达式为ex=h-h0-T0(s-s0)，过程前后Δh=0，所以Δex=-T0Δs，理想气体熵变Δs=cpln(T2/T1)-Rgln(p2/p1)=-Rgln(p2/p1)，代入得Δex=-T0(-Rgln(p2/p1))=RgT0ln(p2/p1)=0.287×300×ln(0.1/2)=86.1×(-2.9957)≈-19.14kJ/kg，因此B正确。4.答案：A解答：未饱和湿空气的干球温度是空气的实际温度，湿球温度是湿空气达到饱和时的温度，未饱和空气蒸发吸热，湿球温度低于干球温度；露点是湿空气在水汽分压不变的情况下冷却达到饱和时的温度，未饱和湿空气的露点低于湿球温度，因此大小关系为t>tw>td，A正确。5.答案：B解答：大空间层流自然对流的准则关联式为Nu=CRa^(1/4)，展开得Nu=hH/λ=C(GrPr)^(1/4)=C(βgΔtH³Pr/v²)^(1/4)，整理得h=Cλ(βgΔtPr/v²)^(1/4)H^(3/4)/H=C'H^(-1/4)，其中C'为和H无关的常数，因此H增大，h减小，B正确。6.答案：B解答：一维无内热源稳态导热，满足d/dx(λdt/dx)=0，所以λdt/dx=常数，两边对x求导得dλ/dxdt/dx+λd²t/dx²=0，整理得d²t/dx²=-(dλ/dt(dt/dx)^2)/λ，λ随温度升高而增大，即dλ/dt>0，dt/dx<0（因为x增大t从t1降低到t2），所以d²t/dx²>0，二阶导数为正，曲线下凸，因此B正确。7.答案：C解答：竖管外膜状凝结，层流阶段沿高度向下，液膜厚度逐渐增大，导热热阻增大，因此表面传热系数逐渐减小；当液膜增厚到一定程度，雷诺数超过临界值，流态变为湍流，湍流的扰动作用增强，对流换热强度增大，表面传热系数开始增大，因此沿高度方向h先减小后增大，C正确。8.答案：B解答：全波长发射率计算公式为ε=(∫0^∞ελEλbdλ)/Eb=ελ1Fb(0-λT)+ελ2(1-Fb(0-λT))，代入数值计算得ε=0.8×0.27+0.3×(1-0.27)=0.216+0.219=0.435，因此B正确。9.答案：A解答：根据道尔顿分压定律，理想气体混合物中组分i的分压力pi=xip，根据阿马格分容定律，分容积Vi=xiV，因此A正确。10.答案：A解答：遮热板的原理是增加辐射换热热阻，遮热板的发射率越小，总热阻越大，辐射换热的热流量越小，因此要使换热量大幅降低，需要遮热板的发射率远小于原表面的发射率，A正确。二、多项选择题1.答案：AC解答：可逆过程的定义是过程进行后体系和外界都能恢复到初始状态，无摩擦的准静态过程是可逆过程，无限小温差的传热过程是可逆传热过程，因此AC正确；汽轮机膨胀过程存在摩擦和不可逆损失，属于不可逆过程，自然蒸发过程存在压差推动，属于不可逆过程，因此BD错误。2.答案：ABCD解答：对流换热的影响因素包含五个核心方面：流动的起因和流动速度、流动形态、流体的物性参数、换热表面的几何参数、换热过程中是否发生相变，四个选项涵盖了所有核心影响因素，因此全选ABCD。3.答案：ABCD解答：㶲是体系相对于环境状态所能对外做的最大有用功，其数值仅由体系当前状态和环境状态参数决定，A正确；任何不可逆过程都会发生㶲的耗散，总㶲损失一定为正，可逆过程没有任何不可逆耗散，㶲损失为零，BC正确；热量㶲的表达式为Ex,Q=Q(1-T0/T)，Q不变时，传递温度T越高，Ex,Q越大，D正确，因此全选ABCD。4.答案：ABC解答：大容器饱和沸腾临界热流密度的公式为qmax=0.149rρv^(1/2)[σg(ρl-ρv)]^(1/4)，其中r为汽化潜热，σ为表面张力，ρl、ρv分别为饱和液和饱和汽的密度，提高饱和压力，ρv明显增大，r略有降低但整体qmax增大，A正确；σ增大、r增大都会直接使qmax增大，BC正确；降低ρl会使(ρl-ρv)减小，qmax降低，D错误，因此正确答案为ABC。5.答案：BCD解答：黑体的吸收比恒等于1，和波长无关，A正确；灰体的吸收比是小于1的常数，和波长无关，B错误；只有漫灰体的辐射力可以近似表示为E=εσT^4，发射率随温度变化大的实际物体不能直接使用该式，C错误；同温度下黑体的辐射力是所有物体中最大的，实际物体的辐射力都小于同温度黑体，D错误，因此错误选项为BCD。三、判断题1.答案：√解答：闭口系统热力学第一定律中w就是工质对外做的总功，包含所有形式的功，该表述正确。2.答案：×解答：定熵过程一定是可逆绝热过程，因此一定是绝热过程；但不可逆绝热过程熵产大于零，熵增大，不是定熵过程，因此该表述错误。3.答案：√解答：根据热辐射的基本规律，只要温度高于绝对零度，物体就会不断发射热辐射，该表述正确。4.答案：×解答：管内流动Re<2300为层流，2300<Re<10^4为过渡流，Re>10^4才是湍流，因此该表述错误。5.答案：√解答：气体的摩尔热容和分子自由度有关，分子中原子数越多，自由度越大，摩尔热容越大，该表述正确。6.答案：√解答：傅里叶定律的适用条件就是各向同性的连续介质，该表述正确。7.答案：√解答：卡诺循环热效率η=1-T2/T1，仅和两个热源温度有关，和工质性质无关，该表述正确。8.答案：√解答：角系数是纯几何量，仅和表面的几何参数有关，和本身的发射率、温度无关，该表述正确。9.答案：×解答：湿空气的含湿量d=0.622φps/(p-φps)，和温度（对应饱和蒸汽压ps）以及相对湿度φ都有关系，温度不同时，相对湿度大的含湿量不一定大，比如高温低相对湿度的空气，含湿量可能远大于低温高相对湿度的空气，因此该表述错误。10.答案：×解答：导热系数是物性参数，但表面传热系数不是物性参数，其数值和流动状态、几何参数、物性等多个因素有关，因此该表述错误。四、计算题1.解答：（1）绝热压气机的稳定流动能量方程为h1+ws=h2，ws是压气机消耗的轴功，因此单位质量轴功ws=h2-h1=cp(T2-T1)，代入数值T1=298K，T2=498K，得ws=1.005×(498-298)=1.005×200=201kJ/kg，即压缩1kg空气压气机消耗轴功201kJ。（2）根据㶲损失公式，㶲损失I=T0Sg，熵产Sg=Δs=s2-s1，过程绝热，熵产等于工质的熵变，熵变Δs=cpln(T2/T1)-Rgln(p2/p1)，代入数值计算得：ln(498/298)=ln(1.671)≈0.513，ln(0.5/0.1)=ln5≈1.6094，所以Δs=1.005×0.513-0.287×1.6094≈0.516-0.462≈0.054kJ/(kg·K)，因此㶲损失I=T0Sg=298×0.054≈16.09kJ/kg。2.解答：（1）稳态串联传热过程总热阻为对流热阻加导热热阻，单位面积总热阻Rtotal=1/h1+δ/λ+1/h2，代入数值计算得：1/50+0.2/2+1/10=0.02+0.1+0.1=0.22(m²·K)/W，热流密度q=(tf1-tf2)/Rtotal=(300-30)/0.22=270/0.22≈1227.27W/m²。（2）根据牛顿冷却公式，q=h1(tf1-tw1)，所以tw1=tf1-q/h1=300-1227.27/50≈300-24.55≈275.45℃；同理q=h2(tw2-tf2)，所以tw2=tf2+q/h2=30+1227.27/10=30+122.73≈152.73℃。3.解答：（1）无限大平行平板辐射换热量公式为q=σ(T1^4-T2^4)/(1/ε1+1/ε2-1)，代入数值计算：分母=1/0.8+1/0.7-1=1.25+1.4286-1=1.6786，分子=5.67×10^-8×(800^4-300^4)=5.67×10^-8×(409600000000-8100000000)=5.67×10^-8