2026年《工程热力学》试题及标准答案

2026年《工程热力学》试题及标准答案一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分）1.下列关于热力系与状态参数的描述，正确的是（）A.开口系必然是可变容积热力系B.绝热体系指与外界无热量交换、也无功量交换的热力系C.孤立系的熵一定保持恒定不变D.只发生体积变化功的简单可压缩系，平衡状态下独立的状态参数数量为22.下列关于可逆过程与不可逆过程的说法，正确的是（）A.可逆过程一定是准静态过程B.不可逆过程一定不能在实际工程中发生C.有摩擦存在的绝热过程熵一定减小D.准静态过程一定是可逆过程3.理想气体发生可逆定温过程，下列关系正确的是（迈耶公式满足cp-cv=Rg）（）A.ΔH=ΔU≠0B.Q=WC.ΔU>0，ΔH<0D.W>0，ΔH>04.活塞式压气机采用分级压缩、级间冷却技术的主要获益是（）A.降低排气温度B.减少压缩过程总耗功C.提高压气机单位时间进气量D.以上三项都是5.下列措施中，无法提高朗肯循环热效率的是（）A.提高蒸汽初温B.提高蒸汽初压C.提高汽轮机排汽压力D.对蒸汽再热6.混合理想气体中组分i的分压力定义符合工程热力学规范的是（）A.组分i单独占据混合气体总体积时，在混合气体温度下产生的压力B.混合气体总压力乘以组分i的质量分数C.组分i在混合气体温度和总体积下所具有的压力D.A和C的描述都正确7.湿空气保持温度不变，对其进行等温压缩提高总压，其露点温度会发生哪种变化（）A.升高B.降低C.保持不变D.先升高后降低8.关于实际气体热力学能的描述，正确的是（）A.仅与温度有关，与比体积无关B.不仅与温度有关，还与比体积、压力有关C.定温条件下实际气体比体积增大，热力学能一定减小D.定温条件下实际气体压力增大，热力学能一定不变9.根据卡诺定理，工作在两个恒温热源之间的可逆热机，热效率与下列哪个因素有关（）A.仅与两个热源的温度有关B.仅与所用工质的性质有关C.仅与循环输出净功大小有关D.与热源温度和工质性质都有关10.渐缩喷管出口流速恰好达到音速的条件是（）A.滞止压力大于背压，且总压比大于临界压比B.滞止压力大于等于背压，且压比等于临界压比C.背压小于等于进口对应临界压力D.背压大于进口对应临界压力二、多项选择题（本大题共5小题，每小题3分，共15分）1.下列物理量中，属于过程量的是（）A.交换的热量B.容积变化功C.热力学能D.焓2.蒸汽朗肯循环中采用再热工艺的主要作用包括（）A.提高循环平均吸热温度B.降低汽轮机排汽湿度C.可提高循环整体热效率D.降低给水泵耗功3.下列过程中，会导致孤立系统总熵增加的是（）A.自然界的自发过程B.高低温物体间的不可逆传热C.理想气体可逆绝热膨胀D.绝热容器内理想气体向真空自由膨胀4.理想气体绝热自由膨胀过程，满足下列哪些关系（）A.对外做功W=0B.与外界换热量Q=0C.过程热力学能变化ΔU=0D.膨胀前后温度不变5.下列过程中，属于非自发过程的是（）A.无外部功输入条件下热量从低温物体传向高温物体B.刚性容器内摩擦功全部转化为热量使工质升温C.绝热容器内理想气体自由膨胀D.常温常压下氮气和氢气自发合成氨三、判断题（本大题共10小题，每小题1分，共10分）1.热力系达到平衡状态后，热力系内部任何位置的温度和压力都必然处处相等。2.所有可逆过程都是定熵过程。3.理想气体混合物的总热力学能等于各个组分单独存在于混合气体温度、总体积条件下的热力学能之和。4.常规蒸汽朗肯循环中，给水泵的耗功远小于汽轮机的输出功，工程分析中可以忽略不计。5.范德瓦尔方程对理想气体状态方程做了分子体积和分子间作用力两项修正，因此可以精确描述所有实际气体的热力状态。6.湿空气的相对湿度越高，其含湿量必然越大。7.卡诺定理指出，所有工作在两个相同温度恒温热源之间的热机，热效率都相等。8.定容过程中，工质吸收的热量等于其热力学能的变化量，说明热量是状态参数。9.活塞式压气机的余隙容积会减少压气机单位转速的进气量，同时增大单位质量压缩空气的理论耗功。10.孤立系统熵增原理说明任何过程的熵都只能增加，不能减少。四、简答题（本大题共3小题，每小题5分，共15分）1.写出热力学第二定律的开尔文表述和克劳修斯表述，并用孤立系统熵增原理解释第二类永动机不可能实现的原因。2.什么是湿蒸汽的干度？为什么湿蒸汽的状态只需要知道压力（或温度）和干度就可以完全确定？3.涡轮增压柴油机提高进气压力后，相同循环喷油量下，循环净功和热效率会如何变化？结合工程热力学基本原理解释原因。五、计算题（本大题共2小题，每小题20分，共40分）1.刚性绝热容器容积为2m³，初始容器内有p1=0.1MPa、t1=27℃的空气，现有来自输气管的p0=1MPa、t0=27℃的压缩空气缓慢流入容器，直至容器内压力达到p2=1MPa，空气按理想气体处理，cv=0.718kJ/(kg·K)，cp=1.005kJ/(kg·K)，Rg=0.287kJ/(kg·K)，求：（1）流入容器的空气质量；（2）过程中容器内空气的熵变。2.某朗肯循环，新蒸汽进入汽轮机的参数为p1=16MPa，t1=550℃，焓h1=3438kJ/kg，排汽压力p2=5kPa，对应饱和水焓h2'=137.77kJ/kg，排汽焓h2=2250kJ/kg，水泵功忽略不计，求：（1）循环输出的净功；（2）循环的热效率；（3）若将该循环改为抽汽回热，回热抽汽压力为1MPa，抽汽焓为2950kJ/kg，抽汽加热给水到1MPa对应的饱和水焓h_w=762.6kJ/kg，计算抽汽率和改完回热后的循环热效率，说明热效率变化的原因。单项选择题答案：1.D2.A3.B4.D5.C6.D7.A8.B9.A10.C解析：1题：开口系可以是定容积刚性容器，如定容积充气过程，A错误；绝热系仅要求与外界无热量交换，可发生功量交换，B错误；孤立系统内发生不可逆过程熵会增加，只有可逆过程熵不变，C错误；简单可压缩系只有一种准静态功即容积变化功，根据状态公理，平衡状态下独立状态参数数量为2，D正确。2题：可逆过程的定义是准静态过程且无任何耗散效应，因此可逆过程一定是准静态过程，A正确；不可逆过程是实际工程中所有过程都具备的属性，所有实际过程都是不可逆过程，B错误；有摩擦的绝热过程熵产大于零，总熵增加，C错误；准静态过程只有无耗散才是可逆过程，有耗散的准静态过程是不可逆过程，D错误。3题：理想气体的热力学能和焓都仅为温度的函数，定温过程ΔU=0，ΔH=0，根据热力学第一定律Q=ΔU+W，因此Q=W，B正确。4题：分级压缩级间冷却可以降低每一级压缩终温，避免排气温度过高，同时压缩过程更接近定温压缩，减少总耗功，此外容积效率随进气压力降低提升，因此三项都是获益，D正确。5题：提高排汽压力会提高放热温度，减少循环温差，降低热效率，因此选C。6题：分压力的定义就是组分i在混合气体温度和总体积下的压力，两种描述一致，因此D正确。7题：等温压缩过程中，湿空气中水蒸气含量不变，总压升高，水蒸气分压升高，露点是对应水蒸气分压的饱和温度，分压越高饱和温度越高，因此露点升高，A正确。8题：实际气体分子间存在相互作用力，分子本身也有体积，因此热力学能不仅和温度有关，还和比体积、压力有关，B正确；对于大多数实际气体，定温下比体积增大分子间距增大，分子间引力做负功，热力学能增加，因此C错误。9题：卡诺定理指出可逆卡诺循环热效率仅与高低温热源温度有关，和工质性质无关，因此A正确。10题：渐缩喷管出口最大压力只能降到临界压力，当背压小于等于临界压力时，出口压力等于临界压力，流速等于当地音速，因此C正确。多项选择题答案：1.AB2.ABC3.ABD4.ABCD5.AD解析：1题：热量和功都是过程量，热力学能和焓是状态参数，因此选AB。2题：再热过程可以降低排汽湿度，避免汽轮机叶片侵蚀，合理选择再热压力可以提高平均吸热温度，提升循环热效率，对给水泵耗功无影响，因此选ABC。3题：可逆绝热过程孤立系统熵不变，自发过程、不可逆传热、自由膨胀都是不可逆过程，孤立系统熵增加，因此选ABD。4题：理想气体绝热自由膨胀，不对外做功，和外界无热交换，ΔU=0，理想气体内能仅与温度有关，因此温度不变，四项都正确，选ABCD。5题：功自发转化为热量、自由膨胀都是自发过程，低温传向高温、常温常压合成氨都是非自发，需要外界做功输入能量才能发生，因此选AD。判断题答案：1.（×）2.（×）3.（√）4.（√）5.（×）6.（×）7.（×）8.（×）9.（×）10.（×）解析：1.存在外力场如重力场的平衡状态下，压力随高度变化，仍然是平衡状态，因此错误。2.可逆吸热或放热过程熵会变化，只有可逆绝热过程才是定熵过程，因此错误。3.理想气体分子间无相互作用力，总内能可加，因此正确。4.朗肯循环中，水的比体积远小于蒸汽，水泵耗功只有汽轮机输出功的1%左右，因此可以忽略，正确。5.范德瓦尔方程是半经验的近似修正，无法精确描述所有实际气体，尤其接近临界状态时误差较大，因此错误。6.温度不同时，相对湿度高的含湿量不一定高，如10℃相对湿度90%的含湿量远低于30℃相对湿度50%的含湿量，因此错误。7.只有可逆热机的热效率才相等，不可逆热机效率低于可逆热机，因此错误。8.仅定容过程热量等于内能变化量，热量是过程交换的能量，和过程有关，是过程量，因此错误。9.余隙容积减少单位转速进气量，但是单位质量压缩空气的理论耗功不变，因此错误。10.孤立系统总熵不减少，局部区域（非孤立）的熵可以减少，因此错误。简答题答案：1.开尔文表述：不可能从单一热源取热，使之完全变为功，而不产生其他变化。克劳修斯表述：不可能将热量从低温物体传送到高温物体，而不引起其他变化。第二类永动机指可以从单一热源取热，将热量全部转化为功，不产生其他变化的循环热机，若第二类永动机实现，整个孤立系统（单一热源+热机）中，热机完成一个循环后本身状态不变熵不变，热源放出热量ΔQ，温度为T，热源熵变为-ΔQ/T，整个孤立系统总熵变为-ΔQ/T<0，违反孤立系统熵增原理，因此第二类永动机不可能制造成功。2.湿蒸汽是饱和水和饱和蒸汽均匀混合形成的两相混合物，干度指湿蒸汽中干饱和蒸汽的质量占湿蒸汽总质量的比例，表达式为x=m_v/(m_v+m_l)，其中m_v是饱和蒸汽质量，m_l是饱和水质量。因为饱和状态下，湿蒸汽的温度和压力一一对应，只要确定了压力或温度，就可以确定饱和水和干饱和蒸汽各自的状态参数（如焓、熵、比体积），而湿蒸汽的任意状态参数都可以表示为h=xh''+(1-x)h'，因此只要再确定干度x，就可以计算出湿蒸汽的所有状态参数，完全确定湿蒸汽的状态。3.增压后相同喷油量下，循环净功会增加，循环热效率也会提升。原因：相同气缸容积下，进气压力升高，进入气缸的空气质量增加，相同喷油量下过量空气系数增大，燃油燃烧更充分，指示热效率提升；同时，压缩始点压力升高，压缩终温压缩终压都升高，内燃机定容加热循环的平均吸热温度升高，压缩比不变的情况下，热效率随平均吸热温度升高而提升；此外，涡轮增压的内燃机回收排气能量驱动压气机，额外输入的机械功很少，进气压力升高后泵气功由负变正，泵气功的增加直接提升了净功输出，因此相同喷油量下净功和热效率都会升高。计算题答案：1.解：（1）该过程为开口系充气过程，取容器内部空间为热力系，充气过程能量方程为：h0dm_in=dU，积分得m2u2-m1u1=h0(m2-m1)。初始状态容器内空气质量m1=p1V/(RgT1)，代入数值：p1=0.1×10^6Pa，V=2m³，Rg=287J/(kg·K)，T1=27+273=300K，计算得m1=(0.1×10^6×2)/(287×300)≈2.33kg。理想气体u=cvT，h0=cpT0，T0=300K，u1=cvT1=0.718×300=215.4kJ/kg，h0=cpT0=1.005×300=301.5kJ/kg，代入能量方程得：cvT2m2-215.4×2.33=301.5(m2-2.33)，又因为终态m2=p2V/(RgT2)，p2=1×10^6Pa，cp-cv=Rg，代入化简可得T2≈403.8K，即130.8℃，终态质量m2=(1×10^6×2)/(287×403.8)≈17.24kg，流入空气质量Δm=m2-m1≈17.24-2.33=14.91kg。（2）容器内空气熵变ΔS=m2s2-m1s1，熵的变化公式为s=cplnT-Rglnp+s0，因此ΔS=m2(cplnT2-Rglnp2)-m1(cplnT1-Rglnp1)，代入数值计算得：ΔS≈17.24×(1.005×ln403.8-0.287×ln10^6)-2.33×(1.005×ln300-0.287×ln10^5)≈89.1kJ/K，熵变为正，符合不可逆充气过程的熵增规律。2.解：（1）朗肯循环吸热量q1=h1-h2'≈3438-137.