2025年熱工基礎(chǔ)試題+答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于熱力學(xué)系統(tǒng)的描述中，正確的是（）A.絕熱系統(tǒng)與外界無物質(zhì)交換但可能有能量交換B.孤立系統(tǒng)與外界既無物質(zhì)交換也無能量交換C.開口系統(tǒng)的質(zhì)量可以保持不變D.閉口系統(tǒng)的體積一定固定不變答案：B、C（解析：絕熱系統(tǒng)與外界無熱量交換但可能有功交換；開口系統(tǒng)若流入與流出質(zhì)量相等則總質(zhì)量不變；閉口系統(tǒng)體積可以變化，如氣缸內(nèi)氣體膨脹）2.以下屬于狀態(tài)參數(shù)的是（）A.熱量QB.功WC.熵SD.焓h答案：C、D（解析：熱量和功是過程量，熵和焓是狀態(tài)參數(shù)）3.理想氣體定溫過程中，下列關(guān)系正確的是（）A.Δu=0，Δh=0，Q=WB.Δu≠0，Δh=0，Q=WC.Δu=0，Δh≠0，Q>WD.Δu=Δh，Q=W答案：A（解析：理想氣體內(nèi)能和焓僅與溫度有關(guān)，定溫過程Δu=Δh=0；由熱力學(xué)第一定律Q=Δu+W=W）4.熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述主要針對（）A.熱功轉(zhuǎn)換的方向性B.熱量傳遞的方向性C.能量守恒的局限性D.熵增原理的普適性答案：B（解析：克勞修斯表述為“不可能將熱量從低溫物體傳至高溫物體而不引起其他變化”，強調(diào)熱量傳遞的方向性）5.某可逆循環(huán)的溫熵圖為矩形，高溫?zé)嵩礈囟萒1=500K，低溫?zé)嵩礈囟萒2=300K，則循環(huán)熱效率為（）A.20%B.40%C.60%D.80%答案：B（解析：卡諾循環(huán)效率η=1-T2/T1=1-300/500=40%，可逆循環(huán)在相同溫限間效率等于卡諾效率）6.下列關(guān)于熵的描述中，錯誤的是（）A.熵是狀態(tài)參數(shù)，與過程無關(guān)B.孤立系統(tǒng)的熵可以減小C.可逆過程的熵變等于熱量與溫度的比值積分D.不可逆過程的熵產(chǎn)一定大于0答案：B（解析：孤立系統(tǒng)熵增原理指出，孤立系統(tǒng)的熵只能增大或不變，不能減小）7.平壁導(dǎo)熱時，若材料導(dǎo)熱系數(shù)λ隨溫度升高而增大，則當(dāng)壁面兩側(cè)溫度差不變時，熱流密度q會（）A.增大B.減小C.不變D.無法確定答案：A（解析：導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻減小，熱流密度q=λΔT/δ增大）8.對流換熱中，努塞爾數(shù)Nu的物理意義是（）A.慣性力與粘性力之比B.導(dǎo)熱熱阻與對流熱阻之比C.浮升力與粘性力之比D.熱量傳遞與動量傳遞之比答案：B（解析：Nu=hδ/λ，δ/λ為導(dǎo)熱熱阻，1/h為對流熱阻，Nu反映對流換熱強度與導(dǎo)熱的相對大?。?.黑體的輻射力與熱力學(xué)溫度的（）次方成正比A.1B.2C.3D.4答案：D（解析：斯特藩-玻爾茲曼定律E_b=σT?）10.朗肯循環(huán)中，提高汽輪機入口蒸汽參數(shù)（壓力、溫度）會導(dǎo)致（）A.循環(huán)效率降低，乏汽干度降低B.循環(huán)效率提高，乏汽干度降低C.循環(huán)效率降低，乏汽干度提高D.循環(huán)效率提高，乏汽干度提高答案：B（解析：提高初壓或初溫，平均吸熱溫度升高，效率提高；但初壓過高會導(dǎo)致乏汽濕度增加，干度降低）二、填空題（每空1分，共10分）1.熱力學(xué)中，系統(tǒng)的基本狀態(tài)參數(shù)包括溫度、壓力和__________。答案：比體積2.理想氣體的比熱容比γ=__________（用定壓比熱容cp和定容比熱容cv表示）。答案：cp/cv3.可逆絕熱過程又稱為__________過程。答案：等熵4.卡諾循環(huán)由兩個可逆等溫過程和兩個可逆__________過程組成。答案：絕熱5.孤立系統(tǒng)的熵變等于系統(tǒng)內(nèi)部所有不可逆過程產(chǎn)生的__________。答案：熵產(chǎn)6.導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)基于__________定律和傅里葉定律。答案：能量守恒7.對流換熱的牛頓冷卻公式為__________。答案：q=h(Tw-Tf)8.黑體的輻射力E_b=__________（σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)）。答案：σT?9.水蒸氣的定壓發(fā)生過程分為預(yù)熱、汽化和__________三個階段。答案：過熱10.實際循環(huán)中，由于存在不可逆損失，循環(huán)熱效率總是__________相同溫限下的卡諾效率。答案：低于三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述熱力學(xué)第一定律和第二定律的區(qū)別與聯(lián)系。答案：熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象中的體現(xiàn)，指出能量轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系（ΔU=Q-W），但未涉及過程的方向性；第二定律則揭示了能量轉(zhuǎn)換的方向性和限度（如熱量不能自發(fā)從低溫傳向高溫，熱機效率不能達到100%）。二者共同構(gòu)成熱力學(xué)的基礎(chǔ)，第一定律是“量”的守恒，第二定律是“質(zhì)”的約束。2.說明理想氣體的假設(shè)條件及其在熱工分析中的意義。答案：理想氣體假設(shè)分子本身無體積、分子間無相互作用力。實際氣體在高溫低壓下（分子間距大，體積和作用力可忽略）可近似為理想氣體。其意義在于簡化熱力學(xué)分析，使內(nèi)能、焓僅為溫度的函數(shù)（u=u(T)，h=h(T)），狀態(tài)方程pV=mRT或pv=RT成立，便于計算熱力過程和循環(huán)。3.為什么說熵增原理是熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達？答案：熵增原理指出，孤立系統(tǒng)的熵只能增大或保持不變（ΔS孤立≥0），其中等號對應(yīng)可逆過程，大于號對應(yīng)不可逆過程。這直接反映了過程的方向性：不可逆過程總是朝著熵增大的方向進行，而可逆過程熵不變。因此，熵增原理從數(shù)學(xué)上定量描述了第二定律的核心——過程的不可逆性和方向性。4.比較導(dǎo)熱、對流和輻射三種傳熱方式的異同。答案：相同點：均為熱量傳遞方式，遵循能量守恒。不同點：（1）導(dǎo)熱是物體內(nèi)部或接觸物體間的分子熱運動傳遞，需介質(zhì)；（2）對流是流體宏觀運動與分子熱運動共同作用的結(jié)果，需流體流動；（3）輻射是通過電磁波傳遞，無需介質(zhì)。導(dǎo)熱和對流依賴物質(zhì)接觸，輻射可在真空中進行；輻射的能量傳遞與溫度四次方相關(guān)，而導(dǎo)熱和對流與溫度差一次方相關(guān)（牛頓冷卻公式）。5.分析提高蒸汽動力循環(huán)（朗肯循環(huán)）效率的主要途徑。答案：（1）提高初參數(shù)：提高汽輪機入口蒸汽的壓力（p1）和溫度（T1），可提高平均吸熱溫度，增大循環(huán)效率；（2）降低終參數(shù)：降低乏汽壓力（p2），即降低凝汽器溫度，增大循環(huán)溫差；（3）采用再熱循環(huán)：將高壓缸排出的蒸汽重新加熱至高溫再進入低壓缸，提高乏汽干度并增加平均吸熱溫度；（4）采用回?zé)嵫h(huán)：利用抽汽加熱凝結(jié)水，減少低溫區(qū)吸熱量，提高平均吸熱溫度。四、計算題（共40分）1.（8分）某閉口系統(tǒng)內(nèi)的空氣經(jīng)歷一個膨脹過程，初始狀態(tài)為p1=0.5MPa，V1=0.1m3，終態(tài)p2=0.1MPa，V2=0.5m3。已知過程中空氣吸收熱量Q=50kJ，空氣的氣體常數(shù)R=0.287kJ/(kg·K)，定容比熱容cv=0.718kJ/(kg·K)。求：（1）空氣的質(zhì)量m；（2）過程中內(nèi)能變化ΔU；（3）過程中對外做功W。解：（1）由理想氣體狀態(tài)方程p1V1=mRT1，但T1未知，需用質(zhì)量守恒。因閉口系統(tǒng)質(zhì)量不變，m=p1V1/(RT1)=p2V2/(RT2)，但本題求質(zhì)量可直接用初始狀態(tài)參數(shù)（任意狀態(tài)均可）。假設(shè)初始溫度T1，則m=p1V1/(RT1)，但題目未給T1，需換思路：理想氣體質(zhì)量m=p1V1/(RT1)，但過程中p、V變化，可通過pV=mRT求m。實際上，無論過程如何，m=p1V1/(RT1)=p2V2/(RT2)，但本題中Q=ΔU+W，ΔU=mcv(T2-T1)，W=∫pdV（需確定過程方程）。但題目未說明過程類型，可能假設(shè)為任意過程，直接用熱力學(xué)第一定律：Q=ΔU+W→W=Q-ΔU。但需先求m：由p1V1=mRT1，p2V2=mRT2→p1V1/p2V2=T1/T2→T2=T1(p2V2)/(p1V1)=T1(0.10.5)/(0.50.1)=T1(0.05/0.05)=T1→T2=T1，即該過程為定溫過程？但p1V1=0.50.1=0.05，p2V2=0.10.5=0.05，故pV=常數(shù)，確實是定溫過程（理想氣體定溫過程pV=常數(shù)）。因此，定溫過程ΔU=mcv(T2-T1)=0（因T2=T1），則W=Q-ΔU=50kJ。質(zhì)量m=p1V1/(RT1)，但定溫過程p1V1=p2V2=mRT1=mRT2，故m=p1V1/(RT1)，但T1未知，可用pV=mRT→m=p1V1/(RT1)，但定溫過程中pV=常數(shù)=mRT1，故m=p1V1/(RT1)，但需用已知量表達。實際上，理想氣體定溫過程的功W=mRT1ln(V2/V1)=p1V1ln(V2/V1)（因p1V1=mRT1）。計算W=p1V1ln(V2/V1)=0.5MPa0.1m3ln(0.5/0.1)=500kPa0.1m3ln5=50kPa·m31.6094=80.47kJ。但題目中Q=50kJ，與W=80.47kJ矛盾，說明假設(shè)過程為定溫錯誤。重新考慮：題目未說明過程類型，需用熱力學(xué)第一定律Q=ΔU+W，其中ΔU=mcv(T2-T1)，W=∫pdV。但缺少過程方程，可能題目隱含為任意過程，需通過質(zhì)量計算。由p1V1=mRT1，p2V2=mRT2→T2=(p2V2/p1V1)T1=(0.10.5/0.50.1)T1=T1，故T2=T1，說明無論過程如何，溫度不變（因pV乘積不變），故為定溫過程，ΔU=0。則W=Q-ΔU=50kJ（與之前矛盾，可能題目數(shù)據(jù)設(shè)置問題，或我誤解）。正確步驟應(yīng)為：（1）質(zhì)量m=p1V1/(RT1)，但無法直接求，需用pV=mRT，而過程中pV變化，但m不變，故m=p1V1/(RT1)=p2V2/(RT2)→T2=(p2V2/p1V1)T1=T1(0.10.5)/(0.50.1)=T1，故T2=T1，所以ΔT=0，ΔU=mcvΔT=0。（2）ΔU=0（3）由Q=ΔU+W→W=Q=50kJ但根據(jù)定溫過程功的計算，W=∫pdV=∫(mRT/V)dV=mRTln(V2/V1)=p1V1ln(V2/V1)=0.5e6Pa0.1m3ln(5)=5e41.6094=80470J=80.47kJ，與Q=50kJ矛盾，說明題目中過程為不可逆定溫過程，或數(shù)據(jù)設(shè)置問題?？赡茴}目假設(shè)為任意過程，直接按熱力學(xué)第一定律計算，故答案：（1）m=p1V1/(RT1)，但T1未知，題目可能遺漏條件，或默認用pV=mRT求m，假設(shè)T1=300K（任意值），則m=0.5e60.1/(0.287e3300)=5e4/(86.1)=580.7g≈0.581kg（但題目可能期望用pV乘積不變，m=p1V1/(RT1)=p2V2/(RT2)，故m可消去，實際本題可能數(shù)據(jù)有誤，正確解法應(yīng)為：因p1V1=0.5MPa0.1m3=50kPa·m3，p2V2=0.1MPa0.5m3=50kPa·m3，故pV=常數(shù)，為定溫過程，ΔU=0，W=Q=50kJ，質(zhì)量m=p1V1/(RT1)=50kPa·m3/(0.287kJ/(kg·K)T1)，但T1未知，題目可能忽略質(zhì)量計算，或我理解錯?？赡苷_答案：（1）m=p1V1/(RT1)，但無法確定，題目可能有誤，或假設(shè)過程為等壓或等容，但p和V都變，故可能題目intended為：由p1V1=mRT1，p2V2=mRT2→m=(p1V1)/(RT1)，但需另一個方程，可能題目數(shù)據(jù)錯誤，正確步驟應(yīng)跳過質(zhì)量計算，或題目實際要求：（1）m=p1V1/(RT1)，但無法求，可能題目中“空氣”的cv=0.718kJ/(kg·K)，R=0.287kJ/(kg·K)，故cp=cv+R=1.005kJ/(kg·K)，但仍無法求m，可能題目數(shù)據(jù)有誤，正確解法應(yīng)為：因ΔU=mcv(T2-T1)，而由pV=mRT，T2=(p2V2)/(mR)，T1=(p1V1)/(mR)，故ΔT=(p2V2-p1V1)/(mR)=(0.10.5-0.50.1)1e6/(m287)=(0.05-0.05)1e6/(m287)=0，故ΔT=0，ΔU=0，W=Q=50kJ，質(zhì)量m任意，可能題目中質(zhì)量計算為干擾項，實際答案：（1）m=p1V1/(RT1)（無法確定具體數(shù)值，可能題目遺漏T1）（2）ΔU=0kJ（3）W=50kJ（注：本題可能存在數(shù)據(jù)設(shè)置問題，正確定溫過程功應(yīng)為80.47kJ，但題目中Q=50kJ，可能為不可逆過程，熵產(chǎn)存在，故ΔU=Q-W=50-80.47=-30.47kJ，但與ΔT=0矛盾，因此更可能題目意圖為考察熱力學(xué)第一定律的直接應(yīng)用，忽略過程細節(jié)，故答案如上。）2.（8分）1kg空氣在氣缸中經(jīng)歷一個可逆絕熱膨脹過程，初始狀態(tài)p1=1MPa，T1=500K，終態(tài)p2=0.1MPa。已知空氣的比熱容比γ=1.4，氣體常數(shù)R=0.287kJ/(kg·K)。求：（1）終態(tài)溫度T2；（2）過程中對外做功W；（3）熵變Δs。解：（1）可逆絕熱過程（等熵過程），理想氣體溫度壓力關(guān)系為T2=T1(p2/p1)^[(γ-1)/γ]代入數(shù)據(jù)：T2=500K(0.1/1)^[(1.4-1)/1.4]=500(0.1)^(0.4/1.4)=500(0.1)^0.2857≈5000.517≈258.5K（2）絕熱過程Q=0，由熱力學(xué)第一定律Q=ΔU+W→W=-ΔU=-cv(T2-T1)cv=R/(γ-1)=0.287/(1.4-1)=0.7175kJ/(kg·K)W=-0.7175(258.5-500)=-0.7175(-241.5)=173.3kJ/kg（3）可逆絕熱過程熵變Δs=03.（8分）某蒸汽朗肯循環(huán)，鍋爐出口蒸汽參數(shù)為p1=10MPa，t1=500℃（h1=3373kJ/kg，s1=6.596kJ/(kg·K)），凝汽器壓力p2=0.005MPa（對應(yīng)的飽和溫度t2=32.9℃，h2'=137.8kJ/kg，h2''=2561.6kJ/kg，s2'=0.476kJ/(kg·K)，s2''=8.393kJ/(kg·K)）。汽輪機排汽為濕蒸汽，干度x2=0.9。求：（1）汽輪機做功wT；（2）凝結(jié)水在鍋爐中吸收的熱量q1；（3）循環(huán)熱效率η。解：（1）汽輪機入口焓h1=3373kJ/kg，排汽焓h2=h2'+x2(h2''-h2')=137.8+0.9(2561.6-137.8)=137.8+0.92423.8=137.8+2181.4=2319.2kJ/kg汽輪機做功wT=h1-h2=3373-2319.2=1053.8kJ/kg（2）鍋爐中吸收的熱量q1=h1-h3，其中h3為凝結(jié)水焓（p2下飽和水焓）h3=h2'=137.8kJ/kg故q1=3373-137.8=3235.2kJ/kg（3）循環(huán)凈功wnet=wT-wP（忽略泵功wP≈h3'-h3≈0，因水的壓縮性?。师?wnet/q1≈wT/q1=1053.8/3235.2≈32.6%4.（8分）一厚度δ=0.3m的平壁，兩側(cè)表面溫度分別為t1=300℃，t2=50℃，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.5+0.001t（t單位為℃，λ單位為W/(m·K)）。求：（1）平壁的熱流密度q；（2）平壁中心（x=0.15m）處的溫度t_m。解：（1）導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，需積分計算。熱流密度q=-(λ(t)dt/dx)，穩(wěn)態(tài)時q為常數(shù)，故∫(t1到t2)λ(t)dt=-q∫(0到δ)dxλ(t)=0.5+0.001t，積分左邊：∫(300到50)(0.5+0.001t)dt=[0.5t+0.0005t2]從300到50=(0.550+0.0005502)-(0.5300+0.00053002)