2025年考研能源與動力工程熱能工程試卷（含答案）考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.試用熱力學(xué)第一定律的解析式δQ=dU+pδV，說明在定壓過程中，系統(tǒng)吸收的熱量等于其內(nèi)能的增加與對外界所作的膨脹功之和。對于理想氣體的定壓加熱過程，此熱量又如何表示？2.一熱機在高溫?zé)嵩碩_H和低溫?zé)嵩碩_C之間工作，經(jīng)歷一個循環(huán)。若嘗試將該熱機的效率提高到η'，試從理論上分析提高效率可能采用的途徑有哪些？并簡要說明提高效率的極限是多少？3.什么是濕蒸汽？在P-V圖和T-S圖上如何表示濕蒸汽？濕蒸汽的干度有何物理意義？如何計算濕蒸汽的熱力性質(zhì)？二、4.空氣在恒定大氣壓下，從20°C被加熱到500°C。設(shè)空氣可視為理想氣體，比熱容為常數(shù)，試求此過程的比熱力學(xué)能變化量Δu和焓變化量Δh。已知空氣的定容比熱容c_v=0.718kJ/(kg·K)。5.有一絕熱剛性容器，用一隔板將其分為左右兩室。左室裝有1kg、0.5MPa、200°C的水蒸氣；右室裝有1kg、0.1MPa、30°C的空氣。現(xiàn)將隔板抽去，使水蒸氣和空氣混合達到平衡。忽略容器本身及隔板的質(zhì)量和體積，試求混合后的溫度和壓力。假設(shè)空氣可視為理想氣體，且過程可視為絕熱混合。三、6.分析影響傳熱過程傳熱系數(shù)K的主要因素有哪些？在工程實際中，針對不同的傳熱設(shè)備和傳熱過程，通常采用哪些方法來強化或削弱傳熱？7.簡述對流換熱的基本原理。影響對流換熱的因素有哪些？如何根據(jù)流動狀態(tài)和幾何條件判斷對流換熱是層流還是湍流？壁面熱粗糙度對對流換熱有何影響？四、8.有一單層平壁，厚度δ=0.1m，壁面兩側(cè)溫度分別為t_1=500°C和t_2=100°C。已知材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/(m·K)。試求通過該平壁的導(dǎo)熱熱流密度q_δ。若在壁面溫度t_2處增加一層厚度為δ'=0.05m、導(dǎo)熱系數(shù)λ'=25W/(m·K)的保溫層，試求此時通過單位面積的熱損失減小了百分之多少？9.什么是輻射換熱？黑體輻射有何特點？普朗克定律和斯蒂芬-玻爾茲曼定律分別描述了什么物理現(xiàn)象？五、10.燃料燃燒過程中，化學(xué)能最終轉(zhuǎn)化為熱能。簡述燃料完全燃燒所需具備的基本條件。燃燒過程中可能發(fā)生哪些不完全燃燒現(xiàn)象？簡要說明其原因及其對燃燒效率和排放的影響。11.簡述鍋爐的基本工作過程。鍋爐主要有哪些性能參數(shù)？試述影響鍋爐熱效率的主要因素。六、12.某理想朗肯循環(huán)，工質(zhì)為水，進入汽輪機前的蒸汽參數(shù)為3.5MPa、450°C，排汽為干飽和蒸汽。試求該循環(huán)的理論循環(huán)效率η_t。已知在給定條件下，水蒸氣的焓值h_f、h_g及對應(yīng)熵值s_f、s_g可查表獲得（此處略）。13.簡述離心式壓縮機的基本工作原理。與往復(fù)式壓縮機相比，離心式壓縮機有哪些主要優(yōu)缺點？七、14.在分析換熱器性能時，常用的評價指標(biāo)有哪些？試述傳熱平均溫差的概念及其計算方法。在什么情況下需要采用對數(shù)平均溫差？15.簡述燃氣輪機循環(huán)的基本工作過程。與朗肯循環(huán)相比，燃氣輪機循環(huán)有哪些主要特點？提高燃氣輪機循環(huán)效率的途徑有哪些？試卷答案一、1.在定壓過程中，壓強p保持不變，故d(pV)=pδV。熱力學(xué)第一定律解析式可寫為δQ=dU+d(pV)=dU+pδV。此式表明，系統(tǒng)在定壓過程中吸收的熱量，一部分用于增加系統(tǒng)的內(nèi)能，另一部分用于對外界作膨脹功。對于理想氣體，定壓比熱容c_p=c_v+R，故定壓加熱過程吸收的熱量Q=mc_p(T_2-T_1)=m(c_v(T_2-T_1))+mR(T_2-T_1)=mΔu+mRΔT=mΔu+RΔT=Δu+RΔT(因m=1)。其中Δu為內(nèi)能變化量，RΔT為對外所作的膨脹功。2.提高熱機效率η=1-Q_C/Q_H的途徑：①在保證輸出功W_0相同的情況下，從高溫?zé)嵩次崭俚臒崃縌_H（即提高熱機循環(huán)的熱效率，使Q_H=W_0/η'<W_0/η）；②向低溫?zé)嵩磁欧鸥俚臒崃縌_C（即降低排煙溫度或提高冷卻水溫度）；③減少循環(huán)中的各種損失（如摩擦損失、散熱損失等）。提高效率的極限是卡諾循環(huán)效率η_carnot=1-T_C/T_H，這是在給定的T_H和T_C條件下，熱機可能達到的最高效率。3.濕蒸汽是指含有飽和水蒸氣的蒸汽。在P-V圖上，濕蒸汽位于干飽和蒸汽線和飽和液體線之間；在T-S圖上，濕蒸汽位于干飽和蒸汽線和飽和液體線之間。濕蒸汽的干度x是指濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，或單位質(zhì)量濕蒸汽中干飽和蒸汽的質(zhì)量。其物理意義表示濕蒸汽偏離飽和液體狀態(tài)的程度，x=1為干飽和蒸汽，x=0為飽和液體。濕蒸汽的焓h=xh_g+(1-x)h_f，熵s=xs_g+(1-x)s_f，其中h_f、h_g、s_f、s_g分別為飽和液體的焓、熵和干飽和蒸汽的焓、熵。二、4.空氣視為理想氣體，內(nèi)能僅是溫度的函數(shù)，故Δu=c_v(T_2-T_1)=0.718kJ/(kg·K)×(500-20)K=313.24kJ/kg。焓變Δh=c_p(T_2-T_1)=(c_v+R)(T_2-T_1)=(0.718+0.287)kJ/(kg·K)×(500-20)K=405.36kJ/kg。(注：此處假設(shè)空氣比熱容為定值，實際計算中可能需要考慮溫度對比熱容的影響)。5.絕熱混合，系統(tǒng)總熵增ΔS=0。設(shè)混合后溫度為T，壓力為p。由質(zhì)量守恒和能量守恒，混合后水的質(zhì)量為m_w=1kg，空氣的質(zhì)量為m_a=1kg?；旌锨八魵忪蕿閔_1，空氣焓為h_2；混合后焓為h_m。由h_m=(m_wh_1+m_ah_2)/(m_w+m_a)，查表得h_1≈1645.5kJ/kg,h_2≈300.19kJ/kg。則h_m=(1×1645.5+1×300.19)/2=971.845kJ/kg?；旌虾鬄闈裾羝?，其溫度即為混合溫度T。查水蒸氣表，根據(jù)h_m=971.845kJ/kg，找到對應(yīng)的溫度T≈179.9°C。混合過程絕熱，系統(tǒng)總熵變?yōu)榱悖处=m_ws_w+m_as_a-(m_ws_w'+m_as_a')=0。查表得s_1≈6.7266kJ/(kg·K),s_2≈7.2899kJ/(kg·K)。設(shè)混合后濕蒸汽干度為x，則s_m=xs_2+(1-x)s_w'?；旌虾鬂裾羝麥囟葹門=179.9°C，查表得s_w'=1.8320kJ/(kg·K),s_g'=7.3594kJ/(kg·K)。聯(lián)立s_m=m_ws_w+m_as_a-(m_ws_w'+m_as_a')=0，即xs_g'+(1-x)s_w'=s_1+s_2-(s_w'+s_a')，代入數(shù)值解得x≈0.974?；旌虾髩毫可由T=179.9°C及干度x=0.974查濕蒸汽表獲得，p≈0.815MPa。三、6.影響傳熱系數(shù)K的因素：流體的性質(zhì)（密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等）、流體的流動狀態(tài)（層流或湍流）、流體的對流換熱方式、流體的相變情況（有無相變）、傳熱面的幾何形狀、尺寸和粗糙度、流體的流道幾何形狀和相對位置（如管內(nèi)流動、管外流動、叉排、順排等）、流體的物性隨溫度的變化、傳熱過程的表面狀況（清潔度、結(jié)垢等）。強化傳熱的方法：增大傳熱溫差、增大傳熱面積、提高傳熱系數(shù)K。具體措施如：增大流速、采用擾流元件、增加翅片、選擇合適的流道布置、改善表面光潔度、利用相變傳熱等。削弱傳熱的方法：減小傳熱溫差、減小傳熱面積、降低傳熱系數(shù)K。具體措施如：增加保溫層、選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料、減少表面輻射換熱等。7.對流換熱是指流體流過固體壁面時，由于流體與壁面之間存在溫度差，導(dǎo)致流體內(nèi)部發(fā)生宏觀流動，從而發(fā)生熱量傳遞的現(xiàn)象。影響因素：流體的物理性質(zhì)（密度、比熱容、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)）、流體的流態(tài)（層流或湍流）、流體與壁面的溫差、流體的流動狀態(tài)（強制對流或自然對流）、壁面的幾何形狀、尺寸和位置。判斷流動狀態(tài)依據(jù)雷諾數(shù)Re=pd/ν。通常Re<2300為層流，Re>10000為湍流，2300<Re<10000為過渡流。壁面熱粗糙度會影響近壁面流體的流動狀態(tài)和邊界層厚度，從而影響對流換熱的阻力。一般而言，在湍流情況下，適度的粗糙度可能增大對流換熱系數(shù)；在層流情況下，粗糙度影響較小，甚至可能減小對流換熱系數(shù)。四、8.導(dǎo)熱熱流密度q_δ=λ(t_1-t_2)/δ=45W/(m·K)×(500-100)°C/0.1m=18900W/m2。增加保溫層后，總厚度為δ_total=δ+δ'=0.1+0.05=0.15m。設(shè)保溫層外表面溫度為t'_2。根據(jù)串聯(lián)平壁導(dǎo)熱，Q_1/Q_2=(δ'/λ')/(δ/λ)。由于Q_1=Aq_δ，Q_2=Aq_δ'，故q_δ'/q_δ=(δλ')/(δ'λ)。代入數(shù)值，q_δ'/18900=(0.1×25)/(0.05×45)=10/22.5=2/4.5=4/9。q_δ'=(4/9)×18900=8400W/m2。熱損失減小量Δq=q_δ-q_δ'=18900-8400=10500W/m2。減小的百分比Δ(%)=(Δq/q_δ)×100%=(10500/18900)×100%≈55.56%。9.輻射換熱是指物體之間通過電磁波（主要是紅外線）的形式進行的熱量傳遞，不需要介質(zhì)。黑體是能完全吸收所有入射輻射能的理想化物體。黑體輻射的特點是：①單色輻射力在全波長范圍內(nèi)最大；②黑體的總輻射力與其絕對溫度的四次方成正比（斯蒂芬-玻爾茲曼定律）；③黑體的輻射光譜分布只與溫度有關(guān)（普朗克定律）。普朗克定律描述了在給定溫度下，黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律。斯蒂芬-玻爾茲曼定律描述了黑體總輻射能力與其溫度的關(guān)系。五、10.燃料完全燃燒需具備：①充足的助燃劑（通常是空氣中的氧氣）；②足夠的燃燒時間，使燃料與助燃劑充分混合接觸；③良好的燃燒溫度，維持燃燒過程持續(xù)進行。不完全燃燒是指燃料未能與助燃劑充分反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中存在CO、H_2、碳黑等未燃盡物質(zhì)。原因：氧氣供應(yīng)不足、燃燒溫度過低、燃燒時間過短、燃料與空氣混合不充分、燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理等。影響：降低了燃燒效率（化學(xué)能未能完全轉(zhuǎn)化為熱能），增加了煙氣量，可能產(chǎn)生毒害性氣體（CO），污染環(huán)境，并可能造成設(shè)備腐蝕。11.鍋爐基本工作過程：燃料在燃燒室（爐膛）中燃燒產(chǎn)生熱煙氣，熱量通過爐墻傳遞給水（水冷壁），水吸熱變成飽和蒸汽（過熱器進一步將飽和蒸汽加熱成過熱蒸汽），高溫高壓蒸汽經(jīng)汽輪機做功，做功后的乏汽在凝汽器中凝結(jié)成水，凝結(jié)水經(jīng)給水泵送回鍋爐重新加熱，構(gòu)成一個循環(huán)。鍋爐主要性能參數(shù)：①蒸發(fā)量（產(chǎn)汽量）；②蒸汽參數(shù)（壓力、溫度）；③熱效率；④燃料消耗量。影響鍋爐熱效率的主要因素：①鍋爐本身的制造水平，如受熱面吸熱效率、爐墻保溫性能等；②燃料特性；③燃燒過程組織是否良好；④汽水循環(huán)是否正常；⑤各個熱力過程的完善程度（如給水溫度、排煙溫度、蒸汽過熱度等）。六、12.朗肯循環(huán)由等壓膨脹（在汽輪機中）、絕熱膨脹（在汽輪機中）、等壓冷凝（在凝汽器中）、絕熱壓縮（在給水泵中）四個過程組成。根據(jù)題意，進入汽輪機的蒸汽為3.5MPa、450°C的過熱蒸汽，查表得h_1=3394.3kJ/kg,s_1=6.6865kJ/(kg·K)。絕熱膨脹至干飽和蒸汽，s_2=s_1=6.6865kJ/(kg·K)。查3.5MPa的濕蒸汽表，得x_2=(s_2-s_f')/(s_g'-s_f')=(6.6865-1.6717)/(7.7693-1.6717)≈0.759，p_2=3.5MPa。干飽和蒸汽焓h_g'=2784.3kJ/kg。由能量方程W_t=h_1-h_2=3394.3-2784.3=610kJ/kg。循環(huán)凈功W_0=W_t+W_p=610+v(T_2'-T_1')。查表得飽和壓力3.5MPa對應(yīng)的飽和溫度T_2'=175.43°C，飽和液體的比容v_f'=0.001157m3/kg。給水泵功W_p=v_f'(p_1-p_2)=0.001157×(10+3.5)=0.015kJ/kg(假設(shè)凝結(jié)水壓力為10kPa)。循環(huán)凈功W_0≈610+0.015=610.015kJ/kg。理論循環(huán)效率η_t=W_0/Q_H=W_0/(h_1-h_1')=610.015/(3394.3-504.7)=610.015/2889.6≈0.2112=21.12%。13.離心式壓縮機利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體做功，使氣體獲得能量，壓力升高?；竟ぷ髟恚簹怏w被吸入葉輪中心，隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下被甩向外緣，壓力升高，然后沿擴壓器流道進一步擴壓，能量進一步轉(zhuǎn)換為壓力能。優(yōu)點：流量范圍廣，可連續(xù)調(diào)節(jié)；結(jié)構(gòu)簡單，無易損件；運行可靠，維護方便；可自吸；可制造大型機組；啟動方便。缺點：效率通常低于往復(fù)式壓縮機（尤其在小流量時）；所需啟動功率較大；存在喘振現(xiàn)象（當(dāng)流量過小時）；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高；氣體壓力提高有限（受結(jié)構(gòu)限制）。七、14.分