2025年熱工基礎(chǔ)考試題(附參考答案解析)一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分）1.某理想氣體經(jīng)歷絕熱自由膨脹過(guò)程，其熱力學(xué)能變化Δu和熵變?chǔ)的正確關(guān)系是（）A.Δu>0，Δs=0B.Δu=0，Δs>0C.Δu<0，Δs<0D.Δu=0，Δs=02.對(duì)于實(shí)際氣體，當(dāng)壓力趨近于零時(shí)，其性質(zhì)趨近于理想氣體的原因是（）A.分子間勢(shì)能可忽略B.分子體積不可忽略C.分子間碰撞頻率降低D.分子熱運(yùn)動(dòng)速度增大3.下列關(guān)于對(duì)流換熱的描述中，錯(cuò)誤的是（）A.強(qiáng)制對(duì)流的換熱系數(shù)通常大于自然對(duì)流B.流體相變時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)一般較大C.湍流流動(dòng)的換熱系數(shù)小于層流流動(dòng)D.流體與壁面的溫差會(huì)影響對(duì)流換熱量4.某可逆循環(huán)的溫熵圖（T-s圖）為矩形，高溫?zé)嵩礈囟萒1=600K，低溫?zé)嵩礈囟萒2=300K，該循環(huán)的熱效率為（）A.25%B.50%C.75%D.100%5.水蒸氣在定壓加熱過(guò)程中，若其溫度從飽和溫度繼續(xù)升高，則其狀態(tài)變化為（）A.未飽和水→飽和水→濕蒸汽→干飽和蒸汽→過(guò)熱蒸汽B.飽和水→濕蒸汽→干飽和蒸汽→過(guò)熱蒸汽C.未飽和水→濕蒸汽→干飽和蒸汽→過(guò)熱蒸汽D.濕蒸汽→干飽和蒸汽→過(guò)熱蒸汽二、填空題（每空2分，共20分）1.熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是__________在熱現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)。2.理想氣體的比定容熱容cv與比定壓熱容cp的關(guān)系為_(kāi)_________（用符號(hào)表示）。3.卡諾定理指出，在相同溫度的高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩粗g工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率__________；不可逆循環(huán)的熱效率__________可逆循環(huán)的熱效率。4.導(dǎo)熱的基本定律是__________，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為_(kāi)_________。5.對(duì)于朗肯循環(huán)，提高蒸汽初參數(shù)（初壓、初溫）可__________循環(huán)熱效率；降低乏汽壓力可__________循環(huán)熱效率。6.熵產(chǎn)是過(guò)程__________的量度，熵產(chǎn)大于零的過(guò)程為_(kāi)_________過(guò)程。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）1.簡(jiǎn)述熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和開(kāi)爾文表述，并說(shuō)明兩者的等價(jià)性。2.分析影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，并舉例說(shuō)明工程中如何利用或抑制導(dǎo)熱。3.對(duì)比理想氣體的定容過(guò)程和定壓過(guò)程，說(shuō)明兩者在熱量計(jì)算、功量計(jì)算及熱力學(xué)能變化上的差異。四、計(jì)算題（共41分）1.（12分）1kg空氣在活塞式氣缸中經(jīng)歷定溫膨脹過(guò)程，初始狀態(tài)p1=0.5MPa、T1=300K，終態(tài)壓力p2=0.1MPa。已知空氣的氣體常數(shù)Rg=0.287kJ/(kg·K)，比熱容比κ=1.4。求：（1）膨脹過(guò)程中空氣對(duì)外做的功；（2）過(guò)程中吸收的熱量；（3）熵變?chǔ)。2.（15分）某蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，汽輪機(jī)入口蒸汽為p1=10MPa、t1=500℃的過(guò)熱蒸汽，乏汽壓力p2=0.005MPa（飽和壓力，對(duì)應(yīng)的飽和溫度t2=32.9℃，飽和水比焓h''=137.8kJ/kg，干飽和蒸汽比焓h'=2561.6kJ/kg）。若汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率ηri=0.85，求：（1）汽輪機(jī)入口蒸汽的比焓h1（已知p=10MPa、t=500℃時(shí)，h1=3373.7kJ/kg）；（2）理想情況下（可逆膨脹）汽輪機(jī)出口蒸汽的干度x0；（3）實(shí)際出口蒸汽的比焓h2；（4）每千克蒸汽在汽輪機(jī)中實(shí)際做功量。3.（14分）一臺(tái)逆流式換熱器用于加熱水，熱流體為油（cp=2.1kJ/(kg·K)），流量m1=2kg/s，入口溫度T1=150℃，出口溫度T2=80℃；冷流體為水（cp=4.18kJ/(kg·K)），入口溫度t1=20℃，出口溫度t2=60℃。求：（1）換熱器的換熱量Q；（2）水的質(zhì)量流量m2；（3）換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差Δtm（已知熱流體出口溫度T2=80℃，冷流體出口溫度t2=60℃，熱流體入口溫度T1=150℃，冷流體入口溫度t1=20℃）。參考答案及解析一、單項(xiàng)選擇題1.B解析：絕熱自由膨脹過(guò)程中，氣體向真空膨脹，不對(duì)外做功（W=0），絕熱過(guò)程Q=0，由熱力學(xué)第一定律Q=ΔU+W得ΔU=0，故Δu=0。該過(guò)程不可逆，熵產(chǎn)大于零，故Δs>0。2.A解析：理想氣體假設(shè)分子本身無(wú)體積、分子間無(wú)相互作用力（勢(shì)能為零）。實(shí)際氣體壓力趨近于零時(shí)，分子間距增大，分子間勢(shì)能可忽略，接近理想氣體。3.C解析：湍流流動(dòng)中流體微團(tuán)混合劇烈，換熱系數(shù)通常大于層流流動(dòng)，故C錯(cuò)誤。4.B解析：卡諾循環(huán)效率η=1-T2/T1=1-300/600=50%，矩形T-s圖對(duì)應(yīng)可逆循環(huán)，效率等于卡諾效率。5.B解析：定壓加熱時(shí)，若初始狀態(tài)為飽和水（已達(dá)到沸點(diǎn)），則依次經(jīng)歷濕蒸汽（汽水混合物）、干飽和蒸汽（不含水）、過(guò)熱蒸汽（溫度高于沸點(diǎn)）。二、填空題1.能量守恒定律2.cp=cv+Rg3.相等；小于4.傅里葉定律；q=-λ(?T/?n)5.提高；提高6.不可逆性；不可逆三、簡(jiǎn)答題1.克勞修斯表述：“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?！遍_(kāi)爾文表述：“不可能從單一熱源取熱，并使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓??！眱烧叩葍r(jià)性可通過(guò)反證法證明：若違反克勞修斯表述，則可構(gòu)造違反開(kāi)爾文表述的循環(huán)；反之亦然，說(shuō)明兩種表述本質(zhì)一致，均揭示了熱過(guò)程的方向性。2.影響導(dǎo)熱系數(shù)的因素：（1）物質(zhì)種類(lèi)：金屬>非金屬固體>液體>氣體（如銅λ≈401W/(m·K)，空氣λ≈0.026W/(m·K)）；（2）溫度：金屬導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高略有下降（電子運(yùn)動(dòng)受阻），非金屬固體和液體隨溫度升高增大（晶格振動(dòng)增強(qiáng)）；（3）結(jié)構(gòu)：多孔材料因孔隙中氣體導(dǎo)熱系數(shù)低，整體λ減小（如保溫棉）。工程應(yīng)用：利用金屬高導(dǎo)熱性制造換熱器（如銅制冷凝器）；利用多孔材料低導(dǎo)熱性制造保溫層（如建筑外墻的泡沫板）。3.定容過(guò)程與定壓過(guò)程對(duì)比：（1）熱量計(jì)算：定容過(guò)程q=cvΔT（無(wú)體積功，熱量全部用于熱力學(xué)能變化）；定壓過(guò)程q=cpΔT（部分熱量用于對(duì)外做功）。（2）功量計(jì)算：定容過(guò)程w=0（體積不變）；定壓過(guò)程w=pΔv=RgΔT（體積變化對(duì)外做功）。（3）熱力學(xué)能變化：兩者Δu均為cvΔT（熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，與過(guò)程無(wú)關(guān)）。四、計(jì)算題1.（1）定溫過(guò)程功量w=RgT1ln(p1/p2)=0.287×300×ln(0.5/0.1)=0.287×300×1.609≈138.5kJ/kg（2）定溫過(guò)程Δu=0，由熱力學(xué)第一定律Q=W=138.5kJ/kg（3）熵變?chǔ)=Rgln(p1/p2)=0.287×ln(5)=0.287×1.609≈0.462kJ/(kg·K)2.（1）已知h1=3373.7kJ/kg（題目直接給出）（2）理想膨脹為等熵過(guò)程s1=s2s。查p2=0.005MPa時(shí)，飽和水熵s''=0.4762kJ/(kg·K)，干飽和蒸汽熵s'=8.3930kJ/(kg·K)。s1=6.5966kJ/(kg·K)（需查過(guò)熱蒸汽表，假設(shè)題目隱含給出），則s1=s''+x0(s'-s'')，解得x0=(s1-s'')/(s'-s'')=(6.5966-0.4762)/(8.3930-0.4762)≈0.773（3）理想出口焓h2s=s''+(1-x0)h''+x0h'=137.8+(1-0.773)×0+0.773×2561.6≈137.8+1980.1≈2117.9kJ/kg（注：實(shí)際應(yīng)為h2s=h''+x0(h'-h'')=137.8+0.773×(2561.6-137.8)=137.8+0.773×2423.8≈137.8+1873.6≈2011.4kJ/kg，此處修正）實(shí)際出口焓h2=h1-ηri(h1-h2s)=3373.7-0.85×(3373.7-2011.4)=3373.7-0.85×1362.3≈3373.7-1157.9≈2215.8kJ/kg（4）實(shí)際做功w=h1-h2=3373.7-2215.8≈1157.9kJ/kg3.（1）換熱量Q=m1cp1(T1-T2)=2×2.1×(150-80)=2×2.1×70=294kW（2）Q=m2cp2(t2-t1)→m2=Q/[cp2(t2-