(2025年)大學《工程熱力學與傳熱學》期末課程考試試卷(含答案)一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.關(guān)于熱力學狀態(tài)參數(shù)的描述，正確的是（）A.熱量是狀態(tài)參數(shù)，溫度是過程量B.熵是狀態(tài)參數(shù)，功是過程量C.焓是過程量，內(nèi)能是狀態(tài)參數(shù)D.壓力是過程量，比體積是狀態(tài)參數(shù)2.某理想氣體經(jīng)歷絕熱自由膨脹過程，其溫度變化為（）A.升高B.降低C.不變D.無法確定3.卡諾循環(huán)的熱效率僅取決于（）A.工質(zhì)性質(zhì)B.循環(huán)吸熱量C.高溫熱源與低溫熱源的溫度D.循環(huán)功4.對于實際氣體的范德瓦爾斯方程，修正項考慮了（）A.分子間引力和體積B.分子運動速度和質(zhì)量C.分子碰撞頻率D.分子勢能與動能5.下列關(guān)于對流換熱的說法，錯誤的是（）A.自然對流的驅(qū)動力是密度差B.強制對流的換熱系數(shù)通常大于自然對流C.湍流對流的換熱系數(shù)小于層流對流D.流體相變時（如沸騰）換熱系數(shù)顯著增大6.穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時，通過平壁的熱流量與（）成正比A.壁面面積的平方B.壁面兩側(cè)溫差C.壁面厚度D.材料密度7.黑體的輻射力與熱力學溫度的（）次方成正比A.1B.2C.3D.48.某朗肯循環(huán)中，若提高汽輪機入口蒸汽的初溫，其他參數(shù)不變，則循環(huán)熱效率會（）A.升高B.降低C.不變D.先升后降9.下列哪種情況屬于復(fù)合換熱？（）A.暖氣片表面的對流換熱B.鍋爐爐膛內(nèi)火焰對水冷壁的輻射換熱C.冬季外墻上霜層的導(dǎo)熱D.室內(nèi)暖氣管表面同時發(fā)生對流和輻射換熱10.對于理想氣體的定容過程，其內(nèi)能變化Δu與溫度變化ΔT的關(guān)系為（）（c_v為定容比熱）A.Δu=c_vΔTB.Δu=c_pΔTC.Δu=RΔTD.Δu=0二、填空題（每空1分，共15分）1.熱力學第一定律的實質(zhì)是__________在熱現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)，其數(shù)學表達式（閉口系統(tǒng)）為__________。2.熵增原理指出，孤立系統(tǒng)的熵只能__________或保持不變，極限情況對應(yīng)__________過程。3.導(dǎo)熱微分方程的建立依據(jù)是__________和__________。4.對流換熱的牛頓冷卻公式為__________，其中h的單位是__________。5.黑體的輻射力公式為__________（寫出表達式），其中σ稱為__________。6.實際氣體的壓縮因子Z定義為__________，當Z>1時，說明實際氣體比理想氣體__________（填“易壓縮”或“難壓縮”）。7.蒸汽動力循環(huán)中，乏汽在冷凝器中經(jīng)歷的是__________過程（填“定壓”“定溫”或“定容”），該過程的主要熱量損失是__________。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述熱力學第二定律的克勞修斯表述和開爾文表述，并說明二者的等價性。2.比較導(dǎo)熱、對流、輻射三種傳熱方式的本質(zhì)區(qū)別。3.分析提高內(nèi)燃機循環(huán)（如奧托循環(huán)）熱效率的主要途徑。4.什么是臨界熱絕緣直徑？在工程中如何利用這一概念優(yōu)化管道保溫設(shè)計？5.說明影響對流換熱系數(shù)的主要因素（至少列出4項）。四、計算題（共35分）1.（12分）某閉口系統(tǒng)內(nèi)的空氣（視為理想氣體，R=0.287kJ/(kg·K)，c_p=1.005kJ/(kg·K)）經(jīng)歷一個可逆過程：從狀態(tài)1（p?=0.5MPa，T?=300K）膨脹到狀態(tài)2（p?=0.1MPa，T?=250K）。已知該過程中系統(tǒng)吸熱50kJ/kg，求：（1）該過程中空氣的比體積變化Δv（m3/kg）；（2）該過程中空氣對外做的功w（kJ/kg）；（3）該過程的熵變Δs（kJ/(kg·K)）。2.（13分）一厚度δ=50mm的平壁，兩側(cè)分別維持t?=300℃和t?=50℃，平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/(m·K)。若平壁面積A=2m2，求：（1）平壁的熱阻R（m2·K/W）；（2）通過平壁的熱流量Φ（W）；（3）若在平壁外側(cè)覆蓋一層厚度δ?=30mm、導(dǎo)熱系數(shù)λ?=0.1W/(m·K)的保溫層，其他條件不變，求此時的總熱阻R_total（m2·K/W）和熱流量Φ’（W）。3.（10分）某卡諾制冷機工作在溫度為T?=300K的高溫熱源和T?=260K的低溫熱源之間，若制冷量Q?=1000kJ/min，求：（1）制冷系數(shù)ε；（2）外界需輸入的功W（kJ/min）；（3）若實際制冷機的制冷系數(shù)為卡諾制冷機的60%，求此時的輸入功W’（kJ/min）。答案部分一、單項選擇題1.B2.C3.C4.A5.C6.B7.D8.A9.D10.A二、填空題1.能量守恒定律；Q=ΔU+W（或q=Δu+w）2.增加；可逆3.傅里葉定律；能量守恒定律4.q=hΔt；W/(m2·K)5.E_b=σT?；斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)6.Z=pV/(nRT)（或pυ/(RT)）；難壓縮7.定壓；潛熱三、簡答題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”；開爾文表述：“不可能從單一熱源吸熱并使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?。二者等價性體現(xiàn)在：若違反其中一種表述，必然違反另一種。例如，若存在違反克勞修斯表述的裝置（無代價傳熱），可與熱機結(jié)合形成違反開爾文表述的裝置（從單一熱源吸熱做功）。2.導(dǎo)熱：依靠分子、原子等微觀粒子熱運動傳遞熱量，發(fā)生在固體、液體或靜止氣體中；對流：流體宏觀運動（流動）與微觀熱運動共同作用的傳熱，僅發(fā)生在流體中；輻射：通過電磁波傳遞熱量，無需介質(zhì)，可在真空中進行。3.提高奧托循環(huán)熱效率的途徑：①提高壓縮比ε（η=1-1/ε^(k-1)），但受限于燃料抗爆性；②采用更高比熱容比k的工質(zhì)（如減少燃燒產(chǎn)物中的多原子氣體）；③優(yōu)化燃燒過程，使加熱過程更接近定容；④降低排氣溫度，減少熱量損失。4.臨界熱絕緣直徑d_c=2λ/h（λ為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，h為外側(cè)對流換熱系數(shù)）。當保溫層外徑小于d_c時，增加保溫層厚度會使總熱阻減小，散熱量增加；大于d_c時，保溫層起作用。工程中，若管道外徑小于d_c（如小直徑管道），需選擇λ/h較小的保溫材料，避免保溫層過薄反而增強散熱；若外徑大于d_c，則直接增加保溫層厚度即可。5.影響對流換熱系數(shù)的因素：①流體種類（如液體h>氣體）；②流體流動狀態(tài)（湍流h>層流）；③流體物理性質(zhì)（如導(dǎo)熱系數(shù)λ、動力黏度μ、比熱容c_p）；④換熱表面的幾何特征（形狀、尺寸、粗糙度）；⑤溫差（自然對流中溫差越大，h越大）。四、計算題1.（1）由理想氣體狀態(tài)方程υ=RT/p，υ?=0.287×300/0.5×103=0.1722m3/kg，υ?=0.287×250/0.1×103=0.7175m3/kg，Δv=υ?-υ?=0.7175-0.1722=0.5453m3/kg。（2）由熱力學第一定律q=Δu+w，Δu=c_v(T?-T?)，c_v=c_p-R=1.005-0.287=0.718kJ/(kg·K)，Δu=0.718×(250-300)=-35.9kJ/kg，w=q-Δu=50-(-35.9)=85.9kJ/kg。（3）熵變Δs=c_pln(T?/T?)-Rln(p?/p?)=1.005×ln(250/300)-0.287×ln(0.1/0.5)=1.005×(-0.1823)-0.287×(-1.6094)≈-0.1832+0.4619=0.2787kJ/(kg·K)。2.（1）平壁熱阻R=δ/(λA)=0.05/(45×2)=0.000556m2·K/W（或直接按單位面積熱阻計算，R=δ/λ=0.05/45≈0.00111m2·K/W，總熱阻需除以面積，但通常熱阻定義為總熱阻時，R=δ/(λA)，此處可能存在表述差異，按題中“熱阻”通常指單位面積熱阻，故R=δ/λ=0.05/45≈0.00111m2·K/W）。（2）熱流量Φ=(t?-t?)/(δ/λA)=(300-50)/(0.05/(45×2))=250×(90/0.05)=250×1800=450000W（或Φ=λA(t?-t?)/δ=45×2×250/0.05=45×2×5000=450000W）。（3）總熱阻R_total=δ/λ+δ?/λ?=0.05/45+0.03/0.1≈0.00111+0.3=0.30111