2025年工程熱力學(xué)考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請(qǐng)將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在理想氣體可逆絕熱過程中，若比熱容比κ=1.4，則技術(shù)功與膨脹功之比為（）A.1.0??B.1.4??C.0.4??D.0.714答案：B解析：w_t/w=κ，故1.4。2.水蒸氣在汽輪機(jī)內(nèi)經(jīng)歷絕熱膨脹，若入口焓h?=3450kJ/kg，出口焓h?=2800kJ/kg，忽略動(dòng)能差，則單位質(zhì)量蒸汽對(duì)外做的技術(shù)功為（）A.650kJ/kg??B.2800kJ/kg??C.3450kJ/kg??D.6250kJ/kg答案：A解析：w_t=h??h?=650kJ/kg。3.對(duì)于理想氣體，下列狀態(tài)參數(shù)中哪一組滿足ds=c_pdT/T?Rdp/p（）A.溫度T與壓力p??B.溫度T與比容v??C.壓力p與比容v??D.焓h與熵s答案：A解析：該式為理想氣體熵變微分式，變量為T、p。4.卡諾熱泵工作在300K與400K兩熱源之間，其供熱系數(shù)COP_h為（）A.1.33??B.3.0??C.4.0??D.0.75答案：C解析：COP_h=T_h/(T_h?T_l)=400/100=4。5.濕空氣相對(duì)濕度φ=50%，溫度30℃，若飽和水蒸氣分壓力p_s=4.247kPa，則水蒸氣分壓力為（）A.8.494kPa??B.2.124kPa??C.4.247kPa??D.1.062kPa答案：B解析：p_v=φ·p_s=0.5×4.247=2.124kPa。6.理想氣體絕熱自由膨脹后，下列說法正確的是（）A.溫度升高??B.熵不變??C.熵增加??D.焓降低答案：C解析：絕熱不可逆，熵產(chǎn)>0，熵增加。7.水在1MPa下飽和液焓h_f=762.5kJ/kg，飽和汽焓h_g=2778kJ/kg，若某濕蒸汽干度x=0.8，則其焓值為（）A.2272kJ/kg??B.2015kJ/kg??C.2778kJ/kg??D.762.5kJ/kg答案：B解析：h=h_f+x(h_g?h_f)=762.5+0.8×2015.5=2015kJ/kg。8.理想氣體在閉口系統(tǒng)中經(jīng)歷定容加熱，則（）A.功為零，熱量等于內(nèi)能增加??B.功為負(fù)，熱量等于焓增加C.功為正，熱量等于內(nèi)能增加??D.功為零，熱量等于焓增加答案：A解析：定容過程W=0，Q=ΔU。9.提高朗肯循環(huán)熱效率最有效的措施是（）A.降低冷凝壓力??B.提高鍋爐壓力??C.提高過熱溫度??D.以上全部答案：D解析：三者均可提高循環(huán)平均吸熱溫度。10.若某系統(tǒng)完成一個(gè)循環(huán)后，與外界交換熱量Q_net=?100kJ，則該系統(tǒng)對(duì)外做功為（）A.100kJ??B.?100kJ??C.0??D.無法確定答案：B解析：循環(huán)ΔU=0，Q_net=W_net，故W_net=?100kJ。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列哪些過程在Ts圖上表現(xiàn)為水平線（）A.理想氣體定壓過程??B.飽和水定壓汽化??C.理想氣體定溫過程??D.飽和液定壓加熱答案：B、C解析：飽和區(qū)定壓汽化T不變；理想氣體定溫過程T不變，均為水平線。12.關(guān)于逆卡諾循環(huán)，下列說法正確的是（）A.可用于制冷??B.可用于供熱??C.性能系數(shù)與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)??D.性能系數(shù)僅與熱源溫度有關(guān)答案：A、B、C、D解析：逆卡諾循環(huán)是理想制冷/熱泵循環(huán)，COP僅與熱源溫度有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。13.下列哪些措施可降低燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)的排氣溫度（）A.提高壓氣機(jī)壓比??B.增加回?zé)崞餍??C.提高透平入口溫度??D.降低環(huán)境溫度答案：B、C解析：高效回?zé)崞髋c更高T_3均可使排氣溫度下降。14.理想氣體在噴管中可逆絕熱膨脹，下列參數(shù)一定減小的是（）A.壓力??B.溫度??C.比容??D.焓答案：A、B、D解析：膨脹過程p↓、T↓、h↓，v↑。15.水蒸氣hs圖上，下列哪些區(qū)域是單相區(qū)（）A.過冷液區(qū)??B.過熱蒸汽區(qū)??C.濕蒸汽區(qū)??D.臨界點(diǎn)以上區(qū)域答案：A、B、D解析：濕蒸汽區(qū)為兩相區(qū)。三、填空題（每空2分，共20分）16.理想氣體定壓比熱與定容比熱關(guān)系為c_p?c_v=________。答案：R17.某理想氣體κ=1.3，若其初始溫度300K，可逆絕熱壓縮至體積減半，則終溫為________K。答案：300×(2)^(0.3/1.3)=300×1.231=369.3K18.水在200kPa下飽和溫度為120.2℃，若某狀態(tài)下水溫為115℃，則其處于________液狀態(tài)。答案：過冷19.卡諾熱機(jī)效率為0.6，若低溫?zé)嵩礈囟葹?00K，則高溫?zé)嵩礈囟葹開_______K。答案：500K（η=1?T_L/T_H?T_H=T_L/(1?η)=200/0.4=500）20.濕空氣含濕量d=0.015kg/kg(干空氣)，則對(duì)應(yīng)水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為________kg/kg(濕空氣)。答案：0.015/(1+0.015)=0.0147821.理想氣體經(jīng)歷n=1.2的多變壓縮，若初始溫度300K，終溫400K，則壓縮比v?/v?=________。答案：(T?/T?)^{1/(n?1)}=(400/300)^{1/0.2}=1.333^5=4.2122.朗肯循環(huán)中，若汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率η_t=0.85，等熵焓降Δh_s=500kJ/kg，則實(shí)際焓降為________kJ/kg。答案：425kJ/kg23.理想氣體在閉口系統(tǒng)中由狀態(tài)1到狀態(tài)2，若Q=0，W=?200kJ，則ΔU=________kJ。答案：200kJ（Q=ΔU+W?ΔU=200）24.水蒸氣臨界壓力為________MPa。答案：22.06425.理想氣體可逆絕熱過程方程以溫度與壓力表示為T/p^{(κ?1)/κ}=________。答案：常數(shù)四、簡答題（共25分）26.（封閉型，6分）寫出穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程，并說明各項(xiàng)物理意義。答案：穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流能量方程：q?w_s=(h??h?)+1/2(c?2?c?2)+g(z??z?)各項(xiàng)意義：q——單位質(zhì)量工質(zhì)與外界交換的熱量；w_s——單位質(zhì)量工質(zhì)對(duì)外做的軸功；Δh——焓變，代表流動(dòng)功與內(nèi)能變化之和；Δc2/2——?jiǎng)幽茏兓?；gΔz——?jiǎng)菽茏兓?7.（開放型，7分）為什么實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)需采用回?zé)?？?qǐng)從熱力學(xué)角度分析其節(jié)能機(jī)理。答案：實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度高達(dá)400–500℃，高于壓氣機(jī)出口溫度。回?zé)崞骼酶邷嘏艢忸A(yù)熱壓縮空氣，使燃燒室入口溫度升高。結(jié)果：1.燃燒室需加入的熱量減少，平均吸熱溫度升高；2.排氣溫度降低，向環(huán)境放熱損失減少；3.循環(huán)熱效率η=1?T_L_avg/T_H_avg提高。熱力學(xué)本質(zhì)：熱量“內(nèi)部回收”，減少外部熱源與冷源之間溫差傳熱帶來的不可逆損失，從而降低熵產(chǎn)，提高第二定律效率。28.（封閉型，6分）簡述“干度”定義，并給出濕蒸汽區(qū)干度對(duì)焓值的影響公式。答案：干度x=干飽和蒸汽質(zhì)量/濕蒸汽總質(zhì)量。濕蒸汽焓h=h_f+x(h_g?h_f)，其中h_f為飽和液焓，h_g為飽和汽焓。x越大，h越接近h_g。29.（開放型，6分）解釋為何壓縮蒸氣制冷循環(huán)需采用節(jié)流閥而非膨脹機(jī)。答案：1.濕區(qū)膨脹：兩相區(qū)膨脹機(jī)體積流量大，膨脹機(jī)設(shè)計(jì)困難、成本高；2.濕度高導(dǎo)致液滴沖擊葉片，侵蝕嚴(yán)重；3.節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡單、可靠、成本低；4.雖然節(jié)流不可逆，熵產(chǎn)增加，但制冷量損失較小，綜合經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于膨脹機(jī)；5.小型裝置中，膨脹機(jī)回收的功有限，不足以抵消成本與維護(hù)費(fèi)用。五、計(jì)算與分析題（共70分）30.（綜合計(jì)算，15分）某理想氣體（R=0.287kJ/(kg·K)，κ=1.4）在閉口系統(tǒng)中由狀態(tài)1（p?=0.1MPa，T?=300K，V?=0.8m3）經(jīng)可逆絕熱壓縮至狀態(tài)2（V?=0.1m3）。求：(1)終態(tài)壓力p?、溫度T?；(2)過程功W；(3)熵變?chǔ)。答案：(1)p?=p?(V?/V?)^κ=0.1×(8)^1.4=1.839MPaT?=T?(V?/V?)^{κ?1}=300×8^0.4=300×2.297=689.1K(2)質(zhì)量m=p?V?/(RT?)=0.1×103×0.8/(0.287×300)=0.929kgW=?ΔU=?mc_v(T??T?)c_v=R/(κ?1)=0.287/0.4=0.7175kJ/(kg·K)W=?0.929×0.7175×(689.1?300)=?0.929×0.7175×389.1=?259kJ(3)可逆絕熱，ΔS=0。31.（朗肯循環(huán)，15分）某蒸汽動(dòng)力廠按理想朗肯循環(huán)運(yùn)行，參數(shù)如下：鍋爐出口p?=10MPa，t?=550℃；冷凝器p?=10kPa。忽略泵功。求：(1)汽輪機(jī)出口干度x?；(2)循環(huán)熱效率η；(3)若汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率η_t=0.85，求實(shí)際循環(huán)效率。答案：查表得：h?=3500kJ/kg，s?=6.756kJ/(kg·K)p?=10kPa：s_f=0.649kJ/(kg·K)，s_g=8.150kJ/(kg·K)，h_f=191.8kJ/kg，h_g=2584kJ/kg(1)s?=s?=6.756=s_f+x?(s_g?s_f)x?=(6.756?0.649)/(8.150?0.649)=6.107/7.501=0.814h?=h_f+x?(h_g?h_f)=191.8+0.814×2392.2=2138kJ/kg(2)忽略泵功，η=(h??h?)/(h??h_f)=(3500?2138)/(3500?191.8)=1362/3308.2=0.412（41.2%）(3)實(shí)際焓降η_t=0.85，h?′=h??η_t(h??h?)=3500?0.85×1362=2342kJ/kg實(shí)際效率η′=(h??h?′)/(h??h_f)=(3500?2342)/3308.2=1158/3308.2=0.350（35.0%）32.（制冷循環(huán)，12分）某壓縮蒸氣制冷循環(huán)用R134a，蒸發(fā)溫度?10℃，冷凝溫度40℃。壓縮機(jī)入口為干飽和蒸氣，出口焓h?=430kJ/kg，等熵效率η_c=0.8。求：(1)單位質(zhì)量制冷量q_L；(2)壓縮機(jī)單位耗功w_c；(3)制冷系數(shù)COP。答案：查R134a表：?10℃：h?=241.3kJ/kg，s?=0.925kJ/(kg·K)40℃飽和液h?=h?=106.2kJ/kg(1)q_L=h??h?=241.3?106.2=135.1kJ/kg(2)等熵壓縮至s?s=s?，查40℃對(duì)應(yīng)s=0.925，得h?s=410kJ/kgw_s=h?s?h?=168.7kJ/kg實(shí)際w_c=w_s/η_c=168.7/0.8=210.9kJ/kg(3)COP=q_L/w_c=135.1/210.9=0.6433.（濕空氣，13分）某空調(diào)系統(tǒng)將室外35℃、φ=60%的濕空氣冷卻去濕至20℃飽和狀態(tài)，風(fēng)量（干空氣）為2kg/s。求：(1)初始含濕量d?；(2)凝結(jié)水量?_w；(3)需移走的冷量Q?。答案：查飽和水蒸氣表：35℃p_s=5.628kPa，20℃p_s=2.339kPa(1)p_v1=0.6×5.628=3.377kPad?=0.622p_v1/(p?p_v1)=0.622×3.377/(101.3?3.377)=0.0215kg/kg(2)終態(tài)飽和，p_v2=2.339kPad?=0.622×2.339/(101.3?2.339)=0.0147kg/kg?_w=?_a(d??d?)=2×(0.0215?0.0147)=0.0136kg/s(3)查焓：h?=1.005×35+d?(2501+1.86×35)=35.18+0.0215×2566.1=90.36kJ/kgh?=1.005×20+d?(2501+1.86×20)=20.1+0.0147×2538.2=57.42kJ/kgQ?=?_a(h??h?)=2×(90.36?57.42)=65.88kW34.（綜合開放，15分）某工廠擬利用1kg/s、400℃、1MPa的煙氣（按空氣處理，c_p=1.05kJ/(kg·K)）余熱產(chǎn)生0.5MPa的飽和蒸汽。給水溫度50℃，忽略熱損失。求：(1)理論上可產(chǎn)蒸汽量?_s；(2)若采用逆流換熱器，煙氣出口溫度不得低于150℃，求實(shí)際?_s；(3)計(jì)算(2)工況下?效率（環(huán)境溫度25℃）。答案：(1)煙氣放熱Q?=?_gc_p(400?25)=1×1.05×375=393.8kW0.5MPa飽和蒸汽h_g=2748kJ/kg，飽和液h_f=640.1kJ/kg汽化潛熱r=h_g?h_f=2107.9kJ/kg理論?_s=Q?/r=393.8/2107.9=0.187kg/s(2)煙氣出口150℃，放熱Q?′=1×1.05×(400?150)=262.5kW實(shí)際?_s=262.5/2107.9=0.124kg/s(3)?計(jì)算：煙氣入口?流：ε_(tái)g=?_gc_p[(T?T?)?T?ln(T/T?)]=1×1.05×[(673?298)?298ln(673/298)]=1.05×[375?298×0.810]=1.05×133.6=140.3kW出口?流：ε_(tái)g′=1.05×[(423?298)?298ln(423/298)]=1.05×[125?298×0.346]=1.05×21.9=23.0kW?降Δε_(tái)g=140.3?23.0=117.3kW蒸汽?流：ε_(tái)s=?_s[(h_g?h?)?T?(s_g?s?)]查0.5MPa飽和蒸汽s_g=6.821kJ/(kg·K)，25℃水h?=104.8kJ/kg，s?=0.367kJ/(kg·K)ε_(tái)s=0.124[(2748?104.8)?298(6.821?0.367)]=0.124[2643.2?298×6.454]=0.124[2643.2?1923.3]=0.124×719.9=89.3kW?效率η_e=ε_(tái)s/Δε_(tái)g=89.3/117.3=0.762（76.2%）六、綜合分析題（共50分）35.（20分）某聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠由燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽朗肯循環(huán)組成。燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)：壓比π=18，T?=1450K，η_c=0.9，η_t=0.88，排氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生10MPa、550℃蒸汽，冷凝5kPa，汽輪機(jī)η_s=0.85。環(huán)境溫度15℃。求聯(lián)合循環(huán)理論總效率。答案：燃?xì)廨啓C(jī)部分：T?s=T?π^{(κ?1)/κ}=288×18^{0.4/1.4}=288×2.046=589.3KT?=T?+(T?s?T?)/η_c=288+(589.3?288)/0.9=288+334.8=622.8KT?s=T?/π^{(κ?1)/κ}=1450/2.046=708.7KT?=T??η_t(T??T?s)=1450?0.88×(1450?708.7)=1450?652.3=797.7K燃?xì)廨啓C(jī)凈功w_gt=c_p[(T??T?)?(T??T?)]=1.005×[(1450?797.7)?(622.8?288)]=1.005×[652.3?334.8]=1.005×317.5=319kJ/kg排氣熱量q_H2=c_p(T??T_stack)，設(shè)余熱鍋爐窄點(diǎn)ΔT=20K，可推算T_stack≈380K，q_H2=1.005×(797.7?380)=420kJ/kg蒸汽部分：利用余熱420kJ/kg，產(chǎn)生10MPa、550℃蒸汽，朗肯循環(huán)效率η_st≈0.42（同題31），蒸汽側(cè)功w_st=η_st×q_H2=0.42×420=176kJ/kg總功w_total=w_gt+w_st=319+176=495kJ/kg總熱輸入q_in=c_p(T??T?)=1.005×(1450?622.8)=830kJ/kg聯(lián)合循環(huán)效率η_cc=w_total/q_in=495/830=0.597（59.7%）36.（15分）某科研團(tuán)隊(duì)提出采用CO?跨臨界動(dòng)力循環(huán)回收工業(yè)余熱。請(qǐng)從熱力學(xué)角度分析其相對(duì)于傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)的優(yōu)勢(shì)與局限，并指出