3个热力学题目.doc

1 请解释节流过程的物理实质。2. 空气输气主管上通过阀门接一包有绝热材料的刚性容器，输气管可看成为一个容量极大的气源，其参数为、。该刚性容器内装有空气，其参数为、，且满足。开启阀门，气体迅速充入容器，试计算对应充气终了压力（）时的充气终了温度及充气量，并对充气前后容器内气体温度的变化进行分析讨论。(8%+4%+8%=20%)3. 证明题：一个与外界绝热的均匀金属棒，初始时一端温度为，另一端温度为，且。试证明：当达均匀的终温时，该金属棒的不可逆损失为：上式中：为环境温度；为金属棒的定压比热容。(10%)1. 请解释气流节流过程的物理实质。(3%+7%=10%)【答】气流微分节流效应，由此可得当时，即节流后气体温度降低；当时，即节流后气体温度不变；当时，即节流后气体温度升高。下面运用能量转换关系来解释气流节流过程的物理实质。因为节流前后气体的焓值不变，所以其能量关系式可以表示为，即节流前后内能的变化等于的落差。气体的内能包括内动能和内位能两部分，内动能的大小只与气体的温度有关。因此，气体节流后的温度是升高、不变或是降低，只取决于节流后气体的内动能的变化情况。内动能的变化只有在分析了内位能和的变化后才能确定。气体的内动能，其中为气体的内位能。气流节流时压力降低，比容增大，其内位能总是增大的，即；但的变化可能变大、不变或者减小，具体依据节流时气体的状态确定，即可能大于、等于或者小于0。分析可知，当时，气流节流时温度降低；当时，就有三种情况：A).当的绝对值小于，仍然气流节流时温度降低；B).当的绝对值等于，气流节流时温度不变；C).当的绝对值大于，气流节流时温度升高。当时，即内位能增量正好等于值的落差时，即气体的内动能在节流过程中保持不变，节流前后气体温度不变，这样的温度称为转化温度。2、【解】：选定刚性容器内的气体为研究对象，具体为如图中虚线所画控制容积。因为气体携带的动能相对于它的焓为数甚小，故可认为；又输气管可看成为极大的气源，所以。因为本题是对刚性绝热容器充气，所以：，。对研究控制容积运用质量方程、能量方程可有相比控制容积内气体的内能来讲，其动能和位能可以忽略，所以 。对研究控制容积运用状态方程可有综合以上关系式，可得其中为空气的绝热指数，。对式进行积分化解，可得结合，对式进行积分化解，可得下面对充气前后容器内气体温度的变化进行分析讨论。假定容器原来是真空的，则又因所以可得即表明，对于真空刚性绝热容器，气体充入容器后温度将增加倍。一般容器并非真空，充入得气体与原有得气体混合。如果原有气体的温度，混合后气体温度增大，即；如果原有气体的温度，混合后气体温度降低，即。3. 【证明】因为金属棒均匀，我们按照金属棒各点温度线性分布，按照图示坐标系，金属棒各点的温度分布关系式为：取金属棒上位置处的一微元段进行分析，具体如图示意，设该微元段从初始温度（按照式与对应）升高到终了温度过程中，熵增量为对上式沿金属棒长度方向进行积分即可得到整个金属棒的熵增量为由式可得：，代入式换元(注意换元过程换限)可得上式积分化简，可得所以，金属棒在整个过程中产生的不可用能为证毕。武汉理工大学考试试题纸（B卷）课程名称: 低温技术专业班级：热能0204题号一二三四五六七八九十总分题分 备注: 学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题)一. 简答题：(4%6=24%)1).在低温研究中常常用使用无量刚方法，简要阐述Buckingham 定理；2).简述获得低温的方法；3).请给出并解释气体制冷机的通用冷量计算公式；4).请写出学习的空气液化循环。5).请解释一下氢的正仲态转化。6).请给出康诺瓦罗夫定律。二. 请介绍回热式热机的主要特点。(16%)三. 请阐述我国第五代空分流程的主要特点。(25%)四.空气输气主管上通过阀门接一刚性容器，输气管可看成为一个容量极大的气源，其参数为、。该刚性容器内装有空气，其参数为、，且满足。开启阀门，气体缓慢地充入容器，将充气过程作为等温过程处理，试计算对应充气终了压力（）时的充气终了充气过程中容器吸收的热量及充气量。(20%)五. 一个与外界绝热的均匀金属棒，初始时一端温度为，另一端温度为，且。环境温度为，金属棒的定压比热容为，试求当达均匀的终温时，该金属棒的不可逆损失。(15%)武汉理工大学教务处 试题标准答案及评分标准用纸 课程名称：低温技术（B卷）一. 简答题：(4%6=24%)1).在低温研究中常常用使用无量刚准则关系式，简要阐述Buckingham 定理；答.量刚理论是研究物理量量刚之间固有关系的理论，Buckingham 定理是量刚理论中的基本定理，其具体内容是：在一个物理问题中，无量刚化后的被定量是无量刚化后的主定量的函数。2). 简述获得低温的方法；【答】获得低温的方法有：相变制冷；气体绝热节流制冷；气体膨胀制冷；绝热放气制冷；空间辐射制冷；绝热退磁制冷。3).请给出并解释气体制冷机的通用冷量计算公式；【答】回热式制冷机冷量的通用计算公式：，分析此式可知，要使制冷机产生冷量，其制冷膨胀腔必须具有以下三个基本要素：1).气体压力周期性地变化；2).气体体积周期性地变化；3).气体容积与压力变化之间维持匹配的相位差。 由于获得这三个基本要素的具体措施不同，气体压力和体积的变化规律不同，从而引起制冷机传热和作功的效果不同，出现了多种小型低温回热式制冷机。4).请写出学习的空气液化循环。【答】空气液化循环包含：一次节流液化循环、有预冷的一次节流液化循环、二次节流液化循环、克老特液化循环、海兰德液化循环、卡皮查液化循环。5).请解释一下氢的正仲态转化。【答】氢分子由两个氢原子以共价键构成，如果构成氢分子的两个原子的原子核自旋方向相同，即为正氢；反之，为仲氢。在一定条件下，正氢可以转变为仲氢，这一现象就是氢的正仲态转化。在气态条件下正仲态转化只能在催化剂(触媒)存在的情况下发生；液态则在没有催化剂的情况下也会自发地进行。氢的正仲态转化是一放热效应，转化过程中放出的热量与转化时的温度有关。6). 【答】康诺瓦罗夫定律：是说明理想溶液中液相与气相中的成分是不同的。具体可表述为：如果不同蒸汽压的纯液体在给定温度下混合成二元溶液，则气相里的成分和液相里的成分并不相同，对于较高蒸汽压的组分，它在气相中的成分大于它在液相中的成分；如果在二元溶液的相平衡曲线中有极值存在，那么在极值点上液体和蒸汽的组分相同。二. (16%)【答】1).整机循环为闭合循环，整机与外界无质量交换，不同部件中工质所处的状态及所经历的状态变化有很大差别；2).以高效紧凑的回热器为主要热交换器，其内进行的交变流动是不稳定过程；3).循环由体积变化引起的变质量、周期性不稳定过程组成；4).整机内每一个工质微团在每次循环中所经历的热力过程和循环并非完全相同，采取微团行为跟踪研究是非常困难的；5).整机性能分析采取研究每一个控制容积在一次循环中宏观参数的变化规律及与外界的能量交换效果；6).整机通用冷量计算公式为：。7).这类热机主要是小型或微型，有许多特种应用。三. 请阐述我国第五代空分流程的主要特点。(25%)【答】我国第五代空分流程就是常温分子筛净化增压膨胀空分流程(简称第五代空分)。在寻求降低能耗的途径上，常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现，是空分流程技术的一大进步。这一时期，国内空分设备制造商纷纷应用该技术，实现了制氧容量从小到大的全系列空分设备的升级换代，使我国的空分设备整体性能接近20世纪80年代国际先进水平。典型产品:6000m3/h空分设备。【流程特点】（1）在常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀机的制动发电机改成了增压机。增压机的作用是将膨胀空气在膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机的空气增压，使膨胀机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需冷量一定的情况下，减少了膨胀空气量，总的加工空气量也就相应降低，使常温分子筛净化增压膨胀空分流程的氧提取率进一步提高、能耗进一步下降。第五代空分的提取率可达到93%97%，氩提取率54%60%。(2)采用了全可控涡理论设计的三元流叶轮和全等温冷却的单轴空气透平压缩机。(3)采用了立式单层床内绝热结构的分子筛吸附器。(4)成功地实现计算机集散控制系统对空分流程的控制调节要求，使自动化控制水平上了一个台阶。(5)由于加工空气量下降了4%，能耗与切换式换热器冻结全低压空分流程相当，约为0.470.53kWh/m3O2。四、(20%)【解】：选定刚性容器内的气体为研究对象，具体为如图中虚线所画控制容积。因为气体携带的动能相对于它的焓为数甚小，故可认为；又输气管可看成为极大的气源，所以。因为本题是对刚性等温容器充气，所以：，。对研究控制容积运用状态方程可有 所以上式积分，可得 对研究控制容积运用质量方程、能量方程可有而，所以整理以上关系可得进一步积分，可得 其中为空气的绝热指数，。五、(1