热力学与传热学.doc

工程热力学与传热学综合复习资料一、判断说明下列说法是否正确1、闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统。2、工程上常用的空气的热导率随温度的升高而降低。3、某种理想气体经过一个不可逆循环后，其熵的变化值大于零。4、功的数值仅仅取决于工质的初态和终态，与过程无关。5、理想气体吸热后，温度一定升高。6、牛顿冷却公式中的t可以改为热力学温度之差T。7、在温限相同的情况下，卡诺循环的热效率最高。8、摩尔气体常数R的数值随气体的种类不同而不同。9、角系数不仅取决于物体的形状、大小、距离和相对位置，也与物体的种类和温度有关。二、简答题1有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？2对于高温圆筒壁来说，加保温层一定能降低对外散热量，对吗？为什么？3倘使容器中气体的压力没有改变，安装在该容器上的压力表的读数不会改变？为什么？4在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？5夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？6同一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么?7在p-v图中有一可逆过程1-2，工质为理想气体。试判断其过程热量q、过程功w以及热力学能变化Du的正负。8已知H2O在压力为p=1.0MPa时饱和温度为ts=179.88C。试判断H2O在下列情况下的状态：（1）p=1.0MPa、t=200C；（2）p=1.0MPa、t=160C；（3）p=1.0MPa、干度x=0.6。9如图所示，A、B为工作在TH和TL间的二个可逆循环，其热效率分别为hA、hB，试比较二者热效率的高低。 10写出努塞尔数（Nu）的表达式及物理意义。11冬天，在相同的室外温度条件下，为什么骑摩托车比步行时感到更冷些，一般要戴皮手套和护膝？三、计算题1一循环，工质从高温热源吸热3.4106 kJ，输出功率1.1106 kJ 。试计算该循环的热效率t。若循环是在温度分别为577 和30 的恒温热源间完成的，试计算该循环的热效率t与同温限下卡诺循环的热效率c之比。2可视为理想气体的空气在活塞中从1 bar、20经历一可逆绝热过程后，压力升为6bar。已知空气的比定压热容cp=1.0 kJ/（kgK），比定容热容cV=0.71 kJ/（kgK）。试计算该过程终了时空气的温度，每千克空气所作的膨胀功。3（1）将氧气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t1=45升高到t2=80。试求压入的氧气质量。当地大气压为Pb=760mmHg，氧气Rg=260J/（kgK）。4（1）2kg温度为25 ，压力为2 bar的空气经过一个可逆定压过程后，温度升为200 。已知空气的比定压热容cp=1.0 kJ/（kgK），比定容热容cV=0.71 kJ/（kgK）。试计算：（1）该过程的膨胀功；（2）过程热量。5一卡诺热机工作于500 和200 的两个恒温热源之间。已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。6在一根外直径为120mm的蒸汽管道外包一厚度为25mm的石棉保温层，保温层的导热系数为0.10 W/（mK）。已知管子外表面温度为250，保温层外表面的温度为38，试求单位管长的热损失。7水以1.8m/s的速度从内径为20mm的铜管内流过。已知铜管壁面温度为70，进口水温为30，试确定将水加热到50时所需的管长。水的有关物性及管内换热关系式如下： 不同温度下水的物性参数Tkg/m3cpkJ /（kgK）w/（mK）h104kg/（ms）n106m2/sPr30995.74.1740.6188.020.8055.4240992.24.1740.6346.540.6594.3150988.14.1740.6485.490.5563.5460983.24.1790.6594.700.4782.9970977.84.1870.6684.060.4152.55 经验关联式：（1）层流 适用条件：（2）紊流 适用条件：8一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环。试求：（1）填充下表所缺数据；（2）循环净功；（3）该循环的热效率。过程Q（kJ）U（kJ）W（kJ）1-2121002-302503-4-98004-109有一厚度为20 cm的炉墙，墙体材料的热导率为1.3W/（mK）。为使散热损失不超过1500W/m2，需紧贴墙外壁面加一层热导率为0.1W/（mK）的保温层。已知该复合壁内、外两侧壁面温度分别为800C和50C，试确定该保温层的厚度。10某种火警报警器的有效部位是一个半径为R的小金属球，其熔化温度为ts=500 C、密度为r=7200 kg/m3、比热为c=400 J/（kgK）、热导率为l=200 W/（mK）。正常状态下金属球的温度为t0=25C，当突然受到温度为t=675C的烟气加热后，为保证在20秒内发出警报，问金属球的半径R应为多少？设烟气与球表面间的对流换热系数为h=25W/（m2K）。提示：利用集总参数法分析计算。11热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，保温层外径d=383mm，壁温tw=48C，周围空气的温度t=22C。试计算蒸汽管道保温层外壁面的对流散热量。特征数关联式： c和n的值 系数c和指数n（GrPr）m范围流态cn横圆柱层流湍流0.480.101/41/31041.51081.5108空气的物性参数tCl102W/（mK）n106m2/sPr202.5915.060.703302.6716.000.701402.7616.960.699502.8317.950.698参考答案一、判断下列说法是否正确1、不正确。 原因：对于稳定流动的开口系统其质量可保持恒定。2、不正确。 原因：工程温度范围内，常用空气的热导率随温度的升高而升高。3、不正确。 原因：熵是状态参数，不管循环是否可逆，工质的熵变均为零。4、不正确。 原因：功是过程量，其数值与工质所经历的中间途径有关。即使初终态相同，但若经历的途径不同，功值是不同的。5、不正确。 原因：气体吸热Q0，而DU=Q-W，理想气体DU=mcVDT，则DT是否大于零还取决于W的大小。6、正确。 原因：摄氏度与热力学温度的温差相等，Dt =DT。7、正确。 原因：符合卡诺定理。 8、不正确。 原因：摩尔气体常数既与气体状态无关，也与气体性质无关。9、不正确。 原因：对于漫射体而言，角系数是一个纯几何因素，仅取决于物体的形状、大小、距离和相对位置。二、简答题1有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉的更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？答：应该搅拌碗中的稀饭。 这是一个传热过程。相对而言，稀饭侧的对流换热系数较小、换热热阻较大。搅拌稀饭时增大了其对流换热系数，最大限度的降低总传热热阻，可显著地增强传热，加速冷却速率。2对于高温圆筒壁来说，加保温层一定能降低对外散热量，对吗？为什么？答：不对。 因为对于圆筒壁的保温，存在一个临界热绝缘直径dc问题。当圆筒壁外径大于临界热绝缘直径dc时，加保温层一定能降低散热量；但当圆筒壁外径小于临界热绝缘直径dc时，在一定的保温层厚度范围内，其散热量是增加的。3倘使容器中气体的压力没有改变，安装在该容器上的压力表的读数不会改变？为什么？答：有可能变化。 因为容器中气体的绝对压力等于其表压力与大气压力之和。而大气压力可随着许多因素而变化，即使气体的绝对压力不变，其表压力仍有可能变化。4在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？答：采用多孔的空心砖较好。 因为气体的热导率远小于固体的热导率，相对实心砖而言 ，空心砖的热导率较小、导热热阻较大，在冬天可减少房屋的散热损失，利于保温。5夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？答：表面没有结霜的容器的隔热性能更好。 对于储存液态氮的容器来说，内部液体温度低，外部四周空气温度高，热量自外向内传递。表面上已结霜的容器外表面换热温差较大，对流换热量大，亦即传递到容器内部的热量就多，说明其隔热性差。6同一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么?答：不对。 同一物体内任一点在同一瞬间只有一个温度值，不可能具有两个以上的温度。7答：由图可知，s2s1，则q=0，吸热；v2v1，则w=0，对外作功；T2T1，则ts，处于过热蒸气状态，；（2）t=160Cts，处于未饱和水状态，；（3）干度x=0.6（0，1），处于湿饱和蒸气状态，。9答：对于循环A，平均吸热温度TLTA1TH；循环B，平均吸热温度TB1=TH；二循环的放热温度均为T2=TL， 则hA=1-T2/TA1=1-TL/TA1 1-TL/TH ，hB=1-T2/TB1=1- TL/TH ， 则hAhB。10答：；表征壁面处流体无量纲过余温度变化率的大小，可反映对流换热的强弱。11答：强制对流换热强度与流体壁面之间的相对速度有关，相对速度越大，对流换热越强。 与步行相比，骑摩托车时相对速度较大，对流换热强度大，因此人体会散失较多的热量从而感到更冷些。 皮手套和护膝，由于导热系数小且有一定厚度，增加了一层较大的导热热阻，使总传热热阻增大，从而可降低散热量，从而起到保护作用。三、计算题1. 解：循环热效率的计算： 相应卡诺循环的热效率： 二者比值为： 2解：p1=1bar p2=6bar T1=20+273.15=293.15K k=cp/cV=1.4由题意知：12为可逆绝热过程，则 q=0 ，则 3（1） 解：V=2 m3 pb=760mmHg=1.01325bar p=pe+pb p1=pe1+pb=0.3+1.01325=1.31325 bar p2=pe2+pb=3+1.01325=4.01325 bar 理想气体状态方程：pV=mRgT 初态时罐内氧气质量为 终态时罐内氧气质量为 则压入的氧气质量为 Dm=m2-m1=8.748-3.178=5.57 kg 4解：p1=2bar T1=25+273.15=298.15K T2=200+273.15=473.15K对状态1有：p1V1=mRgT1 则 12为定压过程 p2= p1=2bar （1）过程功（2）过程热量5解：该卡诺热机的热效率： 输出功率为： kW 6解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。由题意知：d1=120mm d2=d1+2d=120+225=170mm tw1=250C tw2=38C 则 W/m7解：这是一个管内强迫对流换热问题。 （1）查物性 流体平均温度 壁温tw=70C水的物性参数为： （2）判断流态 为湍流 （3）选择公式，计算表面传热系数；假设满足，则 W/（m2K） （4）计算管长热平衡方程： m 校核：成立，计算可靠。8解：（1）填表对每一过程有：Q=DU+W 对循环有 过程Q（kJ）U（kJ）W（kJ）1-21210（1210）02-30（-250）2503-4-980（-980）04-10（20）（-20） （2）循环净功 W0=W1-2+W2-3+W3-4+W4-1=0+250+0-20=23