安全工程热力学与传热学复习题

1 黑科技安全工程热力学与传热学复习题 黑科技安全工程热力学与传热学复习题 一 填空 1 工程热力学是从工程应用的角度研究 热能 和 机械能 的转换规律和工质的性质 找出能量利用 经济性的最有效途径 2 包括热源 冷源和功的接受装置在内的整套蒸汽动力装置属于 孤立 系统 3 实现准静态过程的充分和必要条件是 过程进行的时间比弛豫时间大的多 4 如下图所示 一刚性容器被分成两部分 外界环境压力为 0 1MPa 压力表 B 的读数为 40kPa 真空计 C 的读数 30 kPa 则容器两部分内气体绝对压力 P1 30 P2 70 以 kPa 表示 4 题图 5 由两个过程 1 对刚性容器内的水加热 使其在恒温下蒸发 2 对刚性容器内的水做功 使其 在恒温下蒸发 这两个过程 1 过程可以是可逆的 6 稳定流动能量方程的表达式 应用于锅 2 1 2 1 2 1 2 212 2 ss wcchhqwchq 或 炉时的表达式为 q h2 h1 7 某热机中工质先从 T1 1000K 的热源吸热 150 kJ kg 再从 T2 1500K 的热源吸热 450 kJ kg 向 T3 500K 的热源放热 360 kJ kg 该循环 能 能 不能 实现 是 不可逆 可逆 不可逆 循环 8 某地区当地的音速为 400m s 空气的流速为 20m s 则当地的马赫数 Ma 等于 0 05 该地区空气流 动为 亚音速流动 亚音速流动 超音速流动 临界流动 9 黑体辐射能量按波长分布服从 普朗克定律 定律 按空间分布服从 兰贝特定律 定律 辐射力大 小由 斯蒂芬 波尔兹曼定律 定律确定 10 工作在高温热源 T1和 T2之间的逆向卡诺循环 用于制冷时的性能系数可表示为 T2 T1 T2 用于供暖时的性能系数可表示为 T1 T1 T2 用状态参数 T1和 T2表示 11 题图 如上图所示空腔内辐射换热系统 则 X1 2 1 X2 1 0 1 0 1 0 1 2 12 影响膜状凝结换热的主要因素是 蒸汽流速 和 蒸汽中不凝结气体的含量 13 若所有落在物体上的辐射能全部被该物体吸收 则这一类物体叫做 黑体或绝对黑体 如果全部被 反射 则这一类物体被叫做 白体或绝对白体 14 一黑体温度为 1000K 则该黑体的辐射力为 5 669 104W m2 15 某气轮机的喷管入口处蒸汽的比焓 h1 2780 kJ kg 出口处的比焓 h2 2340 kJ kg 不考虑蒸汽的入口流速 则蒸汽的出口流速为 938 1m s 16 单位质量的工质流入膨胀阀时的比焓为 438 kJ kg 那么离开膨胀阀时工质的比焓为 438 kJ kg 17 肋片效率是 实际肋片的换热量 整个肋片壁面的温度等于肋根温度时的换热量 18 黑体辐射的角系数具有三个性质 它们是 1 相对性 数学表达式为 1 222 11 XAXA 2 完整性 数学表达式为 3 可加性 数学表达式为 n i i X 1 1 1 n i i XX 1 2 12 1 19 传热学就是研究由 温差 引起的 热能 传递规律的科学 20 稳定运行中的蒸汽锅炉属于 开口 系统 21 某油船蒸汽锅炉的表压力为 1 3Mpa 冷凝器的真空度为 0 094Mpa 当地大气压力为 0 1Mpa 则锅 炉的绝对压力为 1 4Mpa 冷凝器的绝对压力为 0 006Mpa 以 Mpa 表示 22 有一封闭系统沿过程 a 从状态 1 变化到状态 2 然后又分别沿过程 b c 又回到状态 1 这些过程中的 Q 和 W 列于下表中 试按热力学第一定律填写表中空白处的数值 过程QW a b c 1 2 2 1 2 1 15 8 Q 3 W 2 5 10 23 在温度为 T1的高温热源和温度为 T2的低温热源之间工作的热机循环 以 卡诺循环 热效率为最高 25 有一 n 级压缩机 要使该压缩机所消耗的机械功达到最小值 则应使 每级的增压比均相等 26 热传递的三种基本方式 热传导 热对流 热辐射 27 将尺寸一样的铜棒和橡木棒插入沸水中 持铜棒的手已感到很烫 而持橡木棒的手还没有感到温度 上升 原因是 导温系数大的物体 各处温度能较快地趋于均匀一致或铜棒比木棒的导温系数大 28 流体受加热或冷却引起的自然对流换热与 由温度差异所形成的浮升力 有关 29 绝热系与外界没有 热量 的交换 30 参看下图 回答问题 3 12 34 m Q W 第 30 题图 1 2 是 闭口系 系统 1 2 3 4 是 孤立系 系统 31 系统恢复平衡所需的时间 称为弛豫时间 32 实际过程的不可逆因素有 耗散效应 有限温差下的热传递 自由膨胀 不同工质的混合 33 相对湿度值越小 表明湿空气 继续吸水的能力越强 34 水蒸气汽化过程的 p v 图中 2 线是指 饱和水线 饱和蒸汽线 35 渐缩喷管出口的流速最大只能 和当地音速相等 36 稳态传热过程是指 物体中各点温度不随时间而变化的热量传递过程 37 一传热过程的热阻为 0 035K W 温差为 70 则其热流量为 2 KW 38 已知一平壁厚 0 02m 热阻为 0 02m2 K W 其导热系数为 1 W m K 39 发电机水冷 空冷两种方式 水冷 方式的冷却效果好 40 冬天用手分别触摸同一环境中的木块和铁块 感到铁块很凉 这是因为 因为铁块的导温系数比木 块大 41 大容器沸腾曲线分为自然对流 核态沸腾 过渡沸腾 膜态沸腾 四个区段 二 简答题 1 简述卡诺定理 答 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环 其热效率都相等 与采用 哪一种工质无关 在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切不可逆循环 其热效率必小于可逆循环 2 压气机增压比过高时为什么采用多级压缩 中间冷却方式 答 采用多级压缩中间冷却 有如下好处 1 可降低压缩终温 2 压气机消耗功率减小 3 在 P V 图上表示出既膨胀 又吸热 又降温这个过程 4 4 简述实现辐射传热的强化的几种途径 答 1 表面改性处理 1 表面粗糙化 2 表面氧化 3 表面涂料 2 添加固体颗粒 循环流化床 流化床反应器 流化干燥 3 使用广谱选择性涂料 吸收短波 长波只有微弱的发射性能 5 简述蒸汽凝结换热中珠状凝结是怎么形成的 目前常用的使壁面形成珠状凝结的一种方法是什么 答 当冷凝液体不能湿润冷却壁面时 它就在冷表面上形成小液滴 饱和蒸汽在这些液滴上凝结 使液 滴形成半径越来越大的液珠 当液珠的重力大于其对壁面的附着力时 液珠便脱离凝结核心而沿壁面滚 下 这些滚下的液珠冲掉了沿途所有的液滴 于是蒸汽又在这些裸露的冷壁面上重新在凝结核心处形成 小液滴 这称之为珠状凝结 一种方法是 将壁面进行改性处理 使之成为非湿润表面 6 冬季利用玻璃窖培植蔬菜的道理何在 答 普通的玻璃很容易让波长小于 2um 的热射线通过 因此它可以把照射到它上面的大部分太阳能透射 过去 然而 这种玻璃对于 3 或 4um 以上的长波辐射基本上是不透明的 由于玻璃窖内的物体所发出的低 温辐射实际上全是这种长波辐射 所以它们仍然被阻止在玻璃窖内 这样 鉴于玻璃允许进来的辐射壁出去的多 因而玻璃窖内就产生了温室效应 即温度比较高 适 合培植蔬菜 7 提高循环热效率的基本途径 答 1 对于卡诺循环 无论使用什么工质 也不论可逆热机的结构形式 提高热源的热力学温度和降 低冷源的热力学温度 均可提高循环热效率 2 对于不可逆热机 应尽量避免其实际循环中所包含的不可逆因素 即减少循环的不可逆性 使 其热效率接近相同热源条件下卡诺循环的热效率 8 钢锭在炉中加热时 随着温度的升高 钢锭的颜色发生由黑 暗红 红 橙黄 白的变化 为什么 答 由维恩位移定律可知 对应于最大单色辐射力的波长与该黑体热力学温度成反比 黑体在不同温度 下的单色辐射力的最高峰是随着温度增高而移向波长较短的一边 所以钢锭会出现这种现象 9 若室内的温度在夏季和冬季都保持在 20 那么在夏季和冬季人在室内所穿的衣服能否一样 试从传 热的观点分析其原因 冬季挂上窗帘布后顿觉暖和 原因又何在 答 穿的衣服不能一样 虽然夏季和冬季室内的温度都在 20 度 但是室外的温度是不一样的 夏季高 冬季低 这样室外的 温度和室内的温度就形成了温度差 进而就有了热传递 夏季室外比室内高 则热量向室外传递 冬季 则相反 所以所穿的衣服不能一样 挂上窗帘 相当于多加了一层热阻 所以感觉暖和 10 影响对流换热的主要因素有哪些 答 1 流体流动产生的原因 2 流体有无相变发生 3 流体流动状态的影响 4 流体物理 性质的影响 5 放热面几何因素的影响 6 流体流动速度的影响 11 简述蒸汽凝结换热中膜状凝结是怎么形成的 其中 什么影响了热量传递的效果 5 答 如果冷凝体能很好的湿润壁面 就会沿整个壁面凝成一层膜 并且在重力作用下流动 称为膜状凝 结 凝结放出的汽化潜热必须通过液膜 因此 液膜厚度直接影响了热量传递 12 近年来地球环境温度逐年上升 形成了所谓的 温室效应 你认为 温室效应 的产生和现代工业 生活方式的发展有什么联系 答 气体发射辐射和吸收辐射对波长具有强烈的选择性 其中二氧化碳和水蒸汽的光带主要有三个 且 这三个光带范围位于红外光带 属于长波 地球上的物体大部分都发射长波 在现代工业生活方式中 二氧化碳和水蒸汽的含量越来越高 吸收地球上物体发射出来的长波 这部分别吸收的电磁波 又被二氧化碳和水蒸汽发射到地球上 再加上太阳辐射的短波 导致地球 温度约来越高 就出现了温室效应 13 饱和湿蒸气与饱和湿空气的区别 答 二者差别有二 其一 湿蒸气是一种化学成分 H2O 构成的 而饱和湿空气是空气和水蒸气多种化学成分构成的 其二 饱和湿蒸气是饱和液体 水 和干饱和蒸汽的混合物 其中水和蒸汽都是饱和的 饱和湿空 气虽是干空气和水蒸气的混合物 其中水蒸气是饱和的 但空气远未达到饱和 14 过热水蒸气与过冷水的区别 答 1 过热水蒸气是水蒸气所处的温度高于水蒸气压力所对应的饱和温度时的水蒸气 2 过冷水是水所处温度低于水具有的压力所对应的饱和温度时的水 15 对流换热的概念和特点 答 指流动的流体与固体壁面之间直接接触 当两者温度不同时发生的热量传递现象 1 对流换热与热对流不同 既有热对流 也有导热 不是基本传热方式 2 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 3 必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差 16 等温面与等温线的特点有哪些 答 1 温度不同的等温面或等温线不相交 2 在连续的温度场中 等温面 或等温线 或者在物体中构成封闭的曲面 或曲线 或者终止 于物体的边界 不可能在物体中中断 3 沿等温线 面 无热量传递 4 等温线的疏密可直观反应不同区域温度梯度的相对大小 17 解释水蒸气的定压汽化过程 p v 图上的 1 点 2 线 3 区 5 态 答 一点 临界点 两线 上 下界限线 三区 液相区 汽液两相共存区 汽相区 五态 未饱和水 饱和水 湿饱和蒸汽 干饱和蒸汽 过热蒸汽 18 何为湿空气的露点温度 为什么湿润的夏天水管上常出现水珠 答 湿空气中水蒸气的分压力所对应的饱和温度成为湿空气的露点温度 简称露点 湿润的夏天 水房中水管的温度比较低 低于水房空气中水蒸气所对应的露点温度 因此 水蒸气 便以水滴形式析出 挂在水管上 19 什么是接触热阻 接触热阻的影响因素有哪些 6 答 普遍认为接触面两侧保持同一温度 即假定两层壁面之间保持了良好的接触 而在工程实际中由于 任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的 如图所示 此时接触面两侧存在温度差 在这种情况下 两壁面之间只有接触的地方才直接导热 在不接触处存在空隙 热量是通过充满空隙的流体的导热 对 流和辐射的方式传递的 因而存在传热阻力 称为接触热阻 接触热阻等于热源温度减去表面温度除以 加热功率 1 相互接触的物体表面的粗糙度 2 相互接触的物体表面的硬度 3 相互接触的物体表面之间的压力 20 制冷的热力学原理 答 利用了饱和压力和饱和温度一一对应的关系 可以让制冷工质在低压下蒸发 使其饱和温度低于低温区的温度 而能从低温区吸收汽化潜热 再让 制冷工质在高压下凝结 使其饱和温度高于高温区的温度 能把凝结潜热在较高温度下释放出去 这样 就完成了把热量从低温区向高温区的转移 21 黑体辐射的三个基本定律 答 1 普朗克定律 2 斯特潘 波尔兹曼定律 3 兰贝特定律 22 按热量交换的原理和方式 换热器分为几种 答 1 混合式 2 蓄热式 3 间壁式 三 判断题 1 气体常数 Rg 与气体种类无关 与状态无关 2 工质经过不可逆过程的熵变必然大于经历可逆过程的熵变 3 理想气体的热力学能和焓都仅仅是温度的单值函数 4 任何气体经过绝热节流后 温度必然降低 5 沸腾状态的水总是烫手的 6 活塞式空气压缩机可以采用多级压缩的方法提高它的容积效率 7 湿空气的相对湿度越大 其中水蒸气的分压力也越大 8 任意循环的热效率都是 1 2 1 T T 9 绝热闭口系就是孤立系 10 热力系是人们研究问题而指定的热力学的研究对象 11 热量传递的原因是由于物质不能储存热能 12 传热问题的数学描述包括传热方程和单值性条件 13 实际热机效率比卡诺热机效率小 14 对流换热系数和导热系数一样 都是物质的物性参数 15 热阻叠加原则适用的前提是串联路上各处热量传递相等 16 稳态传热中 圆筒管壁沿半径方向的每一个壁面热流密度都相等 17 黑色物体的吸收能力很强 而辐射能力很弱 7 18 北方深秋季节 树叶容易结霜 结霜的部位是树叶的上面 19 温度不同的等温面或等温线可以相交 20 二维 稳态 常物性有内热源的导热微分方程式为 0 2 2 2 2 c q y t x t 21 通用气体常数对理想气体都是一个不变的常数 22 理想气体绝热节流后温度不变 23 在 T S 图上 理想气体的定压线比定容线陡 24 卡诺循环的热效率是 1 2 1 T T 25 空气的相对湿度越大 空气中水蒸气的含量就越大 26 任何动力循环 循环净功总等于循环净热量 0 w 0 q 27 热力系是指所有参与热力过程的物体群 28 绝热闭口系的熵增就是孤立系的熵增 29 在导热能力方面 金属小于非金属 固态小于液态 但液态大于气态 30 热扩散率反映了导热过程中材料的导热能力与沿途物质储热能力之间的关系 31 常物性 稳态导热方程是 0 2 cqt 32 白体的反射能力强 吸收能力弱 33 若速度边界层与热边界层同一厚度 普朗特数等于 1 四 计算题 1 一封闭系统沿 acb 途径从状态 a 变化到状态 b 时 吸入热量 80kJ kg 并对外界做功 30kJ kg 1 若过程沿 adb 进行 系统做功 10kJ kg 问系统吸热多少 2 当系统沿曲线从 b 返回到初态 a 外界对系统做功 20 kJ kg 则系统与外界交换热量的方向及大小 如何 3 若 求过程 ad 和 db 的吸热量 kgkJUU da 40 0 解 kgkJUUU abab 503080 1 对过程 adb 由封闭系统热力学第一定律得 8 kgkJWUQ adbabadb 601050 2 对 b a 过程 同样由封闭系统热力学第一定律得 kgkJWUQ baabba 702050 即系统从 b 到 a 时 系统向外界放热 70 kJ kg 3 kgkJUkgkJUUUkgkJUU babbada 50 50 40 0 定容过程膨胀功为 0 kgkJWWWW addbadadb 100 对 ad 过程由封闭系统热力学第一定律得 kgkJWUQ adadad 501040 对 db 过程由封闭系统热力学第一定律得 kgkJUUWUQ dbdbdbdb 104050 2 设一可逆卡诺热机中工作于 1600 和 300 的两个热源之间 工质从高温热源吸热 400KJ 试求 1 循环热效率 2 工质对外作的净功 3 工质向低温热源放出的热量 解 卡诺循环的热效率可表示为 11 21 1 2 1 2 11 Q W Q QQ T T Q Q 所以 6969 0 31 0 1 2731600 273300 11 1 2 T T KJQW27640069 0 1 KJWQQ124276400 12 3 一蒸汽管道 内外直径分别为 90 100 管壁导热系数 在管道外壁面上覆盖 58 1 KmW 两层隔热保温材料 内层厚度 导热系数 外层厚度 mm30 2 058 0 2 KmW mm50 3 蒸汽管道的内侧表面温度 保温材料外表面温度为 50 试求 17 0 3 KmW 300 1 w t 1 各层单位管长热阻 2 每米蒸汽管道的热损失 3 各层接触面上的温度 2w t 3w t 解 1 各层单位管长热阻 管壁 WKm d d R 10891 2 90 100 ln 582 1 ln 2 1 4 1 2 1 1 内保温层 WKm d d R 2897 1 100 160 ln 058 0 2 1 ln 2 1 2 3 2 2 外保温层 WKm d d R 4545 0 160 260 ln 17 0 2 1 ln 2 1 3 4 3 3 2 单位管长热损失 9 mW RRR tt q ww 3 143 4545 0 2897 1 10891 2 50300 4 321 41 1 3 2w t 3w t CRRqtt CRqtt RR tt R tt q O ww O ww wwww 115 2897 1 10891 2 3 143300 6 29910891 2 3 143300 4 21113 4 1112 21 31 1 21 1 4 内燃机的气缸中有 0 5kg 空气 燃油由喷油嘴喷入 燃烧后产生的热量有 84kJ 为燃气所吸收 同时 空气对外界做功为 78kJ 试求空气 燃气 比热力学能的变化量 解 已知 Q 84KJ W 78KJ 所以由热力学第一定律可知 Q U W 所以 U Q W 84 78 6KJ 所以燃气比热力学能的变化量为 6 0 5 12KJ 5 有一锅炉炉墙由三层组成 内层是厚的耐火砖层 导热系数 1 10W m 外层是mm230 1 1 厚的红砖层 W m 两层中间填以 W m 的石mm240 3 58 0 3 mm50 2 10 0 2 棉隔热层 已知炉墙内 外两表面温度 和 试求通过炉墙的导热热流密度及500 1 w t50 4 w t 红砖层的最高温度 解 1 求热流密度 先计算各层单位面积的导热热阻 W21 0 10 1 23 0 1 1 1 R W50 0 10 0 05 0 2 2 2 R W41 0 58 0 24 0 3 3 3 R W 78 401 41 0 50 0 21 0 50500 3 1 R t q 2 求红砖层的最高温度 红砖层的最高温度是红砖层与石棉之间的接触面积温度 所以 3w t 7 214 5 021 0 78 401500 2 1 13 RRqtt ww 6 如下图所示 一个电熨斗 电功率为 1200W 底面竖直于环境温度为 25 的房间中 金属底板厚 5mm 导热系数 面积 A 300cm2 考虑辐射作用在内的表面传热系数 h 80W K 确 kmW 15 定稳态条件下底板两表面的温度 10 解 2 0 40000 03 0 1200 mWq tth dx dt x q dx dt x dx td 0 0 0 2 2 上述方程的通解为 21 cxct 由左侧条件得 0 101 q cqc 由右侧条件得 00 1 1 2 211 q h q tc h c tc tcchc 代入通解得 h x qtt 1 0 代入给定的数值后可得 h qttx 1 00 25 40000 80 1 15 005 0 538 11 h qttx 1 0 25 40000 80 1 525 7 如果有一台热效率为 30 的热机 用来带动制冷系数为 2 5 的制冷机 求制冷机每从冷物体带走 1kJ 的热量 热机需要输入多少热量 解 KJ W Q Q W KJ Q W W Q 33 1 3 0 4 0 4 0 5 2 1 1 2 2 所以 所以 8 可逆卡诺循环 1 2 3 4 1 如图所示 已知 T1 600 T2 300 Q 3000kJ 试求 T 4 T T 1 23 S 1 2 O 1 循环做功量 2 冷源吸热量及冷源熵增量 3 如果由于不可逆使系统的熵增 0 2kJ K 求冷源多吸收多少热 循环少做多少功 解 12 分 的功 循环少做了 分 冷源多吸收的热量为 分 冷源熵增量 分 冷源吸热量 所以 所以 因为 所以 由于 根据热力学第一定律 静功净热量 净功净热量 2 6 114 2 6 1145732 0 3 2 43 3 573 1969 119692 10311969 3000 1969 600273 300273 3000 0 1 2 2 2 2 21 1 2 12 2 1 2 1 4122 4111 KJ KJTSQ KKJ T Q S KJQ KJQQW KJ T T QQ T T Q Q SSTQ SSTQ WQ U UWQ 9 将一个黑体表面的温度由 27 增加到 810 求该表面的辐射力增加了多少倍 解 10 一块混凝土空心砖 结构尺寸如图所示 单位为 mm 炉渣混凝土的热导率 空心部分的表观热导率 若左 右两侧温度差为 30 分