《热力学与传热学》考试答案

热力学与传热学热力学与传热学 考试答案考试答案 一 判断题一 判断题 1 循环净功越大 则循环的热效率也愈大 2 经过一个不可逆循环后 工质熵的变化为零 3 若容器中气体的绝对压力没有改变 则其压力表的读数就不会改变 4 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 5 功的数值仅仅取确于工质的初态和终态 与过程无关 6 气体膨胀时一定对外作功 7 比热容仅仅是温度的单值函数 8 对于一种确定的理想气体 cp cv 一定为一定值 二 填空题二 填空题 1 在两个恒温热源之间有两个可逆循环 其中一个循环的工质是理想气体 热效率 为 A 另一循环的工质是等离子气体 热效率为 B 试比较这两个循环热效率的大小 三 简答题三 简答题 1 数和数均可写成的形式 二者有何区别 NuBi hl 2 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 3 试比较在其它条件相同时 下列情况管内对流换热系数的相对大小 请用符号 表示 1 层流 紊流 2 水 空气 3 光滑管 粗糙管 4 直管 弯管 5 层流入口段 层流充分发展段 4 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 u 的正负 5 已知 H2O 在压力为 p 1 0MPa 时饱和温度为 ts 179 88 C 试判断 H2O 在下列情况 下的状态 1 p 1 0MPa t 200 C 2 p 1 0MPa t 160 C 3 p 1 0MPa 干度 x 0 6 6 写出努塞尔数 Nu 的表达式及物理意义 7 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 8 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 四 计算题四 计算题 1 容积为 V 0 0283m3的瓶内装有氧气 其压力为 p1 6 865 105Pa 温度为 T1 294K 随后发生泄漏 压力降至 p2 4 901 105Pa 时被发现 而温度 T2 T1未变 试问到 发现为止共漏去多少 kg 氧气 氧气 Rg 260J kg K 2 在可逆热力循环 1 2 3 1 中 1 2 为定容过程 2 3 为绝热过程 3 1 为定压过程 工质为空气 T1 300K p1 0 1MPa p2 0 4MPa cp 1 004kJ kg K Rg 0 287 kJ kg K 试 求 1 循环净功 w0 2 循环热效率 t 3 在 p v 图及 T s 图上定性地画出该循环 3 初始温度为 20 的热电偶突然放入 300 的空气中 30 秒种后热电偶的指示温度 为 160 试求 1 该热电偶的时间常数 2 热电偶指示温度上升到 290 所需的时 间 4 容积为 V 0 027m3的刚性储气筒内装有压力为 0 5MPa 温度为 27 C 的氧气 筒上 装有一排气阀 压力达到 0 8MPa 时就开启 压力降为 0 75MPa 时才关闭 若由于外界加 热的原因造成阀门开启 试问 1 当阀门开启时的筒内温度 2 因加热造成阀门开闭一次 期间而损失掉的氧气量 设筒内气体温度在排气过程中保持不变 氧气 Rg 260J kg K 5 一定量的空气 经过下列四个可逆过程组成的循环 1 2 3 4 1 试求 1 填充表 中所缺的数据 2 循环功 3 循环热效率 过程 kJ kJ kJ 12100 0250 9800 0 6 冷却水以 2m s 的流速在内径为 d 20mm 的直铜管内流动 其进口温度为 20 C 铜 管内壁温度为 80 C 试求水被加热到 60 C 时所需的管长 特征数关联式 特征数关联式 1 紊流 n w f PrRe023 0Nu 0 4 f 0 8 ff 0 25n 0 11n 体 体体 体体 体体 体体 体体 体 体 体体 体体 体体 体体 体体 体 条件 50 10Re 4 d l f 2 层流 14 0 3 1 fff PrRe 86 1Nu w f l d 条件 10PrRe 2200Re l d fff 水的物性参数 水的物性参数 t C kg m3 cp kJ kg K 102 W m K 106 kg m s 106 m2 s Pr 20998 24 182659 91004 21 0067 02 30995 74 178461 9801 200 8055 42 40992 24 178463 4653 120 6594 31 50988 14 182664 8549 170 5563 54 60983 24 186865 9469 740 4782 99 70977 84 191066 8406 000 4152 55 80971 84 195267 5355 000 3652 21 90965 34 203568 0314 790 3261 95 7 一台燃气轮机从大气中吸入温度为 17 C 压力为 0 1MPa 的空气 然后在压气机 中进行绝热压缩 使空气压力提高到 0 9MPa 若压气机内空气稳定流动 不计进出口动 能和重力位能的变化且比热容取定值 试求压气机消耗的轴功 空气 cp 1 004 kJ kg K k 1 40 8 有一厚度为 20 cm 的炉墙 墙体材料的热导率为 1 3W m K 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 m K 的保温层 已知该复合壁内 外两 侧壁面温度分别为 800 C 和 50 C 试确定该保温层的厚度 9 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 7200 kg m3 比热为 c 400 J kg K 热导率为 200 W m K 正常状态下金 属球的温度为 t0 25 C 当突然受到温度为 t 675 C 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 m2 K 提示 利用集总参数法分析计算 10 一循环 工质从高温热源吸热 3 4 106 kJ 输出功率 1 1 106 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 11 水以 1 8 m s 的速度从内径为 12 mm 的铜管内流过 已知铜管壁面温度为 60 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 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 T kg m3 cp kJ kg K w m K 104 kg m s 106 m2 s Pr 30995 74 1740 6188 020 8055 42 40992 24 1740 6346 540 6594 31 50988 14 1740 6485 490 5563 54 60983 24 1790 6594 700 4782 99 经验关联式 经验关联式 1 层流 14 0 3 1 Pr Re86 1 w f fff l d Nu 适用条件 10 PrRe 2200Re l d fff 2 紊流 3 0m 4 0m PrRe023 0 8 0 体 体体 体体 体体 体体 体体 体 体 体体 体体 体体 体体 体体 体 m fff Nu 适用条件 50 10Re 4 d l f 参考答案参考答案 一 判断题一 判断题 二 填空题二 填空题 A B 三 简答题三 简答题 1 数和数均可写成的形式 二者有何区别 NuBi hl 答 1 Nu 数中的 为流体的热导率 Bi 数中的 为导热物体的热导率 2 Nu 数中 的 h 为待定参数 Nu 为待定特征数 Bi 数中的 h 为已知参数 由第三类边界条件确定 Bi 为已定特征数 3 物理意义不同 Nu 表示贴壁流体的无量纲的温度梯度 在其它条件相 同的情况下 Nu 数可反映对流换热的强弱 Bi 数表示第三类边界条件下物体内部导热热阻 和表面处换热热阻的比值 2 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 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 3 试比较在其它条件相同时 下列情况管内对流换热系数的相对大小 请用符号 表示 1 层流 空气 3 光滑管 粗糙管 4 直管 层流充分发展段 4 答 由图可知 s2 s1 则 q 0 吸热 v2 v1 则 w 0 对外作功 2 1 Tds 2 1 pdv T2 T1 则ts 处于过热蒸气状态 2 t 160 C ts 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 6 答 表征壁面处流体无量纲过余温度变化率的大小 可反映 0 Y f Y hl Nu 对流换热的强弱 7 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 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 8 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 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 四 计算题四 计算题 1 解 理想气体状态方程 pV mRgT 初态时氧气质量为 kg254 0 294260 0283 0 10865 6 5 1 1 1 TR Vp m g 终态时氧气质量为 kg181 0 294260 0283 0 10901 4 5 2 2 2 TR Vp m g 则漏去的氧气质量为 m m1 m2 0 254 0 181 0 073 kg 2 解 对于空气 k 1 4 cV cp Rg 0 717kJ kg K 1 2 为定容过程 2 3 为定熵过程 3 1 为定压过程 p3 p1 0 1Mpa T2 T1 p2 p1 300 0 4 0 1 1200 K 1 K54 807 4 0 1 0 1200 4 1 14 11 2 3 23 k k p p TT 循环功 wnet w1 2 0 q2 3 0 w2 3 u2 3 cV T2 T3 0 717 1200 807 54 281 39kJ kg w3 1 p1 v1 v3 Rg T1 T3 0 287 300 807 54 145 66 kJ kg wnet w1 2 w2 3 w3 1 0 281 39 145 66 135 73 kJ kg 2 热效率 t q1 2 u1 2 cV T2 T1 0 717 1200 300 645 3 kJ kg 循环吸热量 q1 q1 2 645 3 kJ kg q3 1 h3 1 cp T1 T3 1 004 300 807 54 509 57kJ kg 循环放热量 q2 q3 1 409 17 kJ kg t wnet q1 135 73 645 3 21 03 或或 t 1 q2 q1 1 509 57 645 3 21 03 3 图示 3 解 本题求时间常数 可认为满足 Bi 0 1 1 求时间常数 r ee tt tt Vc hA f f 代入数据 r e 30 30020 300160 秒 28 43 5 0ln 30 hA Vc r 2 求时间 28 43 30020 300290 e 秒 22 144 4 解 理想气体状态方程 pV mRgT T1 27 273 15 300 15K p1 0 5MPa 1 设阀门开启时 筒内气体为温度为 T2 K 又 p2 0 8MPa V2 V1 V 则 T2 p2 p1 T1 0 8 0 5 300 15 480 24K t2 T2 273 15 480 24 273 15 207 09 C 2 设损失掉的氧气质量为 m kg 开启前氧气质量为 m1 则 kg173 0 15 300260 027 0 105 0 6 1 11 1 TR Vp m g 阀门开启又关闭后氧气质量为 m2 又 T2 T2 480 24K p2 0 75MPa V2 V1 V kg162 0 24 480260 027 0 1075 0 6 2 22 2 TR Vp m g 则损失掉的氧气质量为 m m1 m2 0 173 0 162 0 011 kg 5 解 1 填充表中所缺的数据 对每一过程有 Q U W 对循环有 00 0WQdU 过程Q kJ U kJ W kJ 1 21210 1210 0 2 30 250 250 3 4 980 980 0 4 10 20 20 2 循环净功 W0 W1 2 W2 3 W3 4 W4 1 0 250 0 20 230 kJ 或 W0 Q0 1210 0 980 0 230kJ 3 循环热效率 Q1 1210 kJ 1919 0 1210 230 1 0 Q W c 6 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 80 C C tt t ff f 40 2 2060 2 水的物性参数 3 kg m 2 992 f K J kg4174 pf cK W m634 0 f Prf 4 31 m s10659 0 6 f kg m s 101 355kg m s 10 3 653 66 wf 2 判断流态 为湍流 44 6 10100698 6 10659 0 02 0 2 Re f f ud 3 选择公式 计算表面传热系数 假设满足 0 11n 体 体体 体体 体体 体体 体体 体体 体体 体 fw tt 50 d l 则 11 0 0 4 f 0 8 ff PrRe023 0Nu w f 925 295 1 355 3 653 31 4 100698 6 023 0 11 0 4 08 04 W m2 K d Nuh f f 63 9395 02 0 634 0 925 295 4 计算管长 热平衡方程 4 2 fwffpfff ttdlhttcud m 4 fw ffpfff tth ttdcu l 41 4 4080 63 93954 2060 417402 0 22 992 5 校核 成立 计算可靠 50 4 220 02 0 41 4 d l 7 解 稳定流动能量方程式 if wzgchq 2 2 1 不计进出口动能和位能的变化 则 绝热过程 0 0 2 1 2 zgcf0 q 则可简化为 则 0 i wh 2121 TTchhhw pi 又绝热压缩过程 且 T1 17 273 290K p1 0 1MPa p2 0 9MPa 则 K 3 543 0 1 0 9 290 4 1 14 11 1 2 12 k k p p TT 则压气机消耗的轴功为 kJ kg31 254 3 543300 004 1 ic ww 8 解 这是一个通过两层平壁的导热过程 设保温层厚度为 2mm 则 热流密度 2 2 2 2 1 1 21 W m1500 1 03 1 20 0 50800 ww tt A q 保温层厚度 34 6 m m0346 01 0 3 1 2 0 1500 50800 2 1 121 2 q tt ww 9 解 假设 Bi 0 1 成立 可用集总参数法计算 对于球体 V A R 3 则 cR h cV hA ee tt tt 3 00 又 20s t ts 500 C 则 RR ee 4 10208 5 4007200 20253 67525