《热力学与传热学》考试答案

热力学与传热学考试答案 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 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 1数和数均可写成的形式，二者有何区别？ 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=179.88C。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。 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 1容积为V=0.0283m3的瓶内装有氧气，其压力为p1=6.865105Pa， 温度为T1=294K。随后发生泄漏，压力降至p2=4.901105Pa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 27C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） 1210 0 0 250 -980 0 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20C，铜管内壁温度为80C，试求水被加热到60C时所需的管 长。 特征数关联式： （1）紊流： 条件： （2）层流： 条件： 水的物性参数： t C kg/m3cp kJ/(kgK) 102 W/(mK) 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17C、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/(kgK)，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/(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。 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/(kgK)、热导率为 =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。 10一循环，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。 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： 不同温度下水的物性参数 T kg/m3 cp kJ /(kgK) w/(mK) 104 kg/(ms) 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： (1)层流： 适用条件： (2)紊流： 适用条件： 参考答案 一、判断题 二、填空题 A=B 三、简答题 1数和数均可写成的形式，二者有何区别？ 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 s1，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。 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 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：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：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 1 解：理想气体状态方程：pV=mRgT 初态时氧气质量为 终态时氧气质量为 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/(kgK) 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=T1p2/p1=3000.4/0.1=1200 K (1)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 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Bi0.1。 (1)求时间常数： 代入数据， （秒） (2)求时间： （秒） 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T2K。 又p2=0.8MPa V2=V1=V 则 T2=p2/p1T1=0.8/0.5300.15=480.24K t2=T2-273.15=480.24-273.15=207.09C (2)设损失掉的氧气质量为m kg。 开启前氧气质量为m1，则 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 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 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 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=80C 水的物性参数： Prf=4.31 （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 （5）校核：成立，计算可靠。 7 解：稳定流动能量方程式： 不计进出口动能和位能的变化，则；绝热过程，； 则可简化为 ，则 又绝热压缩过程，且T1=17+273=290K，p1=0