2022年《热力学与传热学》考试答案.docx

名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载热力学与传热学考试答案一、判定题1循环净功越大,就循环的热效率也愈大；（）2经过一个不行逆循环后,工质熵的变化为零；（）3如容器中气体的肯定压力没有转变,就其压力表的读数就不会转变；（）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肯定是闭口系统； （）（）5、功的数值仅仅取确于工质的初态和终态,与过程无关；6、气体膨胀时肯定对外作功；（）7、比热容仅仅是温度的单值函数；（）8、对于一种确定的抱负气体,cp-cv肯定为肯定值； （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抱负气体、热效率为A； 另 一 循环 的 工质 是等 离 子 气 体, 热 效率 为 小；三、简答题B； 试 比 较这 两 个循 环热 效 率 的 大1 Nu 数和 Bi 数均可写成 hl 的形式,二者有何区分？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,以下情形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 层流充分进展段4在 p-v 图中有一可逆过程 1-2,工质为抱负气体；试判定其过程热量 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t s=179.88 C；试判定 H2O 在以下情形下的状态： （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 该搅拌碗中的稀饭仍是盆中的凉水？为什么？8对于高温圆筒壁来说,加保温层肯定能降低对外散热量,对吗？为什么？细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 11 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载四、运算题1容积为 V=0.0283m 3 的瓶内装有氧气,其压力为 p1=6.865 10 5Pa,温度为 T1=294K；随后发生泄漏,压力降至 p 2=4.901 10 5Pa 时被发觉,而温度 T2=T1未变；试问到发觉为止共漏去多少 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 w 0； 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=0.027m 3 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； 如由于外界加热的缘由造成阀门开启,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缺失掉的氧气量；设筒内气体温度在排气过程中保持不变；氧气,Rg=260J/kg.K；5肯定量的空气,经过以下四个可逆过程组成的循环 所缺的数据； （2）循环功；（3）循环热效率；1-2-3-4-1；试求：（1）填充表中过程（ kJ） （ kJ）（ kJ）20 C,铜1210 0 0 250 -980 0 0 d=20mm 的直铜管内流淌,其进口温度为6冷却水以2m/s 的流速在内径为管内壁温度为80 C,试求水被加热到60 C时所需的管长；特点数关联式：细心整理归纳 精选学习资料 （1）紊流：Nuf0. 023 Re0.8 fPr f0.4lf n50流体被加热时,n0.11 第 2 页,共 11 页 流体被冷却时,n0.25w条件：Ref104,d（2）层流：Nuf1 .86RefPr fd1f.0 14fd103lw条件：Ref2200,RefPrl - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载水的物性参数：t kg/m3cp102106106Pr m2/s C kJ/kg K W/m K kg/m.s 20 998.2 4.1826 59.9 1004.2 1.006 7.02 30 995.7 4.1784 61.9 801.20 0.805 5.42 40 992.2 4.1784 63.4 653.12 0.659 4.31 50 988.1 4.1826 64.8 549.17 0.556 3.54 60 983.2 4.1868 65.9 469.74 0.478 2.99 70 977.8 4.1910 66.8 406.00 0.415 2.55 80 971.8 4.1952 67.5 355.00 0.365 2.21 90 965.3 4.2035 68.0 314.79 0.326 1.95 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；如压气机内空气稳固流淌、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；为使散热缺失不超过1500W/m 2,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 t s=500 oC、密度为 =7200 kg/m 3、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=25oC,当突然受到温度为 t =675oC 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/m 2 K；提示：利用集总参数法分析运算；10一循环,工质从高温热源吸热 3.4 × 10 6 kJ,输出功率 1.1 × 10 6 kJ ；试运算该循环的热效率 t；如循环是在温度分别为 577 和 30 的恒温热源间完成的,试运算该循环的热效率 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：细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 11 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载不同温度下水的物性参数T cp 4× 106× 10Pr kg/m3kJ /kg K w/m K m2/s 5.42 kg/m s 30 995.7 4.174 0.618 8.02 0.805 40 992.2 4.174 0.634 6.54 0.659 4.31 50 988.1 4.174 0.648 5.49 0.556 3.54 60 983.2 4.179 0.659 4.70 0.478 2.99 体会关联式：细心整理归纳 精选学习资料 1层流：Nuf1 . 86 RefPr fd1f.014m0 4. 第 4 页,共 11 页 3lw适用条件：Ref2200 ,RefPrfd10l2紊流：Nuf0 . 023 Ref08.Prfm流体被加热,流体被冷却,m0 3.适用条件：Ref104,l d50 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载参考答案一、判定题二、填空题A= B 三、简答题1 Nu 数和 Bi 数均可写成hl 的形式,二者有何区分？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 为待定特点数；Bi 数中的 h 为已知参数,由第三类边界条件确定,Bi 为已定特点数； （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形下, 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肯定厚度,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,从而起到爱护作用；3试比较在其它条件相同时,以下情形管内对流换热系数的相对大小；2 1pdv（请用符号 “<”、“=”、“>”表示）（1）层流< 紊流（2）水> 空气>0,对外作功；（3）光滑管< 粗糙管（4）直管< 弯管（5）层流入口段> 层流充分进展段4答：由图可知,s2>s1,就 q=2 1Tds>0,吸热； v2>v1,就 w=T2<T1,就u2c VdT<0,热力学能降低；15答：在相同压力下, （1）t=200 C>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：NuhlYY0；表征壁面处流体无量纲过余温度变化率的大小,可反映对f流换热的强弱；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 11 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载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仍是盆中的凉水？为什么？答：应当搅拌碗中的稀饭；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,加保温层肯定能降低对外散热量,对吗？为什么？答： 不对；由于对于圆筒壁的保温,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,加保温层肯定能降低散热量；但当圆筒壁外径小于临界热绝缘直径 dc 时,在肯定的保温层厚度范畴内,其散热量是增加的；四、运算题1解：抱负气体状态方程：pV=mRgT 0. 254kg初态时氧气质量为m 1p 1 V6. 8651050. 0283RgT 1260294终态时氧气质量为m2p2V4.901105.002830.181 kgRgT 22602942. 就漏去的氧气质量为 m=m 1-m 2=0.254-0.181=0.073 kg 解：对于空气,k=1.4 cV = cp-Rg =0.717kJ/kg K 807. 54K11-2 为定容过程, 2-3 为定熵过程, 3-1 为定压过程,p3=p1=0.1Mpa T2=T 1 p2/p1=300×0.4/0.1=1200 K T3T2p3kk112000 . 1 0 . 4.14114.p2循环功 wnetw 1-2=0 q2-3=0 w2-3= -u2-3=cVT 2-T3=0.717 ×1200-807.54=281.39kJ/kg w3-1=p1v 1-v 3=R gT 1-T 3=0.287 ×300-807.54= -145.66 kJ/kg wnet= w 1-2+ w 2-3+ w3-1=0+281.39-145.66=135.73 kJ/kg 2热效率 tq1-2= u1-2=cVT 2-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=cpT 1-T3=1.004 ×300-807.54=-509.57kJ/kg 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页,共 11 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -优秀学习资料 欢迎下载循环放热量 q2= q3-1 =409.17 kJ/kg t= w net / q1=135.73/645.3=21.03% 或t= 1-q2 / q1=1-509.57/645.3=21.03% 3图示3. 解：此题求时间常数,可认为满意Bi<0.1 ；1求时间常数：ttffehAerVct't代入数据,160300e30 r2030043 . 28（秒）rVc305hAln0.2求时间：290300e43 .2820300（秒）144 .224细心整理归纳 精选学习资料 解：抱负气体状态方程：pV=mRgT T1=27+273.15=300.15K p 1=0.5MPa 第 7 页,共 11 页 1 设阀门开启时,筒内气体为温度为T2K； 又 p2=0.8MPa V2=V1=V 就T2=p2/p 1 T1=0.8/0.5 × 300.15=480.24K t2=T2-273.15=480.24-273.15=207.09 C 2设缺失掉的氧气质量为m kg；开启前氧气质量为m 1,就m 1p1 V 10. 5106.00270.173 kgRgT 1260300. 15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 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -m2p2 V2优秀学习资料欢迎下载.075106.0027.0162 kgRgT2260480. 24就缺失掉的氧气质量为 5m=m1-m 2=0.173-0.162=0.011 kg 解：（1）填充表中所缺的数据对每一过程有：Q= U+W 对循环有dU0Q 0W 0过程Q U W 1-2 （kJ）kJ kJ 1210 1210 0 2-3 0 -250 250 3-4 -980 -980 0 4-1 0 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 cW02300 .1919%Q 112106解：这是一个管内强迫对流换热问题；f1查物性流体平均温度tftftf602040Cf壁温 t w=80 C K22水的物性参数：f992 .2 kg/m3. 1cpf64174 J/kgK0. 634W/m0. 659106m/sPrf=4.31 10kg/m.s653. 3106kg/m.sw355f（2）判定流态Refud0.20. 0266.0698104104为湍流f65910（3）挑选公式,运算表面传热系数tw就tf,流体被加热时,nPr f0.11f；假设满意ld50,Nuf0. 023Re0.80.40. 11fw细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 11 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -.0023优秀学习资料08.欢迎下载4653 . 3.011295 .925.60698104.431 0 .355 . 1hNuff295 .9250. 6349395. 63W/m2 K d0. 02（4）运算管长热平稳方程：f4d2uffcpftftfhdltwtf4.41m lfufdc pf ttf992 .220.02417460204 h twtf49395 .638040（5）校核：ld.4 41.002220 . 450成立,运算牢靠；7解：稳固流淌能量方程式：qh1c2gzw iq0；2f不计进出口动能和位能的变化,就12 c f,0gz0；绝热过程,2就可简化为hwi0,就w ihh 1h 2cpT 1T 2又绝热压缩过程,且T1=17+273=290K,p1=0.1MPa,p2=0.9MPa,就T 2T 1p2kk12900.9.141543 .3 K1.4p 10.131 k J/ k g就压气机消耗的轴功为w cw i1 .004300543.3 254.8解：这是一个通过两层平壁的导热过程；设保温层厚度为202mm,就=34.6 m 热流密度qAtw 1tw2800501500W/m120.202. 10.0346 m121. 30. 1保温层厚度2tw 1qtw212800500.2115001. 39细心整理归纳 精选学习资料 解：假设 Bi<0.1 成立,可用集总参数法运算；对于球体,V/AR/3, 第 9 页,共 11 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -就0t优秀学习资料欢迎下载tehA3hcVecRt0t又 20s ,t=t s=500oC,就500675e32520Re5.208104%7200400R25675R5 .2081043. 97104m0 .397mmln175 650校核：BihR25.3971040 . 49610401.成立,运算牢靠；20010解：循环热效率的运算：tW01 . 1106100 %32 . 35%Q 13 . 4106相应卡诺循环的热效率：c1T2139273. 150 .643464 . 34T 1577273 . 15二者比值为：t32.35%.05028c64.34%11解：解：这是一个管内强迫对流换热问题；流体平均温度tftf2tf5023040C壁温 t w=60 C 查得水的物性参数为：细心整理归纳 精选学习资料 ff992 2. kg/m3cpf4174 J/kgKdl 第 10 页,共 11 页 0. 634W/mKf0. 659106m/sPrf4. 31f6. 54104kg/m.sW4.70104kg/m.sRefufd1.80.0123. 2777104104为湍流f0. 659106twtf,流体被加热时,m0.4；假设满意ld50,就Nuf.0023 Re0.8Pr0.40. 0233 .27771048.04 .31 .04169. 034ffhNuff169 .0340. 6348930. 62W/m2 K d0. 012热平稳方程：qmcpftftfhA twtfqmfuf4d2,A - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -lfufdcpf tfftf优秀学习资料欢迎下载5030 2 .504m 992 .218.0 .01241744 h twt48930 . 626040 细心整理归纳 精选学习资料 校核：ld.2 5040. 012208 . 6850成立； 第 11 页,共 11 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -