热力学及传热学考试答案.doc

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1、. .?热力学与传热学?考试答案一、判断题1循环净功越大，那么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假设容器中气体的绝对压力没有改变，那么其压力表的读数就不会改变。 4、闭口系与外界无物质交换，系统质量保持恒定，那么系统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hA；另一循环的工质是等离子气体，热效率为hB。试比

2、拟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，在一样的室外温度条件下，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试比拟在其它条件一样时，以下情况管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开展段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Du的正负。5H2O在压力为p=1.0MPa时饱和温度为ts=179.88C。试判断H2O在以下情况下的状态：1p=1.0MPa、t=200C；2p=1.0MPa、t=160C；3p=1

3、.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展冷却。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

4、气，T1=300K，p1=0.1MPa、p2=0.4MPa，cp=1.004kJ/(kg.K)，Rg=0.287kJ/(kg.K)。试求 (1)循环净功w0；(2)循环热效率ht；(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的刚性储气筒装有压力为0.5MPa、温度为27C的氧气。筒上装有一排气阀，压力到达0.8MPa时就开启，压力降为0.75MPa时才关闭。假设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

5、筒温度；(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，经过以下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kJkJkJ121000250-980006冷却水以2m/s的流速在径为d=20mm的直铜管流动，其进口温度为20C，铜管壁温度为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：tCrkg/m3cpkJ/(kgK)l102W/(mK)h106kg/(m.s)n106m2/sPr20998.24.18

6、2659.91004.21.0067.0230995.74.178461.9801.200.8055.4240992.24.178463.4653.120.6594.3150988.14.182664.8549.170.5563.5460983.24.186865.9469.740.4782.9970977.84.191066.8406.000.4152.5580971.84.195267.5355.000.3652.2190965.34.203568.0314.790.3261.957一台燃气轮机从大气中吸入温度为17C、压力为0.1MPa的空气，然后在压气机中进展绝热压缩，使空气压力提高到

7、0.9MPa。假设压气机空气稳定流动、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。该复合壁、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r=7200kg/m3、比热为c=400J/(kgK)、热导率为l=200 W/(mK)。正常状态下金属球的温度为t0=2

8、5C，当突然受到温度为t=675C的烟气加热后，为保证在20秒发出警报，问金属球的半径R应为多少？设烟气与球外表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。假设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的速度从径为12 mm的铜管流过。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。水的有关物性及管换热关系式如下： 不同温度下水的物性参数Tkg/m3cp

9、kJ /(kgK)w/(mK)h104kg/(ms)n106m2/sPr30995.74.1740.6188.020.8055.4240992.24.1740.6346.540.6594.3150988.14.1740.6485.490.5563.5460983.24.1790.6594.700.4782.99 经历关联式：(1)层流：适用条件：(2)紊流： 适用条件：参考答案一、判断题rrrrrr二、填空题hA=hB三、简答题1数和数均可写成的形式，二者有何区别？答：1Nu数中的l为流体的热导率；Bi数中的l为导热物体的热导率。2Nu数中的h为待定参数，Nu为待定特征数；Bi数中的h为参数，

10、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，在其它条件一样的情况下，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部导热热阻和外表处换热热阻的比值。2冬天，在一样的室外温度条件下，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试比拟在

11、其它条件一样时，以下情况管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直管层流充分开展段4答：由图可知，s2s1，那么q=0，吸热；v2v1，那么w=0，对外作功；T2T1，那么ts，处于过热蒸气状态；2t=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展冷却。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

12、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围，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 那么漏去的氧气质量为 Dm=m1-m2=0.254-0.181=0.073 kg2. 解：对于空气，k=1.4 cV = cp-Rg =0.717kJ/(kgK

13、) 1-2为定容过程，2-3为定熵过程，3-1为定压过程， p3=p1=0.1MpaT2=T1p2/p1=3000.4/0.1=1200 K (1)循环功wnetw1-2=0 q2-3=0 w2-3= -Du2-3=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htq1-2=Du1-2=cV(T2-T1)=0.717(1200-3

14、00)=645.3 kJ/kg 循环吸热量q1=q1-2=645.3 kJ/kg q3-1=Dh3-1=cp(T1-T3)=1.004(300-807.54)=-509.57kJ/kg 循环放热量q2=q3-1=409.17 kJ/kg ht= wnet / q1=135.73/645.3=21.03% 或 ht= 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

15、) 设阀门开启时，筒气体为温度为T2K。 又p2=0.8MPa V2=V1=V 那么 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Dm kg。开启前氧气质量为m1，那么 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那么损失掉的氧气质量为 Dm=m1-m2=0.173-0.162=0.011 kg5解：1填充表中所缺的数据对每一过程有：Q=DU+W 对循环有过程QkJU(kJ)W(kJ)1-21210(1210)02-30(

16、-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=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，计算外表传热系数；假设满足，那么 W/(m2K) 4计算管长热平衡方程：m5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，那么；绝热过程，；那么可简化为 ，那么 又绝热压缩过程，且T1=17+273=290K，p1=0.1MPa，p2=0.9MPa，那么 那么压气机消耗的轴功为 8解：这是一个通过两层平壁的导热过程。设保温层厚度为d2mm，那么热流密度 保温层厚度=34.6m9解：假设Bi0.1成立，可用集总参数法计算。对于球体，V/AR/3，那么 又t20s ，t=ts=500C，那么 校核：成立，计算可靠。10解：循环热效率的计算：相应卡诺循环的热效率：二者比值为： 11解：解：这是一个管强迫对流换热问题。流体平均温度 壁温tw=60C查得水的物性参数为：为湍流；假设满足，那么 W/(m2K) 热平衡方程： m校核：成立。. .word.zl.