《热力学与传热学》考试答案_高等教育-试题.pdf

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1、优秀学习资料 欢迎下载 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

2、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 1Nu数和Bi数均可写成hl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.

3、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？优秀学习资料 欢迎下载 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，

4、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

5、 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）1210 0 0 250 -980 0 0 6冷却水以 2m/s 的流速在

6、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：（1）紊流：nwf)(PrRe023.0Nu0.4f0.8ff 0.25n,0.11n,流体被冷却时流体被加热时 条件：50,10Re4dlf（2）层流：14.031fff)()PrRe(86.1Nuwfld 条件：10PrRe,2200Reldfff 环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无恒温

7、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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 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 20 998.2 4.1826 59.9 100

8、4.2 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

9、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

10、、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=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/(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 3.4106 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

11、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：环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流

12、入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 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 30 995.7 4.174 0.618 8.02 0.805 5.42 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

13、 经验关联式：(1)层流：14.031)()Pr(Re86.1wffffldNu 适用条件：10)(PrRe,2200Reldfff(2)紊流：3.0m4.0mPrRe023.08.0流体被冷却，流体被加热，mfffNu 适用条件：50,10Re4dlf 环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写

14、成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 参考答案 一、判断题 二、填空题 A=B 三、简答题 1Nu数和Bi数均可写成hl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

15、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

16、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，s2s1，则 q=21Tds0，吸热；v2v1，则 w=21pdv0，对外作功；T2T1，则21dTcuVts，处于过热蒸气状态；（2）t=160 Cts，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：0)(YfYhlNu；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。环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取

17、确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 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还是盆中的凉水？为什么？答：应该搅拌碗中的稀饭。这是一

18、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 kg254.02942600283.010865.65111TRVpmg 终态时氧气质量为

19、kg181.02942600283.010901.45222TRVpmg 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 K54.807)4.01.0(1200)(4.114.112323kkppTT (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/

20、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 环后工质熵的变化为零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闭口系与外界无物质交换系统内质量保持恒定

21、那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 循环放热量 q2=q3-1=409.17 kJ/kg t=wnet/q1=135.73

22、/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：reettttVchAff 代入数据，re3030020300160 28.435.0ln30hAVcr（秒）(2)求时间：28.4330020300290e 22.144（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/p1 T1=0.8/0.5300.15=480.

23、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 kg173.015.300260027.0105.061111TRVpmg 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 环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的

24、工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 kg162.024.480260027.01075.062222TRVpmg 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000WQdU 过

25、程 Q（kJ）U(kJ)W(kJ)1-2 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%1919.0121023010QWc 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Ctttfff40220602 壁温 tw=80 C 水的物性参数：3kg/m2.992f K)J/(kg4174pfc K)W/(m634.0f m/s

26、10659.06f Prf=4.31 kg/(m.s)101.355kg/(m.s)103.65366wf （2）判断流态 44610100698.610659.002.02Reffud 为湍流 （3）选择公式，计算表面传热系数 0.11n ，流体被加热时，fwtt；假设满足50dl，则 11.00.4f0.8ff)(PrRe023.0Nuwf 环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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

27、气体热效率为另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 925.2951.3553.653)31.4()100698.6(023.011.04.08.04 dNuhff63.939502.0634.0925.295W/(m2 K)（4）计算管长 热平衡方程：)()(42fwff

28、pfffttdlhttcud )(4)(fwffpffftthttdcul41.4)4080(63.93954)2060(417402.022.992m （5）校核：504.22002.041.4dl成立，计算可靠。7 解：稳定流动能量方程式：ifwzgchq221 不计进出口动能和位能的变化，则0,0212zgcf；绝热过程，0q；则可简化为 0iwh，则)(2121TTchhhwpi 又绝热压缩过程，且 T1=17+273=290K，p1=0.1MPa，p2=0.9MPa，则 K3.543)0.10.9(290)(4.114.111212kkppTT 则压气机消耗的轴功为 kJ/kg31.

29、254)3.543300(004.1icww 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 22221121W/m15001.03.120.050800wwttAq 保温层厚度m0346.01.0)3.12.0150050800()(211212qttww=34.6 m 9 解：假设 Bi0.1成立，可用集总参数法计算。对于球体，V/AR/3，环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无恒温热源之间有两个可逆

30、循环其中一个循环的工质是理想气体热效率为另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载 则 cRhcVhAeetttt300 又 20s，t=ts=500C，则 RRee410208.540072002025367525675500 mm397.0m1097.3650175ln10

31、208.544R 校核：1.010496.02001097.32544hRBi成立，计算可靠。10解：循环热效率的计算：%35.32%100104.3101.16610QWt 相应卡诺循环的热效率：%34.646434.015.27357715.273391112TTc 二者比值为：5028.0%34.64%35.32ct 11解：解：这是一个管内强迫对流换热问题。流体平均温度Ctttfff40230502 壁温 tw=60 C 查得水的物性参数为：K)J/(kg4174kg/m2.9923pffc m/s10659.0K)W/(m634.06ff kg/(m.s)1070.4kg/(m.s)

32、1054.631.4Pr44Wff 44610102777.310659.0012.08.1Refffdu 为湍流 0.4m ，流体被加热时，fwtt；假设满足50dl，则 0.4f0.8ffPrRe023.0Nu034.169)31.4()102777.3(023.04.08.04 dNuhff62.8930012.0634.0034.169 W/(m2 K)热平衡方程：)()(fwffpfmtthAttcq dlAduqffm，24 环后工质熵的变化为零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

33、统功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞优秀学习资料 欢迎下载)(4)(fwffpffftthttdcul504.2)4060(62.89304)3050(4174012.08.12.992m

34、 校核：5068.208012.0504.2dl成立。环后工质熵的变化为零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功的数值仅仅取确于工质的初态和终态与过程无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另一循环的工质是离子气体热效率为试比较这两个循环热效率的大小三简答题数和数均可写成的形式二者有何区别冬天在相同的室外温度条件下为什么骑摩托车符号表示层流紊流水空气光滑管粗糙管直管弯管层流入口段层流充分发展段在图中有一可逆过程工质为理想气体试判断其过程热量过程功以及热力学能变化的正负已知在压力为时饱和温度为试判断在下列情况下的状态干度写出努塞