工程硕士专业考试考前辅导题

热工基础考前辅导题简答题1 热量传递有哪三种基本方式？它们传递热量的机理任何？自然界是否存在单一的热量传递方式？试举例说明。答：热传导—是借助于物质的微观粒子运动而实现的热量传递过程； 热对流—是借助于流场中流体的宏观位移而实现的热量传递过程； 热辐射—是借助于物体发射和吸收光量子或电磁波而实现的热量传递过程； 自然界存在单一的热量传递方式，如真空中进行的热辐射和固态物质中的热传导。什么是温度场？什么是温度梯度？傅立叶定律指出热流密度与温度梯度成正比所反映的物理实质是什么？答：是传热学研究的系统（物体）中各个点上的温度的集合，也称为温度在时间和空间上的分布，数学表达式为,这是对于直角坐标系而言。 温度梯度是温度场中任意点上的温度在其法线方向上的变化率，它是一个矢量，方向为该点的法线方向，其大小就是该方向的变化率的绝对值。 热流密度与温度梯度成正比能反映出热量的传递是物体系统中能量分布不均匀或者不平衡的结果，因为这种不平衡导致温度分布的差异，而这种差异空间分布上越大，产生的热流密度也就越大。导热系数和热扩散系数各自从什么地方产生？它们各自反映了物质的什么特性？并指出它们的差异？答：导热系数是从傅立叶定律定义出来的一个物性量，它反映了物质的导热性能；热扩散系数是从导热微分方程式从定义出来的一个物性量，它反映了物质的热量扩散性能，也就是热流在物体内的渗透的快慢程度。两者的差异在于前者是导热过程的静态特性量，而或者则是导热过程的动态特性量，因而热扩散系数反映的是非稳态导热过程的特征。我们为什么把肋片的散热归入一维稳态导热问题？肋片效率是如何定义的，它与哪些因素相关？增大肋片效率有哪些措施？这样做是否一定是经济合理的？答：肋片是为了增强换热而安装在换热壁面上的扩展表面，通常是换热面与环境之间的换热性能较差，而安装的肋片导热性能较好，且厚度远小于肋片伸展的高度，于是可以忽略肋片厚度方向上的温度变化，也就是有。那么，肋片的散热就可以视为仅仅发生在肋片高度方向上的一维含源的稳态导热问题。 肋片的效率定义为肋片实际的散热量与整个肋片都处于肋基温度下的理想散热量之比，即。可见肋片效率与定义的mh值，即关系很大，仔细分析它与肋片的物性（材质）、几何形状、和环境换热情况有关。增大肋片效率可以减小mh值，通常是减小m值，那么就是增大导热系数、增大肋片厚度。但这样做并不经济，也不一定合理。正确的做法是给定材料求出使散热最大的最佳h/δ值。什么是集总参数系统，它有什么特征?答：集总参数系统就是系统的物理量仅随时间变化，而不随空间位置的改变而变化。我们这里所指的集总参数系统是针对系统的温度变化而言的，这也就是一个空间上的均温系统。由于温度仅仅是时间的函数，就给非稳态导热问题的求解带来了方便，变成了一个温度随时的响应问题。物体系统温度场要满足温度均匀分布，其条件是系统的毕欧数<<1（特征尺寸L=V/A,V为系统的体积，A为系统的边界面积，α为系统与环境的换热系数，λ为系统物质的导热系数）,可以看出集总参数系统是相对于环境换热条件而存在的。什么是时间常数？用同一支温度计测量某一复杂流场中各处流体的温度，其时间常数是否相同？答：时间常数为，从中不难看出，歌词测量的时间常数不相同，因为它不仅与系统（物体）的物性、形状大小相关，且与环境状况（换热状况）紧密相联。因此，同一物体处于不同环境其时间常数是不一样的。对流换热系数是怎样定义的？它与哪些因素有关？常用哪些途径去求解对流换热问题？答：对流换热系数是从牛顿冷却公式定义出来的，即。它把影响换热过程的诸多因素都集于一身，因而它与流体的流速、物性、流动状态有关，还与流体和固体壁面的接触方式，以及流体是否发生相变等都有关系。 求解对流换热问题有三种途径：简单问题的分析求解，复杂问题的实验求解，以及利用计算机进行数值分析。对流换热问题的支配方程有哪些?将这些方程无量纲化我们能够得出哪些重要的无量纲数（准则）?你能指出这些准则的物理意义吗?答：对流换热问题的支配方程有连续性方程，动量微分方程，能量微分方程以及换热微分方程。将这些方程无量纲化我们能够得出雷诺数Re，贝克莱数Pe,普朗特数Pr，格拉晓夫数Gr，和努谢尔特数Nn等重要的无量纲数（准则）。这些准则的物理意义分别是：Re――表征给定流场的流体惯性力与其黏性力的对比关系；Pe――表征给定流场的流体热对流能力与其热传导（扩散）能力的对比关系；Pr――反映物质的动量扩散特性与其热量扩散特性的对比关系；Gr――主要表征给定流场在浮升力作用下产生的流体惯性力与其黏性力的对比关系；Nu――表征给定流场流体与壁面之间的换热能力与其导热性能的对比关系。什么是流动边界层（速度边界层）？它在什么条件下才存在？试举一流体与固体壁面不存在流动边界层的实例答：流动边界层是指流体垂直流过平板时，速度发生显著变化的薄层。要求流体能润湿壁面，并且雷诺数足够大。水平加热平面下部流体中不存在流动边界层。什么是热边界层？能量方程在热边界层中得到简化所必须满足的条件是什么？这样的简化有何好处？答：流体流过壁面时流体温度发生显著变化的一个薄层。能量方程得以在边界层中简化，必须存在足够大的贝克莱数，即,也就是具有的数量级，此时扩散项才能够被忽略。从而使能量微分方程变为抛物型偏微分方程，成为可求解的形式。什么是沸腾换热的临界热流密度？当沸腾换热达到临界热流密度时，在什么条件下才会对换热设备造成危害？答：对于大容器饱和沸腾，核态沸腾和过渡沸腾之间热流密度的峰值称为临界热流密度。当沸腾换热达到临界热流密度时，高温下恒热流密度加热时会对换热设备造成危害。什么是物体表面的黑度，它与哪些因素相关?什么是物体表面的吸收率，它与哪些因素相关?它们之间有什么区别?答：物体表面的黑度被定义为物体表面的辐射力与其同温度下黑体辐射的辐射力之比，它与物体的种类、表面特征及表面温度相关。物体表面的吸收率是表面对投入辐射的吸收份额，它不仅与物体的种类、表面特征和温度相关，而且与投入辐射的能量随波长的分布相关，也就是与投入辐射的发射体的种类、温度和表面特征相关。比较两者的相关因素不难看出它们之间的区别，概括地说黑度是物体表面自身的属性，而吸收率确不仅与自身有关情况有关还与外界辐射的情况紧密相连。什么是定向辐射强度？满足兰贝特定律的辐射表面是什么样的表面？试列举几种这样的表面。答：定向辐射强度定义为，单位时间在某方向上单位可见辐射面积（实际辐射面在该方向的投影面积）向该方向上单位立体角内辐射出去的一切波长范围内的能量。满足兰贝特定律的辐射表面是漫反射和漫发射的表面，简称漫射表面。如，相对于光线的粗糙表面、黑体表面和红外辐射范围的不光滑的实际物体表面都可以近似认为是漫射表面。说明在什么情况下，物体的吸收率等于其自身黑度？答：达到辐射热平衡，并且投射辐射来自黑体，或者是灰体。什么是辐射表面之间的角系数?在什么条件下角系数成为一个纯几何量？答：我们把1表面辐射出去的辐射能投到2表面上去的份额定义为表面1对表面2的角系数，记为。将从能量传递角度定义的角系数视为一个纯几何量，只能在等强辐射表面（也就是漫射表面）之间的辐射能量传递中才能成立。状态量（参数）与过程量有什么不同？常用的状态参数有哪些是可以直接测定的？哪些又是不可以直接测定的？答：状态参数是状态量，过程中状态参数的变化只取决于初、终状态，而与过程经过的路径无关，即任意一状态参数Y，其变化量，且。过程量是过程中表现出来的量，其变化量不仅与初、终状态有关，而且与过程经过的路径有关。常用的状态参数中压力p、温度T、和比容v，可以直接测定，而热力学u、焓h、和熵s是不可直接测定的。试证明：若理想气体混合物的总压力为P，其中I组元的容积成分（体积分数）为，则该组元的分压力为。答：对于混合气体中的同一组元，有；即可见。对简单燃气轮机装置循环（布雷顿循环），影响理论循环和实际循环热效率的因素有哪些不同？答：影响理想循环的因素仅有增压比，且，。而影响实际循环的因素不仅有增压比，还有增温比、压气机和汽轮机的效率，且，；，；，。无论是理想循环还是实际循环，都存在最佳增压比。写出热力学第一定律的一般表达式，以及闭口系热力学第一定律表达式。答：对于任何系统，各项能量之间的平衡关系可一般表示为：进入系统的能量－离开系统的能量＝系统储存能的变化因而热力学第一定律的一般表达式为。闭口系热力学第一定律表达式：，或，。气体的平均比热容与哪些因素有关？平均比热容表上通常对应于温度t℃（或TK）给出数据，对此应如何理解？答：气体的平均比热容与气体的种类、过程的性质、所取的物量单位、气体的温度变化范围有关；平均比热容表上给出的数据，指的是气体在（0～t）℃，或（0～T）K温度范围内的平均比热容。pv1a2如图中过程pv1a2答：两过程中1－a－2的过程功大。由于两过程的热力学能大小相同，因此根据热力学第一定律可知，过程1-a-2的热量大。写出热力学第二定律的克劳修斯说法和开尔文说法。答：克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体；开尔文说法：不可能制造出从单一热源吸热，使之全部转化为功而不留下其它任何变化的热力发动机试说明什么是热量的可用能（热火用）。若热源温度为；环境温度为，试给出热量Q中可用能与无用能的表达式答：在一定的环境（T0）中，利用从温度为的热源传出的热量Q所能获得的最大有用功，称作该热量的作功能力，或其中所包含的可用能，也称作热流火用，或热火用.热量Q的可用能就是高、低温热源温度分别为和的卡诺热机利用热量Q作出的循环净功，热量Q中所包含的无用能为用喷水方式冷却湿空气，能否把此湿空气的湿度降到原先湿空气状态下的露点温度，为什么？答：不能。如图示，喷水冷却湿空气的过程近似是一定焓过程1-2，显然。112eq\o\ac(○,h)otd1td2hd某一工质在相同的初态1和终态2之间分别经历2个热力过程，一为可逆过程，一为不可逆过程。试比较这两个过程中相应外界的熵变化量哪一个大，为什么？答：不可逆过程相应外界的熵变化量大。原因如下：不可逆时：可逆时：因系统可逆与不可逆时，初、终态相同，所以。于是。容积为Vm3的容器内有压力为P的汽水混合物mkg，已知压力为P时饱和水与饱和蒸汽各参数为，，，，，，试以各已知量表达容器内汽水混合物的总熵。答：由eq\o\ac(○,1)，eq\o\ac(○,2)汽水混合物的总熵应表达为从绝热节流过程前后的状态来比较，气体的压力、熵、焓有什么样变化？答：节流后气体的压力将会降低；过程为不可逆过程，经绝热节流后气体的熵将增大；管道中节流前后气体的焓相同。什么是湿空气的绝对湿度和相对湿度？什么是湿空气的含湿量？答：湿空气的绝对湿度是指每一立方米湿空气中所含水蒸气的质量。相对湿度是指：一定的总压力下，湿空气的绝对湿度与同温度饱和湿空气绝对湿度之比，亦即湿空气中当前的水蒸气密度与湿空气所对应的饱和水蒸气密度之比。（或说：湿空气中当前的水蒸气分压力与同一温度、同样总压力的饱和湿空气中的水蒸气分压力之比。）湿空气的含湿量是指：湿空气中对应于1kg干空气所含有的水蒸气质量。闭口系进行一放热过程，其熵是否一定减少，为什么？闭口系进行一吸热过程，其熵是否一定增加，为什么？答：闭口系进行一放热过程，其熵是不一定减少，因为过程满足，放热，则过程的可能小于零，也可能大于零或等于零。同理，由于，所以闭口系进行一吸热过程，其熵一定增加。画出蒸汽动力装置朗肯循环的Ts图。TTs12456分析题画出通过平壁传热过程的温度变化曲线Tf1Tf1α1α1Tf2Tf1α1α1Tf2Tf1α1α1Tf2Tf1α1α1Tf2Tf1α1α1Tf2（a）当时 (b)当时 (c)当λ=λ0(1+bT),b<0时画出大容器沸腾换热过程中热流密度随过热度的变化曲线(控制壁温加热用实线控制热流加热用虚线)，并指出沸腾的几个主要区域。q不稳定过渡区不稳定过渡区自然对流区自然对流区稳定膜态沸腾区核态沸腾区稳定膜态沸腾区核态沸腾区0 ΔTuu∞T∞xx0u∞T∞xx0（a）Pr<1 (b) Pr>1有流体沿着一大平板流动，已知流体流速为u∞，流体温度为T∞,平板温度为Tw，试画出在如下条件下其壁面形成的速度边界层和热边界层示意图，并画出x处的速度和温度曲线。一圆台物体，如图1所示，两端面温度保持不变，且大端面温度温度高于小端面，侧表面为绝热面，试在图2上绘出该圆台内温度沿轴向x的分布曲线。图1图2图1图2xxt1t1t2t2 有一金属管外包着绝热层，如果绝热层外的换热系数保持不变，试导出其临界热绝缘直径的表达式。如果换热系数,其表达式又为何种形式？ T∞di α ddid0d0TTw解：如图，可以得出热平衡方程：,求Q关于d0的导数并令其为零得出： ,最后得出临界热绝缘直径为: 。如果则有：,于是有:。画出如下热量传递过程中物理参数的变化曲线 T1TT1TTT20A0A逆流式换热器()冷、热流体沿换热面的温度变化。TTTT1TwTwTT20A0A顺流式换热器()冷、热流体沿换热面的温度变化，以及壁面温度的变化。画出蒸汽压缩制冷循环的T-s图，并指出进行各热力过程相应设备的名称，并写出制冷量和制冷系数的计算式。答：蒸汽压缩制冷循环的T-s图如图所示。过程1-2在压缩机中进行，过程2-3在冷凝器中进行，过程3-4在节流阀中进行，过程4-1在蒸发器中进行。制冷量；制冷系数。将T-s图示定压加热、定温膨胀的燃气轮机理想回热循环转画到p-v图上答：计算题qqvT∞αδ厚度为10cm的大平板，通过电流时发热功率为3×104W/m3,平板的一个表面绝热，另一个表面暴露于25℃的空气中。若空气与表面之间的换热系数为50W/(m2℃),平板的导热系数为3W/(m℃),试确定平板中的最高温度。解：导热方程和边界条件为： 方程的通解为，代入边界条件可得特解为 ， 绝热表面温度最高，即x=0时T0=Tmax，于是得。直径为57mm的管道，管道外表面温度为100℃，将它用导热系数为0.071W/m•℃的石棉硅藻土材料保温。保温后保温层外表面温度不超过40℃，每米管道最大热损失不超过70W，试问该保温层材料至少有多厚？解：已知t1=100℃t2=40℃＝0.071W/（m℃）r1=0.05m 所以r2=0.0418m =r2-r1=0.0133m直径为10mm的钢棒，初始温度为400℃，突然将它放入38℃的流体中冷却，冷却时表面的换热系数为17.5W/(m2℃)，钢棒的导热系数为47W/(m℃)，热扩散率为1.2810-5m2/s，试求6分钟后棒的温度。解：计算毕欧数,因而可用集总参数法计算。又因，于是由,解得t=0.5038*362+38=220.36ºC。在大气压力下，温度为Tf=52℃的空气以u∞=10m/Sd1速度流过壁面温度Tw=148℃的平板。试求距前沿50mm处的速度边界层厚度、热边界层厚度、局部换热系数和平均换热系数。解：当Tm=(Tw+Tf)/2=100℃时查出空气物性为：λ=3.21×10-2W/(m℃);ν=23.13×10-6m2/S;Pr=0.688。因为层流流动,则有空气在内径d1=12mm、管壁温度tw=200℃直管内流动，已知入口处空气的平均流速u′m=25m/s、入口温度=20℃。试计算出口处空气温度℃时所需的管长。这里已知空气物性值：=0.0276[w/(m℃)]，ν=16.9610-6[m2/s]，cP=1005[J/(kg℃)，Pf=1.128[kg/m3]，Prf=0.699。解：流速[m/s]1041.88[w/(m2℃)]热平衡：即解得L=0.236m。从中看出必须进行管长修正。由Re=18892查得L=1.13。计算可得实际管长m一根直径的圆管，它的表面温度保持在，用它把流水温度从为加热到为。水的流量为。问管子需要多长。给出水的物性量为: 解：管内平均流速，则，为紊流流动。由，从而得出:。由管内热平衡关系，则。平行放置的两块钢板，温度分别保持500℃和20℃，黑度均为0.8，钢板尺寸比二钢板间的距离大得多。求二板的辐射力、有效辐射、投射辐射、反射辐射以及它们之间的辐射换热量。解：E1=w/m2E2=w/m2J1=E1+(11)G1=E1+(11)J2=E1+(11)[E2+(11)J1]=E1+(11)E2+(11)(12)J1w/m2J2=E2+(12)G2=E2+(12)J1=334.3+(10.8)16939=3722w/m2G1=J2=3722w/m2G2=J1=16939w/m2E1=J1E1=1693916195=744w/m2E2=J2E2=3722334.3=3387.7w/m2q12=J1J2=169393722=13217w/m2炉盖炉底炉盖炉底炉墙有一均热炉，炉膛长4m、宽2.5m、高3m。炉墙和炉底的内表面温度均为1300℃，黑度=0.8。求敞开炉盖的瞬间辐射热损失为多少？若炉口每边缩小0.2m，其他条件不变，问辐射热损失有何变化？解：设炉口为2，其余面为1。X2,1=1X1,2[w]炉口缩小：F2=(40.22)(2.50.22)=7.56[m2]F1=(43+32.5)2+42.5+42.57.56=51.44[m2][w]减小23.3%空气在定压下从t1=25℃被加热至t2=60℃，求该加热过程的平均温度。空气视为定比热容理想气体，已知其定压比热容cp=1.004kJ/(kg·K)解：(1)过程的热量kJ/kg空气的熵变kJ/(kg·K)(3)平均吸热温度℃为了确定高压下稠密气体的性质，取2kg气体在250at下从350K定压加热到370K．气体初、终状态的容积分别为0.03m3和0.035m3,加入气体的热量为700kJ，求初、终状态下气体内能的差值? 解：气体压力p=250at=245.17bar，既然是在定压下加热，p1=p2=245.17bar,则初、终状态的内能差为：往复式压气机把流量为2kg/min的空气由1bar、15℃压缩到10bar，排气管内空气的温度为155℃，管内径为50mm，进口速度忽略不计，试计算当压气机输入功率为6kW时，压气机与环境之间的传热量?已知R＝0.287kJ/kg.K，cp＝1.005kJ/kg.K。解:由能量方程且忽略位能的变化为:式中的c2可由连续性方程和气体状态方程求得，即则空气经压气机被绝热压缩。压气机入口处空气温度为27℃、压力为0.1MPa，出口处压力为0.5MPa、温度为220℃。已知空气的气体常数为0.287kJ/(kg·K)。(1)求生产1kg压缩空气所耗的轴功；(2)试判断此压缩过程是否可逆。解：(1)由稳态稳流能量方程式q=(h2–h1)+wt得生产1kg压缩空气所耗的功wc=–wt=(h2–h1)–q=cp(t2–t1)=193.87kJ/kg(2)1kg空气被压缩后的熵变kJ/(kg·K)而可见故为不可逆压缩过程温度为800K、压力为5.5MPa的燃气进入燃气轮机，在燃气轮机内绝热膨胀后流出燃气轮机。在燃气轮机出口处测得两组数据，一