《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）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Rg2．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=0.287kJ/(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=2605．一定量的空气，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过程Ｑ（kJ）△Ｕ（kJ）Ｗ（kJ）１２12100２３0250３４-9800４１06．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80特征数关联式：（1）紊流：条件：（2）层流：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<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．答：由图可知，s2>s1，则q=>0，吸热；v2>v1，则w=>0，对外作功；T2<T1，则<0，热力学能降低。5．答：在相同压力下，（1）t=200C>ts，处于过热蒸气状态；（2）t=160C<ts，处于未饱和水状态；（3）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=0.073kg2.解：对于空气，k=1.4cV=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=0.1MpaT2=T1p2/p1=300×0.4/0.1=1200K(1)循环功wnetw1-2=0q2-3=0w2-3=-u2-3=cV(T2-T3)=0.717×(1200-807.54)=281.39kJ/kgw3-1=p1(v1-v3)=Rg(T1-T3)=0.287×(300-807.54)=-145.66kJ/kgwnet=w1-2+w2-3+w3-1=0+281.39-145.66=135.73kJ/kg(2)热效率tq1-2=u1-2=cV(T2-T1)=0.717×(1200-300)=645.3kJ/kg循环吸热量q1=q1-2=645.3kJ/kgq3-1=h3-1=cp(T1-T3)=1.004×(300-807.54)=-509.57kJ/kg循环放热量q2=q3-1=409.17kJ/kgt=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Bi<0.1。(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=mRgTT1=27+273.15=300.15Kp1=0.5MPa(1)设阀门开启时，筒内气体为温度为T2’K。又p2’=0.8MPaV2’则T2’=p2/p1T1=0.8/0.5×t2’=T2’-273.15=480.24-273.15=207.09(2)设损失掉的氧气质量为mkg。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’=480.24Kp2=0.75MPaV2=V1则损失掉的氧气质量为m=m1-m2=0.173-0.162=0.011kg5．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）ΔU(kJ)W(kJ)1-21210(1210)02-30(-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=230kJ或W0=Q0=1210+0-980+0=230kJ（3）循环热效率Q1=1210kJ6．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=0.1MPa，p2=0.9MPa，则则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2mm热流密度保温层厚度=34.6m9．解：假设Bi<0.1成立，可用集总参数法计算。对于球体，V/A＝R/3，则又＝20s，t=ts=500ºC，