热力学与传热学

《工程热力学与传热学》综合复习资料一、 判断说明下列说法是否正确1、 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。2、 工程上常用的空气的热导率随温度的升高而降低。3、 某种理想气体经过一个不可逆循环后，其熵的变化值大于零。4、 功的数值仅仅取决于工质的初态和终态，与过程无关。5、 理想气体吸热后，温度一定升高。6、 牛顿冷却公式中的△《可以改为热力学温度之差△"7、 在温限相同的情况下，卡诺循环的热效率最高。8、 摩尔气体常数R的数值随气体的种类不同而不同。9、 角系数不仅取决于物体的形状、大小、距离和相对位置，也与物体的种类和温度有关。二、 简答题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？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？倘使容器中气体的压力没有改变，安装在该容器上的压力表的读数不会改变？为什么？在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？同一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么？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Au的正负。已知H2O在压力为p=1.0MPa时饱和温度为ts-]79.88°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。如图所示，A、B为工作在Th和Tl间的二个可逆循环，其热效率分别为qA、门B，试比较二者热效率的高低。IL0IHIL0IH写出努塞尔数(Nu)的表达式及物理意义。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?

三、计算题一循环，工质从高温热源吸热3.4X106kJ,输出功率1.1X106kJ。试计算该循环的热效率nt。若循环是在温度分别为577°C和30°C的恒温热源间完成的，试计算该循环的热效率nt与同温限下卡诺循环的热效率nc之比。可视为理想气体的空气在活塞中从1bar、20C经历一可逆绝热过程后，压力升为6bar。已知空气的比定压热容cp=1.0kJ/(kg-K),比定容热容cV=0.71kJ/(kg-K)o试计算该过程终了时空气的温度，每千克空气所作的膨胀功。(1)将氧气压送到容积为2m3的储气罐内，初始时表压力为0.3bar，终态时表压力为3bar，温度由t「45C升高到t「80C。试求压入的氧气质量。当地大气压为Pb=760mmHg，氧气Rg=260J/(kg-K)。(1)2kg温度为25C，压力为2bar的空气经过一个可逆定压过程后「温度升为200C。已知空气的比定压热容cp=1.0kJ/(kg-K)，比定容热容cv=0.71kJ/(kg•K)o试计算：(1)该过程的膨胀功；(2)过程热量。一卡诺热机工作于500C和200C的两个恒温热源之间。已知该卡诺热机每秒中从高温热源吸收100kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。在一根外直径为120mm的蒸汽管道外包一厚度为25mm的石棉保温层，保温层的导热系数为0.10W/(m-K)。已知管子外表面温度为250C，保温层外表面的温度为38C，试求单位管长的热损失。水以1.8m/s的速度从内径为20mm的铜管内流过。已知铜管壁面温度为70C，进口水温为30C，试确定将水加热到50C时所需的管长。水的有关物性及管内换热关系式如下：不同温度下水的物性参数TCPkg/m3cpkJ/(kg-K)入w/(m-K)门X104kg/(m-s)VX106m2/sPr30995.74.1740.6188.020.8055.4240992.24.1740.6346.540.6594.3150988.14.1740.6485.490.5563.5460983.24.1790.6594.700.4782.9970977.84.1870.6684.060.4152.55经验关联式:d1门(1)层流叫=1.86(RePry)3(-f)0.14w流体被加热，m=0.4,n=0.11流体被冷却，m=0.3,n=0.25适用条件：Ref<2200, Ref流体被加热，m=0.4,n=0.11流体被冷却，m=0.3,n=0.25门(2)紊流叫=0.023Ref庭Pr「(1)nw适用条件：Ref>104,d>50一定量的空气，经过下列四个可逆多变过程组成的循环。试求：(1)填充下表所缺数据；(2)循环净功;(3)该循环的热效率。过程Q(kJ)AU(kJ)W(kJ)

1-212101-212102-303-4-9804-1002500有一厚度为20cm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800OC和50弋，试确定该保温层的厚度。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p=7200kg/m3、比热为c=400J/(kg.K)、热导率为人=200W/(m-K)o正常状态下金属球的温度为t°=25°C，当突然受到温度为t^=675°C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)o提示：利用集总参数法分析计算。热电厂中有一水平放置的蒸汽管道，保温层外径d=383mm，壁温tw=48°C，周围空气的温度t/22°C。试计算蒸汽管道保温层外壁面的对流散热量。特征数关联式：Num=c(GrPr)«c和n的值系数c和指数n(GrPr)m范围流态cn横圆层流0.41/4104〜1.5X108柱湍流80.101/3>1.5X108空气的物性参数t°C*102W/(m.K)VX106m2/sPr202.5915.060.703302.6716.000.701402.7616.960.699502.8317.950.698参考答案一、 判断下列说法是否正确1、 不正确。原因：对于稳定流动的开口系统其质量可保持恒定。2、 不正确。原因：工程温度范围内，常用空气的热导率随温度的升高而升高。3、 不正确。原因：熵是状态参数，不管循环是否可逆，工质的熵变均为零。4、 不正确。原因：功是过程量，其数值与工质所经历的中间途径有关。即使初终态相同，但若经历的途径不同，功值是不同的。5、不正确。原因：气体吸热Q>0，而△U=Q-W，理想气体AUfcUT，^^T是否大于零还取决于W的大小。6、 正确。原因：摄氏度与热力学温度的温差相等，At=ATo7、 正确。原因：符合卡诺定理。8、 不正确。原因：摩尔气体常数既与气体状态无关，也与气体性质无关。9、 不正确。原因：对于漫射体而言，角系数是一个纯几何因素，仅取决于物体的形状、大小、距离和相对位置。二、 简答题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。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。 °倘使容器中气体的压力没有改变，安装在该容器上的压力表的读数不会改变？为什么？答：有可能变化。因为容器中气体的绝对压力等于其表压力与大气压力之和。而大气压力可随着许多因素而变化，即使气体的绝对压力不变，其表压力仍有可能变化。在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？答：采用多孔的空心砖较好。因为气体的热导率远小于固体的热导率，相对实心砖而言，空心砖的热导率较小、导热热阻较大，在冬天可减少房屋的散热损失，利于保温。夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？答：表面没有结霜的容器的隔热性能更好。对于储存液态氮的容器来说，内部液体温度低，外部四周空气温度高，热量自外向内传递。表面上已结霜的容器外表面换热温差较大，对流换热量大，亦即传递到容器内部

的热量就多，说明其隔热性差。同一物体内不同温度的等温线能够相交，对吗？为什么?答：不对。同一物体内任一点在同一瞬间只有一个温度值，不可能具有两个以上的温度。答：由图可知，s>s,则4=j2Tds>0,吸热；v>v，则w=\2pdv>0,对外作功；T<T,则△〃=\2cdT<0,2 1 2 1 2 11 1 1V热力学能降低。答：在相同压力下，（1）1=200。0,，处于过热蒸气状态，；（2）1=160。*匚，处于未饱和水状态，；（3）干度x=0.6e（0，1），处于湿饱和蒸气状态，。答：对于循环A，平均吸热温度T<T<T；循环B，平均吸热温度T=T；二循环的放热温度均为T=T，LA1H B1H 2L则门=1-T/T=1-T/T<1-T/T，门=1-T/T=1-T/T， 贝血<n。A2A1LA1 LHB2B1 LH AB答：Nu=也=_（竺）；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。人 8Yy=。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。三、计算题1.解：循环热效率的计算:门=解：循环热效率的计算:门=匕=1.1x106x100%=32.35%'Q1相应卡诺循环的热效率:3.4x106,T,39+273.15=1一一=1- =0.6434=64.34%T577+273.15二者比值为:乌=3235%=。.5。28二者比值为:64.34%门64.34%c2.解：p1=1bar p2=6barT=20+273.15=293.15K解：p1=1bar p2=6barT=20+273.15=293.15K1kgcj1.4由题意知:1一2为可逆绝热过程，k-1k=293.15x‘6、14一16|1.4=492.69K11JAu=c(T一T)=0.71x(492.69一293.15)=141.68kJ/kgq=0，则1,2V2 1w=q-Au=-Au=-141.68kJ/kg3.(1)解：V=2m3 pb=760mmHg=1.01325bar p=p+pbp=p+p=0.3+1.01325=1.31325barp=p+p=3+1.01325=4.01325bar1e1b 2e2b理想气体状态方程：pV=mRTg初态时罐内氧气质量为m=P1」=1.3'32'x'°，x)=3.178kg1RT260x(45+273.15)终态时罐内氧气质量为m=^L=4.01325x105x2=8.748kg2RT260x(80+273.15)则压入的氧气质量为Am=m2-m1=8.748-3.178=5.57kg

解：pi=2bar T1=25+273.15=298.15K T「200+273.15=473.15K对状态1有：pV=mRT则V=竺H=2*287*29&15=0.8557m311g1ip 2*1051T473151一2为定压过程p2=p1=2bar匕=芋匕=菠下*0.8557=1.3579m31过程功W]2=j2pdV=p1(V2-匕)=2*105*(1.3579-0.8557)=100.45[kJ](2)过程热量Q=AH12=mcJ-T1)=2*1.0*(473.15-298.15)=350[kJ]5.解：该卡诺热机的热效率：门=1-二=1-200+273.15=0.388=38.8%c T1 500+273.15输出功率为：P。="c

=100*0.388=38.8kW6.解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。由题意知:d1=120mm d2=d1+25=120+2*25=170mm tw1=250°C匕=38"t—t—t—w1 W2—1Id ln—2兀人 d1250-381 7170 In

2*3.14*0.10120=382.432[w/m]7.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t7.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t=/+*f=50+30=40。。f2 2壁温tw=70oC水的物性参数为：Pf=992.2kg/m3 c=4174J/(kg•K)入f=入f=0.634W/(m-K)v=0.659*10-6m/sPrf=4.31n=n=6.54*10-4kg/(m.s)=4.06*10-4kg/(m.s)判断流态Re=里=1.8*0.02=5.4628*104>104为湍流fv0.659*10-6f选择公式，计算表面传热系数tw>t,，流体被加热时，m=0.4,n=0.11；假设满足/>50，则nNu=0.023Re0.8Pr0.4( )0.11f ffnw

=0.023x(5.4628=0.023x(5.4628x104)o.8x(4.31)0.4x(6.54M1114.06)=268.058h=Nu匕=268.058x0634=8497.43W/(m2-K)

fd 0.02(4)计算管长热平衡方程：中=—d2upc(t"—t')=h冗dl(t—t)4ffpfff wfpudc(pudc(t”—t')l=ff__p^f——f—4h(t )992.2x1.8x0.02x4174x(50—30)=2.924[m]4x8497.43x(70—40)校核：/d—2.924002—146,2>50成立’计算可靠。8.9.解：(1)填表9.对每一过程有：Q如W 对循环有顷=。玲=W。过程Q(kJ)AU(kJ)W(kJ)1-21210(1210)02-30(-250)2503-4-980(-980)04-10(20)(-20)(2)循环净功(3)循环热效率Q=1210kJw门=—0-230= =0.19=19%1cQ11210Wo=Wi2+W23+W34+W4j0+250+0-20=230kJ或W0=Q0=1210+0-980+0=230kJ解：这是一个通过两层平壁的导热过程。设保温层厚度为々mm，则热流密度q=—=£1-，2=800—¥<1500W/m2

Ao5 0.208才+I"U+茄12保温层厚度8=(tw1—tw2—%认>(80°—50—02)