工程热力学与传热学习题集-复习

工程热力学与传热学习题集第一篇工程热力学根本概念五、简述题1、平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什幺要引入平衡态的概念？答：平衡状态是在不受外界影响的条件下，系统的状态参数不随时间而变化的状态。而稳定状态那么是不管有无外界影响，系统的状态参数不随时间而变化的状态。可见平衡必稳定，而稳定未必平衡。热力学中引入平衡态的概念，是为了能对系统的宏观性质用状态参数来进行描述。2、表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？假设工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？答：答：表压力和真空度不能作为状态参数进行热力计算，因为这两者都是相对压力，不是绝对压力，只有绝对压力才是任何时候都不会变化的，压力表和真空计的读数当测量的环境不同时，会发生变化。因为压力表和真空计的读数取决于容器中的气体压力和压力表真空计所处的环境的压力两个因素，当工质压力不变，但环境的压力发生变化的时候，表压力和真空度的读数也会发生变化。3、真空表指示数值愈大，被测对象的实际压力愈大还是愈小？答：真空表指示数值愈大，被测对象的实际压力愈小，因为，真空表的数值是环境压力和绝对压力之差，环境压力不变，绝对压力愈小，真空表数值愈大。4.准平衡过程与可逆过程有何区别？答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。5.不可逆过程是无法回复到初态的过程，这种说法是否正确？答：不正确。不可逆过程是指不管用任何曲折复杂的方法都不能在外界不遗留任何变化的情况下使系统回复到初态，并不是不能回复到初态。6.没有盛满水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧，这是什幺原因？答：水温较高时，水对热水瓶中的空气进行加热，空气压力升高，大于环境压力，瓶塞被自动顶开。而水温较低时，热水瓶中的空气受冷，压力降低，小于环境压力，瓶塞被自动吸紧。7.用U形管压力表测定工质的压力时，压力表液柱直径的大小对读数有无影响？答：严格说来，是有影响的，因为U型管越粗，就有越多的被测工质进入U型管中，这局部工质越多，它对读数的准确性影响越大。热力学第一定律五、简述题1、绝热刚性容器，中间用隔板分为两局部，左边盛有空气，右边为真空，抽掉隔板，空气将充满整个容器。问：⑴空气的热力学能如何变化？⑵空气是否作出了功？⑶能否在坐标图上表示此过程？为什么？答：〔1〕空气向真空的绝热自由膨胀过程的热力学能不变。〔2〕空气对外不做功。〔3〕不能在坐标图上表示此过程，因为不是准静态过程。2.以下说法是否正确？⑴气体膨胀时一定对外作功。错，比方气体向真空中的绝热自由膨胀，对外不作功。⑵气体被压缩时一定消耗外功。对，因为根据热力学第二定律，气体是不可能自压缩的，要想压缩体积，必须借助于外功。⑶气体膨胀时必须对其加热。错，比方气体向真空中的绝热自由膨胀，不用对其加热。⑷气体边膨胀边放热是可能的。对，比方多变过程，当n大于k时，可以实现边膨胀边放热。⑸气体边被压缩边吸入热量是不可能的。错，比方多变过程，当n大于k时，可以实现边压缩边吸热。⑹对工质加热，其温度反而降低，这种情况不可能。错，比方多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，其温度反而降低。3、“任何没有体积变化的过程就一定不对外作功〞的说法是否正确？图2-6图2-6思考题4附图试比拟图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中以下各量的大小：⑴W12与W1a2；(2)U12与U1a2；(3)Q12与Q1a2答：〔1〕W1a2大。(2)一样大。〔3〕Q1a2大。说明以下各式的应用条件：⑴闭口系的一切过程⑵闭口系统的准静态过程⑶开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零⑷开口系统的稳定定压流动过程，并且轴功为零；或者闭口系统的定压过程。膨胀功、轴功、技术功、流动功之间有何区别与联系？流动功的大小与过程特性有无关系？答：膨胀功是系统由于体积变化对外所作的功；轴功是指工质流经热力设备〔开口系统〕时，热力设备与外界交换的机械功，由于这个机械工通常是通过转动的轴输入、输出，所以工程上习惯成为轴功；而技术功不仅包括轴功，还包括工质在流动过程中机械能〔宏观动能和势能〕的变化；流动功又称为推进功，1kg工质的流动功等于其压力和比容的乘积，它是工质在流动中向前方传递的功，只有在工质的流动过程中才出现。对于有工质组成的简单可压缩系统，工质在稳定流动过程中所作的膨胀功包括三局部，一局部消耗于维持工质进出开口系统时的流动功的代数和，一局部用于增加工质的宏观动能和势能，最后一局部是作为热力设备的轴功。对于稳定流动，工质的技术功等于膨胀功与流动功差值的代数和。如果工质进、出热力设备的宏观动能和势能变化很小，可忽略不计，那么技术功等于轴功。七、计算题。P29习题2-1答：，所以是压缩过程2-2答：2-3答：2-4答：状态b和状态a之间的内能之差为：所以，a-d-b过程中工质与外界交换的热量为：工质沿曲线从b返回初态a时，工质与外界交换的热量为：根据题中给定的a点内能值，可知b点的内能值为60kJ，所以有:由于d-b过程为定容过程，系统不对外作功，所以d-b过程与外界交换的热量为：所以a-d-b过程系统对外作的功也就是a-d过程系统对外作的功，故a-d过程系统与外界交换的热量为：2-5答：过程QkJWkJUkJ1-21390013902-30395-3953-4-10000-10004-10-552-6答：由于汽化过程是定温、定压过程，系统焓的变化就等于系统从外界吸收的热量，即汽化潜热，所以有：内能的变化为：2-8答：压缩过程中每千克空气所作的压缩功为：忽略气体进出口宏观动能和势能的变化，那么有轴功等于技术功，所以生产每kg压缩空气所需的轴功为：所以带动此压气机所需的功率至少为：2-9答：是否要用外加取暖设备，要看室内热源产生的热量是否大于通过墙壁和门窗传给外界的热量，室内热源每小时产生的热量为：小于通过墙壁和门窗传给外界的热量为3105kJ，所以必须外加取暖设备，供热量为：2-10答：取容器内的气体作为研究的热力学系统，根据系统的状态方程可得到系统终态体积为：过程中系统对外所作的功为：所以过程中系统和外界交换的热量为：为吸热。2-12答：由于过程是稳定流动过程，气体流过系统时重力位能的变化忽略不计，所以系统的能量平衡式为:其中，气体在进口处的比焓为：气体在出口处的比焓为：气体流过系统时对外作的轴功为：所以气体流过系统时对外输出的功率为：1、某蒸汽动力厂中锅炉以40T/h的蒸汽供入蒸汽轮机。进口处压力表上读数是9MPa，蒸汽的焓是3441kJ/kg。蒸汽轮机出口处真空表上的读数是0.0974MPa,出口蒸汽的焓是2248kJ/kg,汽轮机对环境散热为6.81*105kJ/h。求:(1)进、出口处蒸汽的绝对压力〔当场大气压是101325Pa〕(2)不计进、出口动能差和位能差时汽轮机的功率；(3)进口处蒸汽为70m/s,出口处速度为140m/s时对汽轮机的功率有多大的影响。(4)蒸汽进出、口高度差是1.6ｍ时，对汽轮机的功率又有多大影响？解:(1)P2=pb–pv2=0.101325-0.00974=0.3925Χ10-2MPa(2)据稳流能量方程，每小时功率为〔3〕假设计及进出口动能差，那么即汽轮机功率将减少81.7kw〔4〕假设计及位能差，那么即汽轮机功率将增加0.174kw想气体的性质与热力过程五、简述题理想气体的和之差及和之比是否在任何温度下都等于一个常数？答：理想气体的和之差在任何温度下都等于一个常数，而和之比不是。2、如果比热容是温度t的单调增函数，当时，平均比热容、、中哪一个最大？哪一个最小？答：由、、的定义可知，其中，其中，其中因为比热容是温度t的单调增函数，所以可知>，又因为故可知最大，又因为：所以最小。3、夏天，自行车在被晒得很热的马路上行驶时，为何容易引起轮胎爆破？答：夏天自行车在被晒得很热的马路上行驶时，轮胎内的气体〔空气〕被加热温度升高，而轮胎的体积几乎不变，所以气体容积保持不变，轮胎内气体的质量为定值，其可视为理想气体，根据理想气体状态方程式PV=mRT可知，轮胎内气体的压力升高，即气体作用在轮胎上的力增加，故轮胎就容易爆破。第四章热力学第二定律五、简述题循环的热效率公式和有何区别？各适用什么场合？答：前式适用于各种可逆和不可逆的循环，后式只适用于可逆的卡诺循环。循环输出净功愈大，那么热效率愈高；可逆循环的热效率都相等；不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率，这些说法是否正确？为什么？答：不正确，热效率为输出净功和吸热量的比，因此在相同吸热量的条件下，循环输出的出净功愈大，那么热效率愈高。不是所有的可逆循环的热效率都相等，必须保证相同的条件下。在相同的初态和终态下，不可逆循环的热效率一定小于可逆循环的热效率。热力学第二定律可否表述为“机械能可以全部变为热能，而热能不可能全部变为机械能〞？答：不对，必须保证过程结束后对系统和外界没有造成任何影响这一条件。否那么热能可以全部变为机械能，比方理想气体的定温膨胀过程，系统把从外界吸收的热量全部转化为机械能，外界虽然没有任何任何变化，但是系统的体积发生改变了。以下说法是否正确？为什么？答：〔1〕熵增大的过程为不可逆过程；答：不正确，只有孤立系统才可以这样说；〔2〕不可逆过程的熵变无法计算；答：不正确，S为状态参数，和过程无关，知道初态和终态就可以计算；〔3〕假设工质从某一初态经可逆与不可逆途径到达同一终态，那么不可逆途径的必大于可逆途径的；答：不对，S为状态参数，和过程无关，相等；工质经历不可逆循环后；答：不对，工质经历可逆和不可逆循环后都回到初态，所以熵变为零。自然界的过程都是朝着熵增的方向进行的，因此熵减小的过程不可能实现；答：不对，比方系统的理想气体的可逆定温压缩过程，系统对外放热，熵减小。工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小。答：工质被加热熵一定增大，但是系统放热，熵不一定减小。如果是可逆过程，熵才一定减小。假设工质从同一初态出发，分别经历可逆绝热过程与不可逆绝热过程膨胀到相同的终压力，两过程终态的熵哪个大？对外作的功哪个大？试用坐标图进行分析。答：不可逆过程熵大，可逆过程作功大如果工质从同一初态出发，分别经历可逆定压过程与不可逆定压过程，从同一热源吸收了相同的热量，工质终态的熵是否相同？为什么？答：不相同，因为二者对外所作的功不同，而它们从同一热源吸收了相同的热量，所以最终二者内能的变化不同，故此二者的终态不同，由于熵是状态参数，它们从同一初态出发，故终态的熵不同。六、计算题P1014-1答:由热量守恒由克劳休斯不等式：它的设计是不合理的4-2答：采用电炉取暖时，当采用电动机带动卡诺热泵时，4-3、某可逆热机工作在温度为150℃的高温热源和温度为10℃的低温热源之间，试求〔1〕热机的热效率为多少？〔2〕当热机输出的功为2.7kJ时，从高温热源吸收的热量及向低温热源放出的热量各为多少？〔3〕如将该热机逆向作为热泵进行在两热源之间，热泵的供热系数为多少？当工质从温度为10℃的低温热源吸收4.5kJ/s的热量时，要求输入的功率为多少？答：：，〔1〕〔2〕，〔3〕，4-4答：对于制冷机对于热机4-7答：〔1〕由孤立系统熵增原理：所以有：〔2〕总功量为：〔3〕所以总熵变为：4-8答：选取两个容器中的气体为热力学系统，过程中系统绝热且无外功，所以设终态容积分别为,联立求解所以有：左侧气体熵变：右侧气体熵变：总熵变为第五章水蒸气与湿空气四、简述题1、有无0℃或低于0℃的蒸汽存在？有无低于0℃的水存在？为什么？答：有0℃或低于0℃的蒸汽存在，只要压力足够低就可能，但是没有低于0℃的水存在，因为水的三相点温度为0.01℃，低于三相点温度，只可能是固态或是气态。2、25MPa的水，是否也象1MPa的水那样经历汽化过程？为什么？答：不可以，因为水的临界点压力为22.12MPa，故此，当压力高于临界压力时，它的汽化不经过气液两相区，而是由液相连续的到达气相。3、试解释湿空气、湿蒸汽、饱和湿空气。答：湿空气是指含有水蒸气的空气，是干空气与水蒸气的混合物，湿空气中的水蒸气通常处于过热状态。湿蒸汽是饱和液体和饱和蒸汽的混合物，二者处于两相的平衡状态。饱和湿空气是指湿空气中的水蒸气到达饱和状态，湿空气不再具有吸收水分的能力，如果再参加水蒸气，就会凝结出水珠。4、对未饱和湿空气与饱和湿空气分别判断干球温度、湿球温度、露点温度三者的大小。答：未饱和湿空气：干球温度>湿球温度>露点温度饱和湿空气：干球温度>湿球温度＝露点温度同一地区阴雨天的大气压力为什么比晴朗天气的大气压力低？答：阴雨天相对湿度高，水蒸气分压力大。早晨有雾，为什么往往是好天气？答：早晨有雾，说明湿空气中含有许多小水滴，湿空气为饱和湿空气，当温度逐渐上升后，小水滴逐渐汽化，所以往往是好天气。第二篇传热学第八章热量传递的根本方式二、简述题1、在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20℃答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同，夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是从室外传向室内。而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内外表温度不同，夏季高而冬季低。因此，人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。所以同样的温度，冬季穿衬衫会感到冷。2、冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？答：假定人体外表温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时相当于自然对流换热，而空气的强制对流换热强度要比自然对流换热强烈，所以有风时从人体带走的热量更多。第九章导热二、简述题1、利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？答：当其他条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室之间增加了一个附加热阻，因此，要到达相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度，所以结霜的冰箱耗电量更大。2、冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来感到很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显，试解释原因。答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能，而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。写出导热傅里叶定律表达式的一般形式，说明其适用条件及式中各符号的物理意义。答：导热傅里叶定律表达式的一般形式：只适用于各向同性物体，式中：—法线上单位向量，—沿法线方向的方向导数，是表征物体导热能力的热导率。4、为什么导电性能好的金属导热性能也好？答：这是因为金属的导热和导电都主要依靠自由电子的运动。5、什么是接触热阻？接触热阻的主要影响因素有哪些？答：两个固体外表相接触，未接触的空隙中充满空气或其他气体，由于气体的热导率远小于固体，对两个固体间的导热产生导热热阻。主要影响因素有：相互接触的物体外表的粗糙度、硬度和两外表之间的压力。第十章对流换热三、简述题1、何谓流动边界层？它的厚度是如何规定的？答：当连续性粘性流体流过固体壁面时，由于粘性力的作用，紧靠壁面的一薄层流体内的速度发生明显变化，这一薄层叫做流动边界层。规定速度到达处的y值作为边界层的厚度。2、何谓温度边界层？它的厚度是如何规定的？答：当温度均匀的物体与它所流过的固体壁面温度不同时，在壁面附近将形成一层温度变化较大的流体层，规定流体过余温度处到壁面的距离为热边界层的厚度。3、说明努塞尔数Nu和普朗特数Pr的物理意义？答：努塞尔数Nu表征流体在壁面法线方向上的平均无量纲温度梯度，其大小反映对流换热的强弱。普朗特数Pr是流体的物性特征数，表征流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小。4、说明雷诺数Re和格拉晓夫数Gr的物理意义？答：雷诺数表征流体惯性力与粘性力的相对大小，反映了流体运动对对流换热的影响。格拉晓夫数表征浮升力与粘性力的相对大小，反映自然对流的强弱。5、有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却，为使稀饭凉得更快一些，你认为应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？答：从稀饭到凉水是一个传热过程，显然，稀饭和水的换热在不搅动时属于自然对流换热。而稀饭的换热要比水差，因此，要强化传热增加散热量，应该用搅拌的方式强化稀饭侧的传热。第十一章辐射换热二、简述题1、人造地球卫星在返回地球外表时为何容易被烧毁？答：卫星在太空中正常运行的时候，其外表的热量传递方式主要依靠与太空及太阳等星体的辐射。而在卫星返回地面的过程中，由于与大气层之间的摩擦，产生大量的热量，无法及时散失，因而易被烧毁。2、简要说明对流换热的主要影响因素？答：〔1〕流动的起因；〔2〕流动的状态；〔3〕流体有无相变；〔4〕流体的物理性质；〔5〕换热外表的几何因素。3、试述物理现象相似的条件？答：①同类现象，指具有相同的物理性质、用形式和内容完全相同的微分方程描写的物理现象。②单值性条件相似。③同名已定特征数相等。4、有人说：“颜色愈黑的物体发射率愈大〞正确吗？说明为什么？答：不对，颜色和物体发射率无关，物体对于外来能量吸收率上下，不能依靠物体的颜色来判断，物体对外来辐射的吸收和反射能力与物体的性质、外表状态和所处的温度和发射体的温度等因素都有关系。5、