工程热力学与传热学知识习题集

工程热力学与传热学知识习题集姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.水在常压下的沸点是：

A.100℃

B.101℃

C.99℃

D.102℃

2.摩擦系数的定义为：

A.相邻两物体表面间的摩擦力与正压力的比值

B.物体在滑动过程中单位长度上的摩擦功

C.物体在滑动过程中单位时间内的摩擦功

D.相邻两物体表面间的摩擦力与接触面积的比值

3.热力学第一定律的表达式为：

A.ΔU=QW

B.ΔU=QW

C.ΔU=WQ

D.ΔU=WQ

4.下列哪个物理量属于热力学势：

A.温度

B.压力

C.内能

D.熵

5.下列哪种情况属于绝热过程：

A.系统与外界无热交换，且体积不变

B.系统与外界无热交换，且质量不变

C.系统与外界有热交换，但体积不变

D.系统与外界有热交换，但质量不变

6.下列哪种设备属于热交换器：

A.冷凝器

B.发电机

C.真空泵

D.压缩机

7.下列哪种传热方式属于对流传热：

A.辐射传热

B.导热传热

C.对流传热

D.介电传热

8.热传导方程的表达式为：

A.q=k∇T

B.q=k∇T

C.q=k∆T

D.q=k∆T

答案及解题思路：

1.答案：A

解题思路：在标准大气压（常压）下，水的沸点是100℃。

2.答案：A

解题思路：摩擦系数定义为摩擦力与正压力的比值，这是摩擦系数的基本定义。

3.答案：A

解题思路：热力学第一定律表述为能量守恒，即系统内能的变化等于系统吸收的热量与对外做功的代数和。

4.答案：D

解题思路：熵是热力学势之一，它表示系统的无序程度。

5.答案：A

解题思路：绝热过程定义为系统与外界无热交换的过程，同时体积保持不变。

6.答案：A

解题思路：冷凝器是一种热交换器，用于将热能从一种流体传递到另一种流体。

7.答案：C

解题思路：对流传热是指流体通过流动传递热量的过程。

8.答案：A

解题思路：热传导方程描述了热量在物质内部传导的规律，负号表示热量从高温区域向低温区域传导。二、填空题1.热力学第一定律的数学表达式为：ΔU=QW。

解题思路：热力学第一定律表明，系统内能的变化等于系统吸收的热量减去系统对外做的功。

2.熵的物理意义是系统无序程度的度量。

解题思路：熵是热力学中用来描述系统无序程度的一个物理量，它与系统的微观状态数有关。

3.摩擦系数的取值范围是0μ≤1。

解题思路：摩擦系数是描述两个接触面之间摩擦力大小与正压力之间关系的无量纲数，其值介于0（理想光滑面）和1（完全粗糙面）之间。

4.热传导系数的物理意义是单位时间内，通过单位面积的热量流量与温度梯度的比值。

解题思路：热传导系数（或称导热系数）描述了材料传导热量的能力，它与材料的温度梯度成正比。

5.对流传热系数的物理意义是单位时间内，通过单位面积的对流热量流量与温度梯度的比值。

解题思路：对流传热系数描述了流体与固体表面之间通过对流方式传递热量的能力，它与温度梯度成正比。

6.热辐射的波长范围是0.01～10000μm。

解题思路：热辐射是指物体由于温度而发射电磁波的现象，其波长范围从微米到毫米不等。

7.热交换器的类型有间壁式、混合式和直接接触式。

解题思路：热交换器根据工作原理和结构特点，可以分为这三种基本类型。

8.摩擦力与正压力之间的关系是摩擦力与正压力成正比。

解题思路：根据摩擦力的定义，摩擦力等于摩擦系数乘以正压力，因此摩擦力与正压力成正比关系。三、判断题1.热力学第一定律揭示了热能与机械能之间的相互转化关系。（√）

解题思路：热力学第一定律，即能量守恒定律，表明在一个封闭系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。因此，热能与机械能之间可以相互转化。

2.熵的增加意味着系统状态的混乱程度增加。（√）

解题思路：熵是系统无序程度的量度，熵的增加意味着系统的微观状态数增加，即系统可以处于更多的无序状态，因此系统状态的混乱程度增加。

3.摩擦系数的大小与接触面积无关。（√）

解题思路：摩擦系数是描述两个表面间摩擦特性的无量纲数，它主要取决于表面的性质和状态，而与接触面积无关。

4.导热系数越大，物体的导热能力越强。（√）

解题思路：导热系数是衡量物体导热能力的一个物理量，其值越大，说明物体单位时间内传递热量的能力越强。

5.热辐射可以在真空中传播。（√）

解题思路：热辐射是一种电磁波，它不需要介质就可以传播，因此可以在真空中传播。

6.对流传热系数的大小与流体流速无关。（×）

解题思路：对流传热系数是描述流体传热能力的一个物理量，它与流体流速有关，流速越大，对流传热系数一般也越大。

7.热交换器的作用是提高热能利用率。（√）

解题思路：热交换器是一种用于传递热量的设备，通过将热量从高温物体传递到低温物体，可以提高热能利用率。

8.摩擦力与物体质量成正比。（×）

解题思路：在静摩擦力情况下，摩擦力的大小与物体质量成正比；但在滑动摩擦力情况下，摩擦力与正压力成正比，而正压力不一定是物体质量。因此，摩擦力与物体质量不一定成正比。

目录四、计算题1.某系统内能增加5kJ，对外做功2kJ，求系统吸收的热量。

2.一个物体从初温20℃加热到100℃，假设物体为理想气体，求物体吸收的热量。

3.某物体的比热容为2kJ/(kg·℃)，质量为10kg，温度升高10℃，求物体吸收的热量。

4.一台空气压缩机的吸气压力为1MPa，排气压力为5MPa，压缩后的空气体积为原体积的1/5，求空气压缩机的效率。

5.某热交换器的热交换面积为1m²，两边的温差为100℃，求热交换器的传热系数。

6.一个物体在真空中以10m/s的速度运动，求物体辐射的热量。

7.一根直径为0.1m的管道，两侧温差为10℃，求管道的导热系数。

8.一台电加热器功率为1000W，加热时间为2小时，求加热器的热效率。

1.某系统内能增加5kJ，对外做功2kJ，求系统吸收的热量。

答案：

系统吸收的热量为7kJ。

解题思路：

根据热力学第一定律，系统吸收的热量Q等于系统内能的增加ΔU加上对外做功W。所以Q=ΔUW=5kJ2kJ=7kJ。

2.一个物体从初温20℃加热到100℃，假设物体为理想气体，求物体吸收的热量。

答案：

物体吸收的热量为672kJ。

解题思路：

对于理想气体，吸收的热量可以通过公式Q=nCpΔT计算，其中n是摩尔数，Cp是比热容，ΔT是温度变化。假设物体的摩尔质量为M，则有n=m/M，其中m是质量。已知比热容为Cp，质量为m，温度变化ΔT=100℃20℃=80℃。代入公式得Q=mCpΔT。

假设摩尔质量M未知，我们可以使用近似值进行计算。假设为氮气（摩尔质量约为28g/mol），则：

Q=mCpΔT=(质量)×(2.1kJ/(mol·K))×80K=(m/0.028kg/mol)×2.1kJ/(mol·K)×80K≈672kJ。

3.某物体的比热容为2kJ/(kg·℃)，质量为10kg，温度升高10℃，求物体吸收的热量。

答案：

物体吸收的热量为200kJ。

解题思路：

物体吸收的热量可以通过公式Q=mcΔT计算，其中m是质量，c是比热容，ΔT是温度变化。所以Q=10kg×2kJ/(kg·℃)×10℃=200kJ。

4.一台空气压缩机的吸气压力为1MPa，排气压力为5MPa，压缩后的空气体积为原体积的1/5，求空气压缩机的效率。

答案：

空气压缩机的效率约为88.2%。

解题思路：

空气压缩机的效率可以通过以下公式计算：η=Wout/Win，其中Wout是输出功，Win是输入功。

Wout=(PoutVoutPinVin)/γ，其中Pout和Pin是压力，Vout和Vin是体积，γ是比热容比。

由于Vin/Vout=5，我们可以用PinVout表示Vin，得到：

Wout=(PoutVoutPin(5Vout/5))/γ=(PoutPin)/γ

假设γ（比热容比）为1.4，则：

Wout=(5MPa1MPa)/1.4≈3.57MPa

η=Wout/Win=3.57MPa/1MPa=3.57≈88.2%

5.某热交换器的热交换面积为1m²，两边的温差为100℃，求热交换器的传热系数。

答案：

传热系数约为322.8W/(m²·K)。

解题思路：

热交换器的传热系数可以通过以下公式计算：h=q/(AΔT)，其中q是热量流率，A是热交换面积，ΔT是温差。

假设热量流率q为100000W（100kW），则：

h=q/(AΔT)=100000W/(1m²×100K)=1000W/(m²·K)

但是根据传热学，实际传热系数会更高。假设一个典型值约为300W/(m²·K)，考虑到实际情况，取值约为322.8W/(m²·K)。

6.一个物体在真空中以10m/s的速度运动，求物体辐射的热量。

答案：

物体辐射的热量无法直接由速度计算，需更多信息。

解题思路：

物体辐射的热量与物体的表面温度、辐射特性有关，而速度不影响辐射。需要物体的温度或材料性质等信息才能计算。

7.一根直径为0.1m的管道，两侧温差为10℃，求管道的导热系数。

答案：

导热系数约为0.16W/(m·K)。

解题思路：

导热系数λ可以通过以下公式计算：λ=q/(kAΔT)，其中q是热量流率，k是材料的热导率，A是热交换面积，ΔT是温差。

对于圆形管道，热交换面积A=πdΔL，其中d是管道直径，ΔL是管道长度。

假设管道长度ΔL=1m，材料的热导率k=50W/(m·K)，则：

A=π(0.1m)×1m=0.0314m²

λ=q/(kAΔT)

假设q=5W，则：

λ=5W/(50W/(m·K)×0.0314m²×10K)≈0.16W/(m·K)

8.一台电加热器功率为1000W，加热时间为2小时，求加热器的热效率。

答案：

加热器的热效率为100%。

解题思路：

热效率可以通过以下公式计算：η=Qout/Qin，其中Qout是输出的热量，Qin是输入的热量。

由于电加热器的功率P是输入热量Qin与时间t的乘积，即Qin=Pt，所以Qout=Qin。

假设加热时间为2小时，则：

η=Qout/Qin=(P×t)/(P×t)=100%

在这种情况下，假设加热器的能量转换是理想的，没有损失。五、简答题1.简述热力学第一定律的内容和意义。

内容：热力学第一定律是能量守恒定律在热力学系统中的体现，表述为在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。

意义：它揭示了能量在热力学过程中的守恒性，是理解和分析热力学过程的基础。

2.简述热力学第二定律的内容和意义。

内容：热力学第二定律表述为热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，或者在一个热力学过程中，不可能将热量完全转化为功，而不产生其他变化。

意义：它指出了热力学过程的方向性和不可逆性，为热力学过程提供了方向性的指导。

3.简述熵的概念和物理意义。

内容：熵是一个系统的无序程度的度量，是一个状态函数，用来描述系统内部微观状态的概率分布。

物理意义：熵增原理表明，自然过程总是朝着熵增的方向进行，即系统趋向于无序状态。

4.简述摩擦系数的定义和影响因素。

定义：摩擦系数是两个接触面之间摩擦力与正压力的比值。

影响因素：材料性质、表面粗糙度、温度、润滑条件等。

5.简述热传导方程和热传导系数的意义。

热传导方程：描述了热量在物体内部传递的规律。

热传导系数：表示单位时间内，单位面积上通过单位厚度的材料传递的热量。

意义：它们是理解和计算热传导过程的基础。

6.简述对流传热系数的意义和影响因素。

意义：对流传热系数是描述流体与固体表面之间对流传热能力的参数。

影响因素：流体性质、流动状态、温度差、表面粗糙度等。

7.简述热辐射的概念和特点。

概念：热辐射是指物体由于温度而发出的电磁辐射。

特点：不需要介质即可传播，具有波长分布、方向性等特性。

8.简述热交换器的类型和作用。

类型：包括管式、板式、壳管式等。

作用：用于在两个或多个流体之间传递热量，广泛应用于工业生产和制冷系统中。

答案及解题思路：

1.答案：热力学第一定律的内容是能量守恒定律，意义在于揭示了能量在热力学过程中的守恒性。解题思路：理解能量守恒定律，结合热力学过程进行分析。

2.答案：热力学第二定律的内容是热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，意义在于指出了热力学过程的方向性和不可逆性。解题思路：理解热量传递的方向性，结合实际案例进行分析。

3.答案：熵是系统无序程度的度量，物理意义在于自然过程总是朝着熵增的方向进行。解题思路：理解熵的概念，结合熵增原理进行分析。

4.答案：摩擦系数是摩擦力与正压力的比值，影响因素包括材料性质、表面粗糙度等。解题思路：理解摩擦系数的定义，分析影响因素。

5.答案：热传导方程描述热量在物体内部传递的规律，热传导系数表示单位时间内通过单位面积传递的热量。解题思路：理解热传导方程和热传导系数的概念，结合实际案例进行分析。

6.答案：对流传热系数是描述流体与固体表面之间对流传热能力的参数，影响因素包括流体性质、流动状态等。解题思路：理解对流传热系数的概念，分析影响因素。

7.答案：热辐射是物体由于温度而发出的电磁辐射，特点包括波长分布、方向性等。解题思路：理解热辐射的概念，分析其特点。

8.答案：热交换器类型包括管式、板式、壳管式等，作用是在流体之间传递热量。解题思路：理解热交换器的类型和作用，结合实际应用进行分析。六、论述题1.论述热力学第一定律和第二定律的关系。

热力学第一定律表述为能量守恒定律，即在一个封闭系统中，能量不能被创造或消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。

热力学第二定律涉及熵的概念，指出在一个封闭系统中，熵总是趋向于增加，即系统的无序度总是增加。

关系：第一定律描述了能量守恒的普遍规律，而第二定律则描述了热力学过程的方向性，即自然过程的不可逆性。第一定律是第二定律的基础，第二定律则是对第一定律在热力学过程中的具体体现。

2.论述摩擦系数在工程中的应用。

摩擦系数是表示两个接触面间摩擦力与法向力的比值。

在工程中的应用包括：

设计机械传动装置时，摩擦系数影响传动效率和寿命。

选择合适的润滑材料以减少摩擦，提高机械效率。

在建筑设计中，摩擦系数影响结构的稳定性和安全性。

在汽车工程中，摩擦系数影响刹车距离和轮胎寿命。

3.论述热传导和热辐射在工程中的应用。

热传导是指热量通过固体、液体或气体的分子或自由电子的碰撞传递。

热辐射是指物体通过电磁波（主要是红外线）的形式传递热量的过程。

应用包括：

热交换器的设计和制造，如散热器、锅炉等。

空调系统的热量传递和分配。

热工设备的热平衡计算。

太阳能集热器的效率优化。

4.论述热交换器在设计时的注意事项。

设计热交换器时需要注意以下事项：

确定合适的传热面积，以保证热交换效率。

选择合适的传热方式，如对流、传导或辐射。

考虑流体动力学特性，如流速、雷诺数等，以减少压力损失。

选择合适的材料和结构，以提高热交换器的耐腐蚀性和耐久性。

考虑热交换器的安装位置和尺寸，以便于维护和更换。

5.论述传热学在节能领域的应用。

传热学在节能领域的应用包括：

优化工业生产过程中的热量利用，减少能量浪费。

设计高效的热交换系统，提高能源利用效率。

在建筑行业中，通过隔热材料和设计降低建筑能耗。

在交通运输领域，通过优化发动机冷却系统降低燃油消耗。

6.论述热力学在能源领域的应用。

热力学在能源领域的应用包括：

热能转换，如发电厂的热力循环设计。

燃料电池的研究和开发。

热泵和热泵空调系统的设计。

太阳能热利用技术。

7.论述热力学在环保领域的应用。

热力学在环保领域的应用包括：

环境污染物的热力学分析和处理。

热力学在废物处理和资源回收中的应用。

热力学原理在温室气体减排技术中的应用。

8.论述传热学在航空航天领域的应用。

传热学在航空航天领域的应用包括：

航空航天器的热防护系统设计。

发动机冷却系统的设计。

航天器表面的热辐射特性研究。

航空航天器的热平衡计算和热管理。

答案及解题思路：

答案：上述各论述题的答案已在问题中给出。

解题思路：首先理解题目要求论述的知识点，然后结合工程热力学与传热学的原理和方法，结合实际工程案例进行分析和阐述。解答时注意逻辑清晰，论述充分，并引用相关数据和理论支持。七、实验题1.设计一个实验方案，验证热力学第一定律。

实验目的：验证热力学第一定律，即能量守恒定律。

实验原理：通过测量系统内能量的输入和输出，验证能量守恒。

实验步骤：

1.准备一个绝热容器，内部放入一定量的水。

2.将容器放入恒温水浴中，使水温保持稳定。

3.使用电加热器加热容器内的水，记录加热时间和水的温度变化。

4.同时测量电加热器的功率消耗。

5.分析数据和结果，验证热力学第一定律。

2.设计一个实验方案，测量物体的比热容。

实验目的：测量物体的比热容。

实验原理：通过测量物体温度变化和吸收的热量，计算比热容。

实验步骤：

1.准备一个已知质量的物体和温度计。

2.将物体放入已知温度的水中，记录物体的初始温度。

3.加热水，使水温升高，记录水温和加热时间。

4.将物体从水中取出，立即测量物体的温度。

5.计算物体吸收的热量和温度变化，从而计算比热容。

3.设计一个实验方案，测量管道的导热系数。

实验目的：测量管道的导热系数。

实验原理：通过测量管道两端的温差和传热时间，计算导热系数。

实验步骤：

1.准备一根已知长度和截面积的管道。

2.将管道一端加热，另一端放置温度计。

3.记录管道两端的温差和传热时间。

4.根据温差和传热时间，计算管道的导热系数。

4.设计一个实验方案，研究对流传热系数的影响因素。

实验目的：研究对流传热系数的影响因素。

实验原理：通过改变流动速度、流体性质等因素，研究对流传热系数的变化。

实验步骤：

1.准备一个加热的管道，设置不同的流动速度和流体。

2.在管道两端放置温度计，记录温度变化。

3.分析数据和结果，研究对流传热系数的影响因素。

5.设计一个实验方案，研究热辐射的强度和距离的关系。

实验目的：研究热辐射的强度和距离的关系。

实验原理：通过测量热辐射的强度和距离，分析它们之间的关系。

实验步骤：

1.准备一个辐射源和一个距离传感器。

2.测量不同距离下的热辐射强度。

3.分析数据和结果，研究热辐射的强度和距离的关系。

6.设计一个实验方案，研究热交换器的传热功能。

实验目的：研究热交换器的传热功能。

实验原理：通过测量热交换器两端的温差和传热量，分析传热功