熱力學與傳熱學

1、僅供個人參考For pers onal use only in study and research; not for commercial use蒞工程熱力學與傳熱學綜合復習資料薃一、判斷說明下列說法是否正確薂1、閉口系與外界無物質交換，系統(tǒng)內質量保持恒定，那么系統(tǒng)內質量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)。蝿2、工程上常用的空氣的熱導率隨溫度的升高而降低。螇3、某種理想氣體經(jīng)過一個不可逆循環(huán)后，其熵的變化值大于零。羃4、功的數(shù)值僅僅取決于工質的初態(tài)和終態(tài)，與過程無關。莃5、理想氣體吸熱后，溫度一定升高。薇6、牛頓冷卻公式中的At 可以改為熱力學溫度之差 T。裊7、在溫限相同的情況下，卡諾循環(huán)的熱

2、效率最高。蒂&摩爾氣體常數(shù) R的數(shù)值隨氣體的種類不同而不同。肅9、角系數(shù)不僅取決于物體的形狀、大小、距離和相對位置，也與物體的種類和溫度有關。蚈二、簡答題羋1 有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進行冷卻。為使稀飯涼的更快一些， 你認為他應該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？膅2 對于高溫圓筒壁來說，加保溫層一定能降低對外散熱量，對嗎？為什么？蕿3 倘使容器中氣體的壓力沒有改變，安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)不會改變？為什么？蝕4 .在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？不得用于商業(yè)用途僅供個人參考莆5 夏天，有兩個完全相同的儲存液態(tài)氮的容器放置在一起，一個表面上

3、已結霜，另一個沒有。請問哪一個 容器的隔熱性能更好？為什么？薅6 .同一物體內不同溫度的等溫線能夠相交，對嗎？為什么芀7 在p-v圖中有一可逆過程 1-2，工質為理想氣體。試判斷其過程熱量q、過程功w以及熱力學能變化：u和的正負。蕆8 .已知H2O在壓力為p=1.0MPa時飽t=200 C;( 2) p=1.0MPa、t=160 0(C。試判斷H2O在下列情況下的狀態(tài)：(1 )p=1.0MPa、A B,試比較二者熱效率的高、干度 x=0.6。蒄9 如圖所示，A B為工作在Th間的二個可逆循環(huán)，其熱效率分別為低。羄10 寫出努塞爾數(shù)(NU的表達式及物理意義。肀11 冬天，在相同的室外溫度條件下，

4、為什么騎摩托車比步行時感到更冷些，一般要戴皮手套和護膝？薈三、計算題袇1.一循環(huán)，工質從高溫熱源吸熱3.4 x 106 kJ，輸出功率1.1 x 106kJ。試計算該循環(huán)的熱效率n t。若循環(huán)是在溫度分別為 577 C和30 C的恒溫熱源間完成的，試計算該循環(huán)的熱效率n t與同溫限下卡諾循環(huán)的熱效率n c之比。莄2 .可視為理想氣體的空氣在活塞中從1 bar、20C經(jīng)歷一可逆絕熱過程后，壓力升為6bar。已知空氣的比定壓熱容cp=1.0 kJ/(kg K),比定容熱容cv=0.71 kJ/ (kg K)。試計算該過程終了時空氣的溫度，每千克空氣所作的膨脹功。螀3 (1)將氧氣壓送到容積為2mi

5、的儲氣罐內，初始時表壓力為 0.3bar ,終態(tài)時表壓力為3bar,溫度由11=45 C升高到t2=80C。試求壓入的氧氣質量。當?shù)卮髿鈮簽镻b=760mmHg氧氣R=260J/ ( kgK)。薀4 (1) 2kg溫度為25 C,壓力為2 bar的空氣經(jīng)過一個可逆定壓過程后，溫度升為200 C。已知空氣的比定壓熱容cp=1.0 kJ/ ( kg K)，比定容熱容cv=0.71 kJ/ ( kg K)。試計算：(1)該過程的膨脹功；(2)過程熱量。羅5 一諾熱機工作于 500 C和200 C的兩個恒溫熱源之間。已知該卡諾熱機每秒中從高溫熱源吸收100 kJ ,求該卡諾熱機的熱效率及輸出功率。袃6

6、.在一根外直徑為120mm的蒸汽管道外包一厚度為25mm的石棉保溫層，保溫層的導熱系數(shù)為0.10 W/(mK)。已知管子外表面溫度為250C,保溫層外表面的溫度為38C，試求單位管長的熱損失。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考蒁7 .水以1.8m/s的速度從內徑為 20mmB勺銅管內流過。已知銅管壁面溫度為70C，進口水溫為 30C，試確定將水加熱到50 C時所需的管長。莇水的有關物性及管內換熱關系式如下：莈不同溫度下水的物性參數(shù)節(jié)T蒈p羆Cp蒀入蒞 mx 104芇十x 106螄Pr芁C3蒆 kg/m羂kJ /(kg K)薄 w/ ( mK)螂 kg/ (ms)2羇m/s蒂30荿 995.7肅 4.

7、174芄 0.618芃 8.02蒀 0.805蕆 5.42蚃40羃 992.2芇 4.174薆 0.634肂 6.54葿 0.659艿 4.31蚄50薂 988.1膀 4.174莀 0.648肇 5.49膅 0.556羀 3.54腿60膅 983.2蚅 4.179蟻 0.659腿 4.70薇 0.478肄 2.99蒁70芀 977.8蚆 4.187蒃 0.668賺 4.06肇 0.415肇 2.55羃 經(jīng)驗關聯(lián)式:羂(1)層流Nu f1a、3 / f、0.14=1 -86(Ref Prf )()1w聿適用條件：Ref ：2200,RefPrf(d)10膆(2)紊流 Nuf =0.023Ref0

8、.8 卩叨(二廣w:流體被加熱，m =0.4, n = 0.11流體被冷卻，m = 0.3 ,n = 0.25莂適用條件：Ref 104,-_50 d螞8. 一定量的空氣，經(jīng)過下列四個可逆多變過程組成的循環(huán)。試求：(1)填充下表所缺數(shù)據(jù)；(2)循環(huán)凈功;(3)該循環(huán)的熱效率。不得用于商業(yè)用途膀過程芅 Q ( kJ)肆 U ( kJ)莂 W( kJ)羈1-2蚇 1210蒅膃0聿2-3螆0襖蠆250肀3-4肇-980莄莀0袈4-1芆0螃肀罿9 .有一厚度為20 cm的爐墻，墻體材料的熱導率為 1.3W/ (mK)。為使散熱損失不超過 1500W/ni，需緊貼 墻外壁面加一層熱導率為 0.1W/(

9、mK)的保溫層。已知該復合壁內、外兩側壁面溫度分別為800 C和50 C,試確定該保溫層的厚度。蒞10.某種火警報警器的有效部位是一個半徑為R的小金屬球，其熔化溫度為ts=500 oC密度為"=7200 kg/m3、比熱為c=400 J/ ( kgK)、熱導率為?=200 W/ (mK)。正常狀態(tài)下金屬球的溫度為t o=25oC,當突然受到溫度為t : =675oC的煙氣加熱后，為保證在 20秒內發(fā)出警報，問金屬球的半徑R應為多少？設煙氣與球表面間的對流換熱系數(shù)為h=25W/( mK)。提示：利用集總參數(shù)法分析計算。膂11熱電廠中有一水平放置的蒸汽管道，保溫層外徑d=383mm壁溫t

10、w=48oC,周圍空氣的溫度 t疔22oG試計算蒸汽管道保溫層外壁面的對流散熱量。袀特征數(shù)關聯(lián)式：Nu m二c(Gr Pr) m羈c和n的值蚇薂系數(shù)c和指數(shù)n薁(GrPr) m范圍螅流態(tài)芅c莁n膈橫圓螅層蚇膄蚈柱流0.41/44810 -1.5 X 108肁湍袂8蒞 >1.5 X 10流芆1/30.10薃空氣的物性參數(shù)薂t蝿£"2蟆悴10羃 W/(mK)"6請諛10 薇m/s裊Pr蒂20肅 2.59蚈 15.06羋 0.703膅30蕿 2.67蝕 16.00莆 0.701薅40芀 2.76膃 16.96芀 0.699螀50螆 2.83芄 17.950.698

11、參考答案一、判斷下列說法是否正確1、不正確。 原因：對于穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)其質量可保持恒定。2、不正確。 原因：工程溫度范圍內，常用空氣的熱導率隨溫度的升高而升高。3、不正確。 原因：熵是狀態(tài)參數(shù)，不管循環(huán)是否可逆，工質的熵變均為零。4、不正確。 原因：功是過程量，其數(shù)值與工質所經(jīng)歷的中間途徑有關。即使初終態(tài)相同，但若經(jīng)歷的途徑不同，功值是不同的。5、不正確。原因：氣體吸熱 Q>0而M=Q-W理想氣體AU=mcT，則也T是否大于零還取決于W的大小。6、 正確。 原因：攝氏度與熱力學溫度的溫差相等，.：t = .：To7、正確。 原因：符合卡諾定理。&不正確。 原因：摩爾氣體常數(shù)既

12、與氣體狀態(tài)無關，也與氣體性質無關。9、不正確。 原因：對于漫射體而言，角系數(shù)是一個純幾何因素，僅取決于物體的形狀、大小、距離和相 對位置。二、簡答題1.有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進行冷卻。為使稀飯涼的更快一些， 你認為他應該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？答：應該攪拌碗中的稀飯。這是一個傳熱過程。相對而言，稀飯側的對流換熱系數(shù)較小、換熱熱阻較大。攪拌稀飯時增大了其對流換熱系數(shù)，最大限度的降低總傳熱熱阻，可顯著地增強傳熱，加速冷卻速率。2 對于高溫圓筒壁來說，加保溫層一定能降低對外散熱量，對嗎？為什么？答：不對。 因為對于圓筒壁的保溫，存在一個臨界熱絕緣直徑 dc問題。當圓筒壁外徑大于

13、臨界熱絕緣直 徑dc時，加保溫層一定能降低散熱量； 但當圓筒壁外徑小于臨界熱絕緣直徑 dc時，在一定的保溫層厚度范圍內， 其散熱量是增加的。3倘使容器中氣體的壓力沒有改變，安裝在該容器上的壓力表的讀數(shù)不會改變？為什么？答：有可能變化。因為容器中氣體的絕對壓力等于其表壓力與大氣壓力之和。而大氣壓力可隨著許多因素而變化，即使氣體的絕對壓力不變，其表壓力仍有可能變化。4. 在寒冷的北方地區(qū)，建房用磚采用實心磚還是多孔的空心磚好？為什么？答：采用多孔的空心磚較好。因為氣體的熱導率遠小于固體的熱導率，相對實心磚而言，空心磚的熱導率較小、導熱熱阻較大，在冬天可減少房屋的散熱損失，利于保溫。5. 夏天，有兩

14、個完全相同的儲存液態(tài)氮的容器放置在一起，一個表面上已結霜，另一個沒有。請問哪一個 容器的隔熱性能更好？為什么？答：表面沒有結霜的容器的隔熱性能更好。對于儲存液態(tài)氮的容器來說，內部液體溫度低，外部四周空氣溫度高，熱量自外向內傳遞。表面上已結霜的容器外表面換熱溫差較大，對流換熱量大，亦即傳遞到容器內部 的熱量就多，說明其隔熱性差。6. 同一物體內不同溫度的等溫線能夠相交，對嗎？為什么？答：不對。 同一物體內任一點在同一瞬間只有一個溫度值，不可能具有兩個以上的溫度。2227. 答：由圖可知，S2>si,則 q= 1 Tds>0,吸熱；V2>vi,則 w=丄 pdv>0,對外作

15、功；T2<Ti,則匚ucVdT <0, 熱力學能降低。&答：在相同壓力下，（1） t=200 C>ts，處于過熱蒸氣狀態(tài)，；（2） t=160 C<ts,處于未飽和水狀態(tài)，； （3）干度x=0.6（0, 1），處于濕飽和蒸氣狀態(tài)，。9 答：對于循環(huán)A,平均吸熱溫度Tl<Tai<Th；循環(huán)B,平均吸熱溫度 Tbi=Th；二循環(huán)的放熱溫度均為T2=Tl,則 A=1-T2/Ta1 = 1-Tl/Ta1 < 1-T l/Th ,B=1-T2/TB1=1- T l/T H ,貝U A< Bo10 答：Nu = " =_（向）Y±

16、 ；表征壁面處流體無量綱過余溫度變化率的大小，可反映對流換熱的強弱。% Y -與步行相11.答：強制對流換熱強度與流體壁面之間的相對速度有關，相對速度越大，對流換熱越強。比，騎摩托車時相對速度較大， 對流換熱強度大，因此人體會散失較多的熱量從而感到更冷些。皮手套和護膝,由于導熱系數(shù)小且有一定厚度，增加了一層較大的導熱熱阻，使總傳熱熱阻增大，從而可降低散熱量，從而起 到保護作用。三、計算題1.6解：循環(huán)熱效率的計算：q =叫=1.1><10 漢100% =32.35% 相應卡諾循環(huán)的熱效率:tQ! 3.4 漢 10639 273.15577 273.15=0.6434 =64.34%

17、二者比值為:丄 32.35%c " 64.34%=0.5028p/c v=1.41t2為可逆絕熱過程，則1.4= 293.15江 一 |=492.69KU丿解：p1=1bar p 2=6bar T1=20+273.15=293.15K k=c 由題意知:6,2 =0/仃2 TJ =0.71 漢(492.69 293.15) =141.68kJ/kg q=0 ，則w =q r u - - u = -141.68kJ/kg33. (1) 解：V=2 m p b=760mmHg=1.01325bar p=p e+pbp1=pe1+pb=0.3+1.01325=1.31325 bar p2=

18、pe2+pb=3+1.01325=4.01325 bar僅供個人參考理想氣體狀態(tài)方程：pV=mRT5初態(tài)時罐內氧氣質量為m1 = -= 仁13250只2 =3 178kgRgT,260 (45273.15)終態(tài)時罐內氧氣質量為m2 = 業(yè)=O01325。0' 7 =8 748kgRgT2260 (80273.15)則壓入的氧氣質量為m=rRm1=8.748-3.178=5.57 kg4.解：p1=2bar T 1=25+273.15=298.15K T 2=200+273.15=473.15K對狀態(tài) 1 有：p1V1=mRT1則乂 =mRg=2 X287 漢298.15 = 0.855

19、7m3P12匯1051 t2 為定壓過程 P 2= p 1=2bar v22Vi = 473.15 0.8557 = 1.3579m3 298.15(1) 過程功不得用于商業(yè)用途5.W122=1pdV mpg -VJ =2 105(1.3579-0.8557) =100.45kJ (2)過程熱量解：該卡諾熱機的熱效率:200 273.15=1500+27315= 0.388=38.8%輸出功率為：Po 二：1 c = 100 0.388 二 38.8 kW6.解：此為通過圓筒壁的穩(wěn)態(tài)導熱問題。由題意知：d1=120mm d 2=d1+2, =120+2 25=170mm t w1=250oC

20、t w2=38oCtw1 'tw2250 38則：:r ¥ 曽1仃0 =382.432 : W/mln 2lnd12 3.14 0.10 1207.解：這是一個管內強迫對流換熱問題。(1)查物性t: +tf流體平均溫度tf二二250 30 =40 C2壁溫t w=70 C水的物性參數(shù)為：Pf =9922kg/m3cpf= 4174J/(kg K)(2) 判斷流態(tài)Ufd1.8漢0.0244出酒陸Ref -6 =5.4628 1010 為湍流0.659 10(3 )選擇公式，計算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)僅供個人參考tw tf，流體被加熱時，m =0.4, n =0.11 ;假設滿足_50，則

21、, 扎 f0.6342h 二 Nu f 268.0588497.43 W/ ( m K)d0.02(4)計算管長熱平衡方程：門二才d2uf ：、fCpf (tf“ - tf) = h：dl(tw - tf)PfUfdCpf (t； t；)992.2 " .8 疋 0.02 匯 4174 "50 30)l2.924 m4h(tw tj4x8497.43x(7040)校核：% =29% 02 = 146.2 a 50成立，計算可靠。8.解：(1)填表對每一過程有：Q=U+W對循環(huán)有：dU = 0Q0 =W0過程Q(kJ) U(kJ)W(kJ)1-21210(1210)02-30

22、(-250 )2503-4-980(-980 )04-10(20)(-20 )(2) 循環(huán)凈功W0=W2 +W3 +W4 +W1 =0+250+0-20=230 kJ或 W=Q=1210+0-980+0=230kJ(3) 循環(huán)熱效率Q1=1210 kJc =叫二30 =0.19 =19%Q,12109.解：這是一個通過兩層平壁的導熱過程。設保溫層厚度為&mm則保溫層厚度;.2 =(tw1 SqI"'800 -5015000 2)0.1 = 0.0346m =34.6 m1.3qutw1 - tw2800 - 5021500W/m 0.20 121'21.30.

23、1熱流密度10.解：假設Bi<0.1成立，可用集總參數(shù)法計算。對于球體，V/A = R/3,僅供個人參考t -'t ：to t ：hA3h=cR又戸 20s , t=t s=500oC 則500 - 67525 - 675325 207200 400R5.208 10-校核：Bi =竺=25 3.97 100.496 10- < 0.1成立，計算可靠。& 20011 .解：特征溫度tmJ =4822 =35 C,則空氣的物性參數(shù)：2 2m =0.0.02715W/(m K) ；m =16.48 10 m/s Pr 停0.739.81 0.00325 (48 -22) 0.38388 流動屬戸流620.7=1.20 10 <1.50 10 流動屬層流,(16.48 10")查表得 c=0.48、n=1/4 ，則 Num =0.48 (1.20 108)1/4 =50.2385對流換熱系數(shù)為h =Num 便=502385002715=3.56W/(m2 K)d0.383則單位管長的對流散熱量為：僅供個人參考僅供個人用于學習、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study a