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热力学与传热学综合复习题一、判断说明下列说法是否正确,并说明理由。1、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。2、功的数值仅仅取决于工质的初态和终态,与过程无关。3、理想气体吸热后,温度一定升高。4、牛顿冷却公式中的t可以改为热力学温度之差T。5、工质进行膨胀时必须对工质加热。6、在温度同为T1的热源和同为T2的冷源之间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环。7、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。8、已知湿蒸汽的压力和温度,就可以确定其状态。9、同一温度场中两条等温线可以相交。二、简答题1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?2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?3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?4同一物体内不同温度的等温线能够相交,对吗?为什么?5、在某厂生产的测温元件说明书上,标明该元件的时间常数为1秒。从传热学角度,你认为此值可信吗?为什么?三、计算题1一循环,工质从高温热源吸热3.4106 kJ,输出功率1.1106 kJ 。试计算该循环的热效率t。若循环是在温度分别为577 和30 的恒温热源间完成的,试计算该循环的热效率t与同温限下卡诺循环的热效率c之比。2可视为理想气体的空气在活塞中从1 bar、20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=1.0 kJ/(kgK),比定容热容cV=0.71 kJ/(kgK)。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。3有一直径为5cm初始温度为400的钢球,将其突然放到温度为30的空气中。设钢球表面与周围环境间的总换热系数为24 W/(m2K),试计算钢球冷却到180所需的时间。已知钢球的c=480 J/(kgK), =7753 kg/m3,=33 W/(mK)。4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t1=45升高到t2=80。试求压入的氧气质量。当地大气压为Pb=760mmHg,氧气Rg=260J/(kgK)。5流体受迫地流过一根内直径为25 mm的直长管,实验测得管内壁面温度为120,流体平均温度为60 ,流体与管壁间的对流换热系数为350 W/(m2K)。试计算单位管长上流体与管壁间的换热量。6相距甚近而平行放置的两个面积相等的灰体表面,黑度各为0.6和0.5,温度各为700和350,试计算它们之间的辐射换热量。7一卡诺热机工作于500 和200 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100 kJ,求该卡诺热机的热效率及输出功率。8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0.10 W/(mK)。已知管子外表面温度为250,保温层外表面的温度为38,试求单位管长的热损失。9一定量的空气,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)U(kJ)W(kJ)1-2121002-302503-4-98004-1010、厚为36 mm的无限大平壁,两侧表面温度分别为50 和20 。已知平壁材料的导热系数为 =0.56(1+0.0018t)W/(mK) (其中t的单位为),试计算通过平壁的热流密度。11、绝热容器由隔板分成两部分,左边为压力600kPa,温度为300K的空气;右边为真空,容积是左边的5倍。如将隔板抽去,空气迅速膨胀,充满整个容器。试求:该过程中1千克空气的热力学能、温度和熵的变化。【空气Rg=287J/(kgK)】12、外径为100 mm,表面温度为100 ,黑度为0.76的圆筒壁,被水平放置于一温度为20的大房间中。已知圆筒壁外表面与空气的纯对流换热系数为7.03W/(m2K),试计算单位长度圆筒壁散失到房间中的总热量。综合复习题参考答案一、判断下列说法是否正确,并说明理由。1、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。2、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。3、不正确。原因:气体吸热Q0,而DU=Q-W,理想气体DU=mcVDT,则DT是否大于零还取决于W的大小。4、正确。原因:摄氏度与热力学温度的温差相等,Dt =DT。5、不正确。原因:工质也可进行绝热膨胀。6、正确。原因:卡诺定理二7、不正确。原因:在可逆过程中,工质的熵增意味着工质经历一个吸热过程。但在不可逆过程中,由于不可逆因素引起的熵产恒大于零。因此即使是绝热过程,工质的熵增也可能大于零。8、不正确。原因:湿蒸汽的压力与温度是互相对应的数值,不是相互独立的参数,故仅知其压力和温度不能决定其状态,必须再另有一个独立参数才行,如干度x。9、不正确。原因: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。二、简答题1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。2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。3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。4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。5答:不可信。因为测温元件的时间常数不仅取决于其几何参数、物理性质,还同换热条件有关。它随着具体的测温过程而变化,并不是一个确定的数值。三、计算题1解:循环热效率的计算: 相应卡诺循环的热效率: 二者比值为: 2解:p1=1bar p2=6bar T1=20+273.15=293.15K k=cp/cV=1.4由题意知:12为可逆绝热过程,则 q=0,则 3解:d=5cm=0.05m R=d/2=0.025 m t0=400 t=30 对球体 V/A=R/3 M=1/3 则 可用集总参数法计算 则代入数据, 4解:V=2 m3 pb=760mmHg=1.01325bar p=pe+pb p1=pe1+pb=0.3+1.01325=1.31325 bar p2=pe2+pb=3+1.01325=4.01325 bar 理想气体状态方程:pV=mRgT 初态时罐内氧气质量为 终态时罐内氧气质量为 则压入的氧气质量为 Dm=m2-m1=8.748-3.178=5.57 kg 5解:管内强迫对流换热问题。由牛顿冷却公式计算: W/m 6解:T1=700+273.15=973.15K T2=350+273.15=623.15K 由题意知,A1=A2=A X1,2= X2,1=1.0 W/m2 7解:该卡诺热机的热效率: 输出功率为: kW 8解:此为通过圆筒壁的稳态导热问题。由题意知:d1=120mm d2=d1+2d=120+225=170mm tw1=250C tw2=38C 则 W/m 9解:(1)填表 对每一过程有:Q=DU+W 对循环有 过程Q(kJ)U(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=230 kJ 或 W0=Q0=1210+0-980+0=230kJ (3)循环热效率 Q1=1210 kJ 10解:大平壁的平均温度为 tm=(tw1+tw2)/2=(50+20)/2=35 平均热导率为:lm=0.56(1+0.0018tm)=0.56(1+0.001835) = 0.5953 W/(mK) 热流密度为: W/m2 11解:以容器内的空气为研究对象。已知:T1=300K p1=600kPa V2/V1=6 (1)满足q=Du+w 绝热q=0 自由膨胀w=0 则Du=q-w=0 (2)Du=cV(T2-T1)=0 ,则 T2=T1 (3)Ds=Rgln (V2/V1)=287ln(6)=514 J/(kgK) 12解:这是一个复合表面的换热问题,该圆管壁既与周围气体有对流换热,又与周围环境有辐射换热。先求辐射换热量Frl:已知Tw=100+273=373K T=20+273=293K A1=pdl X1,2=1.0 A1A2 则 W/m再求对流换热量Fcl:W/m 则总散热损失为:W/m 第 8 页 共 8 页
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