热学第二版习题答案

【篇一：热工测试课后练习答案】

1-1、测量方法有哪几类，直接测量与间接测量的主要区别是什么？(p1-2) 答：测量的方法有：1、直接测量；2、间接测量；3、组合测量。

直接测量与间接测量的主要区别是直接测量中被测量的数值可以直

接从测量仪器上读得，而间接测量种被测量的数值不能直接从测量

仪器上读得，需要通过直接测得与被测量有一定函数关系的量，然

后经过运算得到被测量的数值。

1-2、简述测量仪器的组成与各组成部分的作用。(p3-4) 答：测量

仪器由感受器、中间器和效用件三个部分组成。

1、感受器或传感器：直接与被测对象发生联系（但不一定直接接触），感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号；

2、中间器或传递件：最简单的中间件是单纯起“传递”作用的元件，

它将传感器的输出信号原封不动地传递给效用件；

3、效用件或显示元件：把被测量信号显示出来，按显示原理与方法

的不同，又可分模拟显示和数字显示两种。

1-3、测量仪器的主要性能指标及各项指标的含义是什么？（p5-6）答：测量仪器的主要性能指标有：精确度、恒定度、灵敏度、灵敏

度阻滞、指示滞后时间等。

1、精确度：表示测量结果与真值一致的程度，它是系统误差与随机

误差的综合反映；

2、恒定度：仪器多次重复测试时，其指示值的稳定程度，通常以读

数的变差来表示；

3、灵敏度：以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量

的变化值之间的比例来表示。

4、灵敏度阻滞：又称感量，是以引起仪器指针从静止到作极微小移

动的被测量的变化值。

5、指示滞后时间：从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需

的时间。

1-4、说明计算机测控系统基本组成部分及其功能。（p6-7）

答：计算机测控系统基本组成部分有：传感器、信号调理器、多路

转换开关、模/数（a/d）和数/模（d/a）转换及微机。

1、信号调理器：完成由传感器输出信号的放大、整形、滤波等，以保证传感器输出信号成为a/d转换器能接受的信号；

2、实现多路信号测量，并由它完成轮流切换被测量与模/数转换器的连接；

3、采样保持器：保证采样信号在a/d转换过程中不发生变化以提高测量精度；

4、a/d转换器：将输入的模拟信号换成计算机能接受的数字信号；

5、d/a转换器：将输入的数字信号换成计算机能接受的模拟信号。 1-5、试述现代测试技术及仪器的发展方向。(p

6、p9)

答：计算机、微电子等技术迅速发展，推动了测试技术的进步，相继出现了智能

测试仪、总线仪器、pc仪器、虚拟仪器、网络化仪器等微机化仪器及自动化测试系统。随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术等手段的迅速发展，测试技术与计算机相结合已成为当前测试技术的主流，测试技术的虚拟化和网络化的时代已经不远了。

第二章

2-1、试述测量仪器的动态特性的含意和主要研究内容，它在瞬变参数测量中的重要意义。(p11、p16) 答：测量仪器或测量系统的动态特性的分析就是研究动态测量时所产生的动态误差，它主要用以描述在动态测量过程中输入量与输出量之间的关系，或是反映系统对于随机时间变化的输入量响应特性。从而能够选择合适的测量系统并于所测参数相匹配，使测量的动态误差限制在试验要求的允许范围内，这便是动态测量技术中的重要研究课题。在瞬变参数动态测量中，要求通过测量系统所获得的输出信号能准确地重现输入信号的全部信息，而测量系统的动态响应正是用来评价系统正确传递和显示输入信号的重要指标。

2-2、测量系统的输出量与输入量之间的关系可采用传递函数表示，试说明串联环节、并联环节及反馈环节的传递函数的表示方法。

（p13-14）答：串联环节：

t(s)z(s)y(s)

h(s)???h1(s)h2(s)

x(s)x(s)z(s)

并联环节： y(s)y1(s)?y2(s)

h(s)???h1(s)?h2(s)

x(s)x(s)

正反馈环节： ha(s)y(s)

h(s)??

x(s)1?ha(s)hb(s)

负反馈环节：

ha(s)y(s)

h(s)??

x(s)1?ha(s)hb(s)

2-3、试述常用的一、二阶测量仪器的传递函数及它的典型实例。（p15-16）答：

y(s)1

h(s)??常用的一阶测量系统的传递函数：x(s)?s?1

以热电偶突然放入温度为t0 的介质为例，每一瞬间介质传递给热电偶节点的热量dq为

dq?ha(t0?t)dt

式中，t为热电偶瞬间温度；h为热接点表面传热系数；a为热接点表面积。

在不考虑导热及热辐射损失的情况下，介质传给热接点的热量即为热电偶的储热量。若热电偶吸收热量dq后，温度上升dt，于是

dq?cpmdt

式中，为热电偶热接点的比定压热容；m为热接点的质量。 cp

根据热平衡可得ha(t0?t)dt?cpmdt经简化后可得

??t?t0

? 称为测量系统的时间常数。式中，

cpm

???

上式是热电偶（测温传感器）数学模型的一阶线性微分方程，这类传感器称为一阶测量系统，该系统的传递函数为

t(s)1

h(s)??

t0(s)?s?1

?ny(s)

常用的二阶测量系统的传递函数：h(s)??2

x(s)s?2??s??nn

以测振仪为例，描述质量m的运动微分方程为

d2ydy

m2?c?ky?f(t)

dtdt

式中，c为阻尼；k为弹性系数；f（t）为干扰力。

d2ydy

上式是一个单质量强迫阻尼振动微分方程。将其与

a22?a1?a0y?b0x

dtdt比较可得

a2?m,a1?c,a0?k,b0?1，f（t）相当于x。用k除以两端可得

md2ycdyx

??y?

kdt2kdtk

d2ydy

将上式与a22?a1?a0y?b0x相比，其传递函数有相同形式。这时，

dtdt

1/k为系统的柔性系数，??c/2km为系统?n?k/m为系统的固有频率，的阻尼比。

因而，测振仪属二阶测量系统。

2-4、试述测量系统的动态响应的含意、研究方法及评价指标。

答：含义：在瞬态参数动态测量中，要求通过系统所获得的输出信

号能准确地重现输入信号的全部信息，而测量系统的动态响应正是

用来评价系统正确传递和显示输入信号的重要指标。研究方法：对

测量系统施加某些已知的典型输入信号，包括阶跃信号、正弦信号、脉冲信号、斜升信号，通常是采用阶跃信号和正弦信号作为输入量

来研究系统对典型信号的响应，以了解测量系统的动态特性，依此

评价测量系统。评价指标：稳定时间ts、最大过冲量ad。

2-5、试述常用的一、二阶测量仪器的频率响应及内容。

答：一阶测量系统的频率响应函数为h(j?)?

,一阶测量系统的副频特性

1?j??

?n1

h(?)??22

(j?)?2??(j?)??nn [1?()2?j2??n?n

??0.6~0.8范围的原因。 2-6、试说明二阶测量系统通常取阻尼比 ??0.6~0.8，这样能减少动态误差，系统能以较短的答：对于二阶系

统应使

时间进入偏离稳态不到2%~5%的范围内，是系统的动态响应好，

当系统的阻尼比

?在0.8左右时幅频特性近似常数的频率范围最宽，而相频特性曲线

也最接近直

??0.6~0.8可获得较小的误差和较宽的工作频率范围，相位失真线。因而去

也很小，使系统具有较好的稳定性。而且，此时提高系统的固有频

率会使响应速率变得更快。

2-7、某一力传感器拟定为二阶系统，其固有频率为800hz，阻尼比

为0.14。问使用改传感器作频率为400hz正弦变化的外力测试时，

其振幅和相位角各位多少？解：

a????

????1???????n

???

?????4?2?????n?

???

??400?2?400??2

???4??0.14????1??800800????????

?1.31

????400?2??2?0.14???????

800n??????10.6???????arctg??arctg22

????400?

1????1?????800???n?

2-8、用一阶系统对100hz的正弦信号进行测量时，如果要求振幅

误差在10%以内，时间常数应为多少？如果用该系统对50hz的正弦信号进行测试时，幅值和相位误差各为多少？解：

（1）?a(?)?1?a(?)?1?

则 ??7.71?10?4s

1?(??)

?1?

1?(100?2??)

?10%

（2）?a(?)?1?a(?)?1?

1?(??)

?1?

?(50?2??7.71?10)

?42

?2.81%

?(?)??arctg????arctg(50?2??7.71?10?4)2??13.62

2-9、用传递函数为1/(0.0025s+1)的一阶装置进行周期信号测量，若将幅值误差限制在5%以下，试求所能测量的最高频率成分，此时相位差是多少？解：??0.0025s，?a(?)?1?a(?)?1?

1?(??)

?1?

1?(0.0025?)

?5%

则??131.5(rad/s)或f??/2??20.9hz

)??18.2? 相位差：?(?)??arctg????arctg(131.5?0.0025

2-10、某一阶测量装置的传递函数为1/(0.04s+1),若用它测量频率0.5hz,1hz,2hz的正弦信号，试求其幅值误差。

解：??0.04s，?a(?)?1?a(?)?1?（1）当f=0.5hz

时， ?a(?)?1?a(?)?1?（2）当f=1hz时， ?a(?)?1?a(?)?1?（3）当f=2hz时，

1?(??)

?1?

1?(2?f?)1

1?(??)1?(??)

?1?

?(2??0.5?0.04)

?(2??1?0.04)1

?0.78%

?1??3.02%

?a(?)?1?a(?)?1?

1?(??)

?1?

?(2??2?0.04)

?10.56%

2-11、对某二阶系统进行动态标定时，测量最大过冲量ad?1.5以及在响应曲线上由n个周期取平均值的衰减周期试求该系统的阻尼比及系统固有td?2s。频率。解：

【篇二：热力学习题答案- 第2章】

的气体，在气缸活塞机构中由初态p1=0.7mpa、

v1=0.02m3，准静膨胀到v2=0.04m3.试确定下列各过程中气体完成的功量及比功量：（1）定压过程；（2）pv2=常数。解：（1）因为

=pdv 又p=0.7mpa

pdv=p（v1-v2）=0.7x106pax0.02m3=14kj

所以w=

则w=w/m=14kj/0.5kg=28kj/kg （2）

=pdv可知pv2=p1v22=常数 w=

pdv=pv

1/v2dv=p1v12(1/v12-1/v22)=7kj

则w=w/m=7kj/0.5kg=14kj/kg

2-3，气体在某一过程中吸入热量

少？解：因为

12kcal，同时热能力学能增加

20kcal，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外交换的功量是多得：w=12kcal-20kcal=-8kcal 则可知此过程为压缩过程

2-5，闭系中实施某过程，试填补表中空缺的数据：

2-7,如图2-18所示，某封闭系统沿a-c-b途径由状态a变化到状态 b时，吸入热量84kj，对外做功32kj。

（1）若沿a-d-b变化时对外作功10kj，求此时进入系统的热量。（2）当系统沿曲线途径从b返回到初始状态a时，外界对系统作功20kj。求此时系统与外界交换的热量和热流方向。

（3）ua=0、ud=42kj时，过程a-d和d-b中系统与外界交换的热量又是多少？解: (1)因为

a-c-d时

=84kj w=32kj

则u=-w=84kj-32kj=52kj

a-d-b时

w=10kj

= u+w=52kj+10kj=62kj

（2）过程b-a中 w2=-20kj

由（1）可知

u2=-u1=-52kj 则

= u2+w2=-52kj-20kj=-72kj

可知该过程为向外界放热（3）过程a-d中

?uad?ud?ua?42kj,qad?wad??uad?10?42?52kj过程d-b体积膨胀对外界作功

可知b-d过程中只有热交换无体积变化wdb?0 则 ua-d

=u=52kj 则 ud-b=10kj

?qdb??udb?10kj

2-13，某制冷装置，由冷藏室向制冷机的传热量为8000kj/h, 制冷机输入功率为1kw试确定制冷机的cop。解：由题意可知

qin=8000kj/h=2.2x103w则制冷机的cop=2.2x103w/1x103w=2.2【篇三：热工基础第二版课后答案(全) 张学学】

> 绝热刚性容器，中间用隔板分为两部分，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。

⑴气体膨胀时一定对外作功。

错，比如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，比如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，比如多变过程，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，比如多变过程，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，比如多变过程，当n大于1，小于k时，可实现对工质加热，

其温度反而降低。

4. “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？答：不正确，因为外功的含义很广，比如电磁功、表面张力功等等，如果只考虑体积功的话，那么没有体积变化的过程就一定不对外作功。

5. 试比较图2-6所示的过程1-2与过程1-a-2中下列各

量的大小：⑴ w12与w1a2； (2) ?u12 与 ?u1a2；

(3)

q12与q1a2

答：（1）w1a2大。

(2)一样大。

（3）q1a2大。

6. 说明下列各式的应用条件：

⑴ q??u?w

闭口系的一切过程

⑵ q??u??pdv

闭口系统的准静态过程

⑶ q??u?(p2v2?p1v1)

开口系统的稳定流动过程，并且轴功为零

⑷ q??u?p(v2?v1)

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。

7. 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

个机械功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部分，一部分消耗于维

持工质进出开口系统时的流动功的代数和，一部分用于增加工质的

宏观动能和势能，最后一部分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，则技术功等

于轴功。

习题

2-2

2－4解：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: ?uad?ub?ud?60?40?20kj

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：

qd?b?ud?ub??udb?20kj

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：

qa?d?ud?ua?wa?d??uad?wa?d?b?40?(?20)?60kj

2－5

2-5 解：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，

内能的变化为：

?2257?1.01?10?(0.001?1.674)?2088kj/kg

2-6 解：选取气缸中的空气作为研究的热力学系统，系统的初压为：

p1?pb?g1195?9.8?1.028?105??2.939?105pa ?4a100?10

g295?9.85?1.028?105??1.959?10pa ?4a100?10当去掉一部分负载，系统重新达到平衡状态时，其终压为： p2?pb?

由于气体通过气缸壁可与外界充分换热，所以系统的初温和终温相等，都等于环境温度即：

t1?t2?t0

根据理想气体的状态方程可得到系统的终态体积，为：

p1v12.939?105?100?10?4?10?10?2

v2???1.526?10?3m3 5p21.959?10

所以活塞上升的距离为：

v2?v11.526?10?3?100?10?10?6

由于理想气体的内能是温度的函数，而系统初温和终温相同，故此过程中系统的内能变化为零，同时此过程可看作定压膨胀过程，所以气体与外界交换的热量为：

2-8 解：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，则有轴功等于技术功，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：

p??ws?10?42kw 60

2-9 解：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：

q热源＝(50000＋50?100)?3600＝1.98?105kj

小于通过墙壁和门窗传给外界的热量为3?105 kj，所以必须外加取暖设备，供热量为：

q?3?105?1.98?105?1.02?105kj/h

2-10 解：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p1.21.2积为：v2?v1()?1?()?1.78m3

p20.5

过程中系统对外所作的功为：

w??1.78

1pdv??1.781?0.2p1v11.2?v1?0.2)1.2(v2dv?p1v1?544.6kj

v1.2?0.2

所以过程中系统和外界交换的热量为：

为吸热。

2-11 解：此过程为开口系统的稳定流动过程，忽略进出口工质的宏观动能和势能变化，则

有：

q?h6qm6?h7qm7?h1qm1?ws

由稳定流动过程进出口工质的质量守恒可得到：

qm6?qm7?qm1

所以整个系统的能量平衡式为：

q?qm1(h6?h1)?qm7(h6?h7)?ws

故发电机的功率为：

p?ws?q?(h6?h7)qm7?(h6?h1)qm1

70050?1037003??41800??(418?12)??(418?42)?2.415?10kw360 036003600

2-12解：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:

q??h?

其中，气体在进口处的比焓为： 1m?c2f?ws 2

h1?u1?p1v1?2100?103?0.62?106?0.37?2329400j/kg

气体在出口处的比焓为：