《热力学与传热学》课程综合复习资料

《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3.4×106 kJ，输出功率1.1×106 kJ 。试计算该循环的热效率ηt。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ηt与同温限下卡诺循环的热效率ηc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c p=1.0 kJ/(kgK)，比定容热容c V=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)，ρ=7753 kg/m3，λ=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P b=760mmHg，氧气R g=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100kJ，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）ΔU

(kJ)

W

(kJ)

1-212100

2-30250

3-4-9800

4-10

10、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 λ=0.56（1+0.0018t）W/(m K) (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R g=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Q>0，而U=Q-W，理想气体

U=mc V T，则T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，t =T。

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d c问题。当圆筒壁外径大于临界热绝缘直径d c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d c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=c p/c V=1.4

由题意知：1→2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 p b=760mmHg=1.01325bar p=p e+p b

p1=p e1+p b=0.3+1.01325=1.31325 bar

p2=p e2+p b=3+1.01325=4.01325 bar

理想气体状态方程：pV=mR g T

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 m=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+2=120+225=170mm t w1=250oC t w2=38oC 则［W/m］

9．解：（1）填表

对每一过程有：Q=U+W 对循环有

过程Q

（kJ）ΔU

(kJ)

W

(kJ)

1-21210(1210)0

2-30(-250)250

3-4-980(-980)0

4-10(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 t m=(t w1+t w2)/2=(50+20)/2=35℃

平均热导率为：m=0.56（1+0.0018t m）=0.56×(1+0.0018×35) = 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=u+w 绝热q=0 自由膨胀w=0

则u=q-w=0

（2）u=c V（T2-T1）=0 ，则 T2=T1

（3）s=R g ln (V2/V1）=287×ln(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rl：已知T w=100+273=373K T=20+273=293K

A1=dl X1,2=1.0 A1?A2

则

W/m

再求对流换热量cl：

W/m

则总散热损失为：W/m