环境工程原理-思考题参考答案

用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲（MLtT 量纲体系） 。由各种 变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数（Re，Pr） ，无量纲准数既无 量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。 量纲与单位的区别：量纲是可测量 的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。
m1 − m2 = ∆m
稳态系统：内部物质浓度恒定，不随时间变化，
dm = 0 ， qm1 − qm 2 + qmr = 0 dt dm dt
非稳态系统：内部物质质量和浓度随时间变化， qm1 − qm 2 + qmr =
（3）质量衡算的基本关系是什么？
输入量－输出量＋反应量 = 累计量 组分不发生反应时， qmr = 0
∫ udA = q
A
V
A
A
。流速影响流动阻
力和管径， 因此直接影响系统的操作费用和基建费用。 一般地， 液体的流速取 0.5~3.0m/s, 气体则为 10~30m/s。
第二节 质量衡算
（1）进行质量衡算的三个要素是什么？
输入物料质量－输出物料质量=内部积累物料质量
（2）简述稳态系统和非稳态系统的特征。
（2）分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。
对傅立叶公式变形： q = −
d (ρc pT ) ←热量浓度，单位体积流体所具有的热量，J/m3 λ ρc p dT = −α ⋅ ρc p dy dy
式中 α =
λ 即为导温系数，或称热量扩散系数，m2/s. ρc p
导温系数是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力，其主要影响因素有导热 系数 λ ，物质密度 ρ ，热容 c p ：
单位时间输出系统 的物料的焓值总 和，即物料带出的 能量总和
单位时间输入系统 的物料的焓值总 和，即物料带入的 能量总和
单位时 间系统 内能量 的积累
单位时间环 境输入系统 的热量，即系 统的吸热量
（4）对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？
封闭系统－与环境没有物质交换的系统， ∑ H P = 0, ∑ H F = 0 ，所以 Eq = q ，系统从 外界吸收的热量等于内部能量的积累，内部能量无相变情况下表现为温度的变化： a.恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即 Q = m ⋅ ∆H ， ∆H = c p ⋅ ∆T b.恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即
∑H
。
P
− ∑ H F = qm (H 2 − H1 ) = qm c p ∆T
b.当物料有相变时，如热流体为饱和蒸汽，放出热量后变为冷凝液。 1 冷凝液以饱和温度离开系统： ∑ H P − ∑ H F = qm (H 2 − H1 ) = qm r 2。物料离开系统的温度低于饱和温度： ∑ H P − ∑ H F = qm (H 2 − H1 ) = qm r + qm c p ∆T 物料经过系统放出潜热时，r 为负值！
垂直于 热流方 向的面 积，m2
y 方向 上的温 度梯度 K/m
在热传导发生的情况下，傅立叶定律对于稳定导热和不稳定导热均适用
（物体各点的温度不随时间而变化的导热叫做稳定导热 火电厂中大多数热力设备在稳定运行时其 . . . .。 壁面间的传热都属于稳定导热；相对应的，物体内温度场随时间改变的导热叫做不稳定导热 ） . . . . .。
定义：依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。 类型：1）自然对流：温度差引起密度差异 2）强制对流：泵、风机、搅拌等外力所致 工程常见形式：流体与固体壁面之间的传热——对流传热。对流传热过程伴随着流体 质点间的热传导。
（3）简述辐射传热的过程及其特点
定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，物体将热能变为辐射能，以电磁波 的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。辐射传 热是高温情况下主要传热方式 特点：1)不需要介质；2) Ea ∝ T4
qm1 − qm 2 + qmr =
dm ， qmr = −kρV dt
（4）以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？
全部组分不考虑内部反应变化， qm1 − qm 2 =
dm dt
（5）对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？
污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设 体积 V 中可降解物质的浓度均匀分布，则 qmr = −kρV ，负号表示污染物随时间的增加 而减少，k 反应速率常数，s-1 或 d-1，ρ物质浓度，V 体积。
ρA =
mA nA M A n M n RT = × 10−3 ⇒ V = A A × 10 −3 ， VA = A V V ρA p
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所以可得：
VA RT × 103 = ρA V pM A
（5）平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？ （主体）平均流速 um 按体积流量相等的原则定义： u m =
Q = m ⋅ ∆e ， ∆e = cV ⋅ ∆T
对于固体或液体： c p = cV ，有相变情况下吸收或放出的潜热 Q = mr
（5）对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？
开放系统－与环境既有物质交换又有能量交换的系统，对于稳态过程， Eq = 0 ，所以
∑H
P
− ∑ H F = q 。当只有一种物料流经系统输入或输出热量时，因物料进入系统而
（4）大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述 与质量浓度的关系。
在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如 mL/m3，则此气态 污染物质浓度为 10-6。1 摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积， 因 此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最 大优点是与温度、压力无关。例如， 10-6（体积分数）表示每 106 体积空气中有 1 体积 的污染物， 这等价于每 106 摩尔空气中有 1 摩尔污染物质。 又因为任何单位摩尔的物质 有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每 106 个空气分子中有 1 个污染物 分子。 对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的分子量有关。 对于理想气体， 可以用理想气体状态方程表示， 即： pVA = n A RT 。 现推导体积分数 VA/V 和质量浓度 ρ A 之间的关系：
（1）简述傅立叶定律的意义和适用条件。
y 方向上的热量流量，也称为传热速率，W 或 J/S
q=
y 方向上热量通量， 即 单位时间内通过单位 面积传递的热量，又 称为热流密度，W/m2
Q dT = −λ A dy
导热 系数
W/( m·K)
负号表示热量通量方向与温 度梯度的方向相反，即热量是 沿着温度降低的方向传递的。 热量通量与温度梯度成正比， 热量传递的推动力。
（3）质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。
质量分数 xmA：mg/kg，氨的质量/溶液的质量；质量比 XmA：mg/kg，氨的质量/水的质 量。质量比与质量分数的关系：
X mA = xmA 1 − xmA
在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L 污水的质量可以近似认为等于 1000g， 所以实际应用中， 常常将质量浓度和质量分数加以换算， 即 1mg/L 相当于 1mg/1000g ＝ 1×10-6（质量分数）= 1ppm；1μg/L 相当于 1μg/1000g ＝1×10-9（质量分数）=1ppb
（2）什么是封闭系统和开放系统？
开放系统：流体携带能量进出系统（同时有物质和能量交换） 封闭系统：系统与外界没有物质交换，只有能量交换（热量，作功）
（3）简述热量衡算方程的涵义。
单位时间系统物料总能量的变化： ∆E ' = ∑ H P − ∑ H F + Eq ， 物质的焓： H = E + pV（焓 值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度 基准，通常以 273K 物质的液态为基准） 由此可推出系统能量衡算方程： ∑ H P − ∑ H F + Eq = q
第四章 热量传递
第一节 热量传递的方式
（1）什么是热传导？
定义：热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与 它直接接触的低温物体传热的过程。 特点：导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移，传热速率相对较慢。 必要条件：温度差是热传导的必要条件
（2）什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。
（4）试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。
人体的四种传热方式：1）辐射传热：热量由人体表面通过电磁波的形式传至另一个与 它不接触物体表面，在居室内人体与环境的热量辐射是相互的。辐射传热量要受两方 面因素的影响：皮肤与环境间的温度差与机体有效辐射面积。2）热传导：传导是机体 的热量直接传给同它接触的温度较低的物体的一种传热方式。传导热量取决于所接触 物体的导热性能。3）对流传热：对流是指通过气体或液体的流动来交换热量的一种热 量传递方式。对流传热量受气体或液体流动速度的影响，它们之间呈正比关系。4）蒸 发散热：水分由液态转变为气态，同时带走大量热量的一种传热方式。蒸发传热过程 要借助对流实现。
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保温材料受潮后隔热性能 将大幅度下降——防潮 多孔材料作为保温材料
1）在液体中，水的导热系数最大，20°C 时为 0.6W/(m·K)。因此，水是工程上最常用
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的导热介质。 2）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为 保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。水比空气的导热系数大 得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。 3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达 100～200W/(m·K)，高于一般金属；同时， 由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。