《熱力學(xué)與傳熱學(xué)》考試答案

《熱力學(xué)與傳熱學(xué)》考試答案一、判斷題1．循環(huán)凈功越大，則循環(huán)的熱效率也愈大。（）2．經(jīng)過(guò)一個(gè)不可逆循環(huán)后，工質(zhì)熵的變化為零。（）3．若容器中氣體的絕對(duì)壓力沒(méi)有改變，則其壓力表的讀數(shù)就不會(huì)改變。（）4、閉口系與外界無(wú)物質(zhì)交換，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定，那么系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量保持恒定的熱力系一定是閉口系統(tǒng)。（）5、功的數(shù)值僅僅取確于工質(zhì)的初態(tài)和終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。（）6、氣體膨脹時(shí)一定對(duì)外作功。（）7、比熱容僅僅是溫度的單值函數(shù)。（）8、對(duì)于一種確定的理想氣體，(cp-cv)一定為一定值。（）二、填空題1．在兩個(gè)恒溫?zé)嵩粗g有兩個(gè)可逆循環(huán)，其中一個(gè)循環(huán)的工質(zhì)是理想氣體、熱效率為A；另一循環(huán)的工質(zhì)是等離子氣體，熱效率為B。試比較這兩個(gè)循環(huán)熱效率的大小。三、簡(jiǎn)答題1．?dāng)?shù)和數(shù)均可寫成的形式，二者有何區(qū)別？2．冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么騎摩托車比步行時(shí)感到更冷些，一般要戴皮手套和護(hù)膝？3．試比較在其它條件相同時(shí)，下列情況管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的相對(duì)大小。（請(qǐng)用符號(hào)“<”、“=”、“<”表示）（1）層流紊流（2）水空氣（3）光滑管粗糙管（4）直管彎管（5）層流入口段層流充分發(fā)展段4．在p-v圖中有一可逆過(guò)程1-2，工質(zhì)為理想氣體。試判斷其過(guò)程熱量q、過(guò)程功w以及熱力學(xué)能變化u的正負(fù)。5．已知H2O在壓力為p=1.0MPa時(shí)飽和溫度為ts=179.88C。試判斷H2O在下列情況下的狀態(tài)：（1）p=1.0MPa、t=200C；（2）p=1.0MPa、t=160C；（3）6．寫出努塞爾數(shù)（Nu）的表達(dá)式及物理意義。7．有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進(jìn)行冷卻。為使稀飯涼的更快一些，你認(rèn)為他應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？8．對(duì)于高溫圓筒壁來(lái)說(shuō)，加保溫層一定能降低對(duì)外散熱量，對(duì)嗎？為什么？四、計(jì)算題1．容積為V=0.0283m3的瓶?jī)?nèi)裝有氧氣，其壓力為p1=6.865105Pa，溫度為T1=294K。隨后發(fā)生泄漏，壓力降至p2=4.901105Pa時(shí)被發(fā)現(xiàn)，而溫度T2=T1未變。試問(wèn)到發(fā)現(xiàn)為止共漏去多少kg氧氣？[氧氣Rg2．在可逆熱力循環(huán)1-2-3-1中，1-2為定容過(guò)程，2-3為絕熱過(guò)程，3-1為定壓過(guò)程。工質(zhì)為空氣，T1=300K，p1=0.1MPa、p2=0.4MPa，cp=1.004kJ/(kg.K)，Rg=0.287kJ/(kg.K)。試求(1)循環(huán)凈功w0；(2)循環(huán)熱效率t；(3)在p-v圖及T-s圖上定性地畫出該循環(huán)。3．初始溫度為20℃的熱電偶突然放入300℃的空氣中，30秒種后熱電偶的指示溫度為160℃。試求（1）該熱電偶的時(shí)間常數(shù)；（2）熱電偶指示溫度上升到290℃所4．容積為V=0.027m3的剛性儲(chǔ)氣筒內(nèi)裝有壓力為0.5MPa、溫度為27C的氧氣。筒上裝有一排氣閥，壓力達(dá)到0.8MPa時(shí)就開(kāi)啟，壓力降為0.75MPa時(shí)才關(guān)閉。若由于外界加熱的原因造成閥門開(kāi)啟，試問(wèn)：(1)當(dāng)閥門開(kāi)啟時(shí)的筒內(nèi)溫度；(2)因加熱造成閥門開(kāi)閉一次期間而損失掉的氧氣量。設(shè)筒內(nèi)氣體溫度在排氣過(guò)程中保持不變。氧氣，Rg=2605．一定量的空氣，經(jīng)過(guò)下列四個(gè)可逆過(guò)程組成的循環(huán)1-2-3-4-1。試求：（1）填充表中所缺的數(shù)據(jù)；（2）循環(huán)功；（3過(guò)程Ｑ（kJ）△Ｕ（kJ）Ｗ（kJ）１２12100２３0250３４-9800４１06．冷卻水以2m/s的流速在內(nèi)徑為d=20mm的直銅管內(nèi)流動(dòng)，其進(jìn)口溫度為20C，銅管內(nèi)壁溫度為80特征數(shù)關(guān)聯(lián)式：（1）紊流：條件：（2）層流：條件：參考答案一、判斷題√√二、填空題A=B三、簡(jiǎn)答題1．?dāng)?shù)和數(shù)均可寫成的形式，二者有何區(qū)別？答：（1）Nu數(shù)中的為流體的熱導(dǎo)率；Bi數(shù)中的為導(dǎo)熱物體的熱導(dǎo)率。（2）Nu數(shù)中的h為待定參數(shù)，Nu為待定特征數(shù)；Bi數(shù)中的h為已知參數(shù)，由第三類邊界條件確定，Bi為已定特征數(shù)。（3）物理意義不同。Nu表示貼壁流體的無(wú)量綱的溫度梯度，在其它條件相同的情況下，Nu數(shù)可反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。Bi數(shù)表示第三類邊界條件下物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻和表面處換熱熱阻的比值。2．冬天，在相同的室外溫度條件下，為什么騎摩托車比步行時(shí)感到更冷些，一般要戴皮手套和護(hù)膝？答：強(qiáng)制對(duì)流換熱強(qiáng)度與流體壁面之間的相對(duì)速度有關(guān)，相對(duì)速度越大，對(duì)流換熱越強(qiáng)。與步行相比，騎摩托車時(shí)相對(duì)速度較大，對(duì)流換熱強(qiáng)度大，因此人體會(huì)散失較多的熱量從而感到更冷些。皮手套和護(hù)膝，由于導(dǎo)熱系數(shù)小且有一定厚度，增加了一層較大的導(dǎo)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(hù)作用。3．試比較在其它條件相同時(shí)，下列情況管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的相對(duì)大小。（請(qǐng)用符號(hào)“<”、“=”、“>”表示）（1）層流<紊流（2）水>空氣（3）光滑管<粗糙管（4）直管<彎管（5）層流入口段>層流充分發(fā)展段4．答：由圖可知，s2>s1，則q=>0，吸熱；v2>v1，則w=>0，對(duì)外作功；T2<T1，則<0，熱力學(xué)能降低。5．答：在相同壓力下，（1）t=200C>ts，處于過(guò)熱蒸氣狀態(tài)；（2）t=160C<ts，處于未飽和水狀態(tài)；（3）6．答：；表征壁面處流體無(wú)量綱過(guò)余溫度變化率的大小，可反映對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。7．有人將一碗熱稀飯置于一盆涼水中進(jìn)行冷卻。為使稀飯涼的更快一些，你認(rèn)為他應(yīng)該攪拌碗中的稀飯還是盆中的涼水？為什么？答：應(yīng)該攪拌碗中的稀飯。這是一個(gè)傳熱過(guò)程。相對(duì)而言，稀飯側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)較小、換熱熱阻較大。攪拌稀飯時(shí)增大了其對(duì)流換熱系數(shù)，最大限度的降低總傳熱熱阻，可顯著地增強(qiáng)傳熱，加速冷卻速率。8．對(duì)于高溫圓筒壁來(lái)說(shuō)，加保溫層一定能降低對(duì)外散熱量，對(duì)嗎？為什么？答：不對(duì)。因?yàn)閷?duì)于圓筒壁的保溫，存在一個(gè)臨界熱絕緣直徑dc問(wèn)題。當(dāng)圓筒壁外徑大于臨界熱絕緣直徑dc時(shí)，加保溫層一定能降低散熱量；但當(dāng)圓筒壁外徑小于臨界熱絕緣直徑dc時(shí)，在一定的保溫層厚度范圍內(nèi)，其散熱量是增加的。四、計(jì)算題1．解：理想氣體狀態(tài)方程：pV=mRgT初態(tài)時(shí)氧氣質(zhì)量為終態(tài)時(shí)氧氣質(zhì)量為則漏去的氧氣質(zhì)量為m=m1-m2=0.254-0.181=0.073kg2.解：對(duì)于空氣，k=1.4cV=cp-Rg=0.717kJ/(kgK)1-2為定容過(guò)程，2-3為定熵過(guò)程，3-1為定壓過(guò)程，p3=p1=0.1MpaT2=T1p2/p1=300×0.4/0.1=1200K(1)循環(huán)功wnetw1-2=0q2-3=0w2-3=-u2-3=cV(T2-T3)=0.717×(1200-807.54)=281.39kJ/kgw3-1=p1(v1-v3)=Rg(T1-T3)=0.287×(300-807.54)=-145.66kJ/kgwnet=w1-2+w2-3+w3-1=0+281.39-145.66=135.73kJ/kg(2)熱效率tq1-2=u1-2=cV(T2-T1)=0.717×(1200-300)=645.3kJ/kg循環(huán)吸熱量q1=q1-2=645.3kJ/kgq3-1=h3-1=cp(T1-T3)=1.004×(300-807.54)=-509.57kJ/kg循環(huán)放熱量q2=q3-1=409.17kJ/kgt=wnet/q1=135.73/645.3=21.03%或t=1-q2/q1=1-509.57/645.3=21.03%(3)圖示3.解：本題求時(shí)間常數(shù)，可認(rèn)為滿足Bi<0.1。(1)求時(shí)間常數(shù)：代入數(shù)據(jù)，∴（秒）(2)求時(shí)間：∴（秒）4．解：理想氣體狀態(tài)方程：pV=mRgTT1=27+273.15=300.15Kp1=0.5MPa(1)設(shè)閥門開(kāi)啟時(shí)，筒內(nèi)氣體為溫度為T2’K。又p2’=0.8MPaV2’則T2’=p2/p1T1=0.8/0.5×t2’=T2’-273.15=480.24-273.15=207.09(2)設(shè)損失掉的氧氣質(zhì)量為mkg。開(kāi)啟前氧氣質(zhì)量為m1，則閥門開(kāi)啟又關(guān)閉后氧氣質(zhì)量為m2，又T2=T2’=480.24Kp2=0.75MPaV2=V1則損失掉的氧氣質(zhì)量為m=m1-m2=0.173-0.162=0.011kg5．解：（1）填充表中所缺的數(shù)據(jù)對(duì)每一過(guò)程有：Q=U+W對(duì)循環(huán)有過(guò)程Q（kJ）ΔU(kJ)W(kJ)1-21210(1210)02-30(-250)2503-4-980(-980)04-10(20)(-20)（2）循環(huán)凈功W0=W1-2+W2-3+W3-4+W4-1=0+250+0-20=230kJ或W0=Q0=1210+0-980+0=230kJ（3）循環(huán)熱效率Q1=1210kJ6．解：這是一個(gè)管內(nèi)強(qiáng)迫對(duì)流換熱問(wèn)題。(1)查物性流體平均溫度壁溫tw=80C水的物性參數(shù)：Prf=4.31（2）判斷流態(tài)為湍流（3）選擇公式，計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；假設(shè)滿足，則W/(m2K)（4）計(jì)算管長(zhǎng)熱平衡方程：[m]（5）校核：成立，計(jì)算可靠。7．解：穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：不計(jì)進(jìn)出口動(dòng)能和位能的變化，則；絕熱過(guò)程，；則可簡(jiǎn)化為，則又絕熱壓縮過(guò)程，且T1=17+273=290K，p1=0.1MPa，p2=0.9MPa，則則壓氣機(jī)消耗的軸功為8．解：這是一個(gè)通過(guò)兩層平壁的導(dǎo)熱過(guò)程。設(shè)保溫層厚度為2mm熱流密度保溫層厚度=34.6m9．解：假設(shè)Bi<0.1成立，可用集總參數(shù)法計(jì)算。對(duì)于球體，V/A＝R/3，則又＝20s，t=ts=500oC，