热力学与传热学

第1页共14页《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？第2页共14页三、计算题1．一循环，工质从高温热源吸热3.4×106kJ，输出功率1.1×106kJ。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1bar、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=1.0kJ/(kgK)，比定容热容cV=0.71kJ/(kgK)。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24W/(m2K)，试计算钢球冷却到180℃所需的时间。已知钢球的c=480J/(kgK)，ρ=7753kg/m3，λ=33W/(mK)。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/(kgK)。5．流体受迫地流过一根内直径为25mm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350W/(m2K)。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0.10W/(mK)。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）填充第3页共14页下表所缺数据；（2）循环净功；（3）该循环的热效率。过程Q（kJ）ΔU(kJ)W(kJ)1-2121002-302503-4-98004-1010、厚为36mm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Rg=287J/(kgK)】12、外径为100mm，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/(m2K)，试计算单位长度圆筒壁散失到房间中的总热量。第4页共14页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U=Q-W，理想气体U=mcV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；但当圆筒壁第5页共14页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：%35.32%100104.3101.16610QWt相应卡诺循环的热效率：%34.646434.015.27357715.273391112TTc二者比值为：5028.0%34.64%35.32ct2．解：p1=1barp2=6barT1=20+273.15=293.15Kk=cp/cV=1.4由题意知：1→2为可逆绝热过程，则K69.4921615.2934.114.111212kkppTTkJ/kg68.141)15.29369.492(71.0)(122,1TTcuVq=0，则kJ/kg68.141uuqw3．解：d=5cm=0.05mR=d/2=0.025mt0=400℃t=30℃对球体V/A=R/3M=1/3则31.0006.0333025.0243)/(hRAVhBVi可用集总参数法计算VchAetttt00则0lnhAcV第6页共14页代入数据，][66.11663040030180ln324025.04807753s4．解：V=2m3pb=760mmHg=1.01325barp=pe+pbp1=pe1+pb=0.3+1.01325=1.31325barp2=pe2+pb=3+1.01325=4.01325bar理想气体状态方程：pV=mRgT初态时罐内氧气质量为kg178.3)15.27345(26021031325.15111TRVpmg终态时罐内氧气质量为kg748.8)15.27380(26021001325.45222TRVpmg则压入的氧气质量为m=m2-m1=8.748-3.178=5.57kg5．解：管内强迫对流换热问题。由牛顿冷却公式计算：)(/)(fwfwlttdhltthA34.1649)60120(025.01.014.3350W/m6．解：T1=700+273.15=973.15KT2=350+273.15=623.15K由题意知，A1=A2=AX1,2=X2,1=1.02222,11111212,1111AXAAEEbb111)(2121bbEEA111)(11121424121212,12,1TTEEAqbbb087.1586315.016.01)15.62315.973(1067.5448W/m2第7页共14页7．解：该卡诺热机的热效率：%8.38388.015.27350015.2732001112TTc输出功率为：8.38388.010010cpkW8．解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。由题意知：d1=120mmd2=d1+2=120+225=170mmtw1=250ºCtw2=38ºC则1221ln21ddttwwl432.382120170ln10.014.32138250［W/m］9．解：（1）填表对每一过程有：Q=U+W对循环有000WQdU过程Q（kJ）ΔU(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=230kJ或W0=Q0=1210+0-980+0=230kJ（3）循环热效率Q1=1210kJ%1919.0121023010QWc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：m=0.56（1+0.0018tm）=0.56×(1+0.0018×35)=0.5953W/(mK)热流密度为：07.496036.020505953.021wwmttAqW/m211．解：以容器内的空气为研究对象。已知：T1=300Kp1=600kPaV2/V1=6（1）满足q=u+w绝热q=0自由膨胀w=0第8页共14页则u=q-w=0（2）u=cV（T2-T1）=0，则T2=T1（3）s=Rgln(V2/V1）=287×ln(6)=514J/(kgK)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Tw=100+273=373KT=20+273=293KA1=dlX1,2=1.0A1«A2)(111)(1122212,1111bbWbbWrEEAAAXEEA则lrrl)(441TTdWb49.162)15.29315.373(1067.51.014.376.0448W/m再求对流换热量cl：68.176)20100(1.014.303.7)(ttdhWcclW/m则总散热损失为：17.33949.16268.176rclW/m1．第1题判断题实际物体的吸收率仅仅取决于物体的本身性（物体的种类、表面温度、表面状况）。标准答案：错误2．第2题判断题自然界中存在绝对的黑体。第9页共14页标准答案：错误3．第3题判断题在辐射换热过程中，只能有高温物体向低温物体辐射能量。标准答案：错误4．第4题判断题角系数的互换性只有在热平衡条件下才能成立。标准答案：错误5．第5题判断题导电体的黑度（发射率）小于非导电体的黑度（发射率）。标准答案：正确6．第6题判断题黑体的吸收和辐射能力仅仅是温度的单值函数。标准答案：正确7．第7题判断题对于工业