工程热力学和传热复习学习题1221 标准答案供参习Word文档下载推荐.docx

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6、系统经历一个不可逆过程后就无法恢复到原状态。

由不可逆过程的定义可知：

系统可以恢复到原状态，但系统与外界不能同时恢复到原状态。

填空题

1、工质的基本状态参数是（温度，压力，比容）

2、氮气的分子量μ=28，则其气体常数（296.94）

3、气体吸热100kJ，内能增加60kJ，这时气体体积（增大）

4、实现准平衡过程的条件是（推动过程进行的势差为无穷小）

5、根据热力系统和外界有无（物质）交换，热力系统可划分为（开口和闭口）

6、作为工质状态参数的压力应该是工质的（绝对压力）

7、稳定流动能量方程式为（q=（h2-h1）+（C22-C12）/2+g（Z2-Z1）+wS）

8、理想气体的定压比热CP和定容比热CV都仅仅是（温度）的单值函数。

9、氧气O2的定压比热CP=0.219kcal/kgK,分子量μ=32.则其定容比热CV=（0.657）kJ/kgK。

10、气体常数Rg与通用气体常数R之间的关系式为：

Rg=（R/M）

11、平衡状态应同时满足（热）平衡与（力）平衡。

12、技术功wt的定义是由三项能量组成，据此技术功wt的定义式可表示为：

wt=（mΔc2/2+mgΔz+mws）。

13、热力系与外界间的相互作用有（质量交换）和（能量交换）两类。

15、热力系的总储存能为（热力学能）、（宏观动能）与（宏观位能）的总和。

16、开口系进出口处，伴随质量的进出而交换（推动）功。

17、理想气体的定压比热cp和定容比热cv之间的关系式是（cp-cv=R）。

18、多变指数n=（0）的多变过程为定压过程

19、u=cVΔT适用于理想气体的（任何）过程；

对于实际气体适用于（定容）过程。

20、推动功等于（pv），热力学能与推动功之和为（焓）。

21、开尔文温标与摄氏温标之间的关系式为：

（T=t+273.15）华氏温度换算F=9/5*t+32；

绝对压力与真空度之间的关系式为：

（Pb-Pv）。

22、卡诺循环是由（两个可逆等温过程和两个可逆的绝热过程）组成的。

卡诺效率η=ω/q1=1-T2/T1;

23、热力学第一定律的基本数学表达式q=Δu+w适用于（任何）工质，适用于（任何）过程。

24、容积功与技术功之差等于（流动）功，用状态参数计算时该项功量为（Δpv）。

25、热力学第二定律对于循环过程的两个重要推论分别为（卡诺定理）和（克劳修斯不等式）。

26、理想气体的Δh=（cpΔT），适用于理想气体的（任何）过程

27、随着压力的提高水蒸汽的汽化潜热逐渐（减小），达到临界压力时，水蒸汽的汽化潜热为（0）。

28、水蒸汽的过热度D指的是（过热蒸汽的温度与相应压力下的饱和温度之差），干度X指的是（湿蒸汽中饱和蒸汽的含量份额）。

29、经定熵扩压流动流体流速降低为零时所达到的状态称为（绝热滞止）状态，该状态下的所有参数均称为（滞止）参数。

30、水蒸汽的一点两线三区五态中，五态指的是（未饱和水、饱和水、湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽）。

31、马赫数：

通常把气体速度与当地声速之比称为马赫数；

32、绝热滞止：

经定熵扩压流动流体流速降低为零时所达到的状态；

33、制冷：

指人们认为的维持某一对象的温度低于周围环境的温度；

第二部分:

传热学

34、试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。

导热和对流的区别在于：

物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；

对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。

联系是：

在发生对流换热的同时必然伴生有导热。

导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能量的转移还伴有能量形式的转换。

35、以热流密度表示的傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩－玻耳兹曼定律是应当熟记的传热学公式。

试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义。

①傅立叶定律：

q=-λdt/dx，其中，q－热流密度；

λ－导热系数；

dt/dx－沿x方向的温度变化率，“－”表示热量传递的方向是沿着温度降低的方向。

②牛顿冷却公式：

q=h（tw-tf），其中，q－热流密度；

h－表面传热系数；

tw－固体表面温度；

tf－流体的温度。

③斯忒藩－玻耳兹曼定律：

q=σT4，其中，q－热流密度；

σ－斯忒藩－玻耳兹曼常数；

T－辐射物体的热力学温度。

36、

计算题：

1、1mol单原子理想气体从300K加热到350K，

（1）容积保持不变；

（2）压强保持不变；

问：

在这两过程中各吸收了多少热量？

增加了多少内能？

对外作了多少功？

2、有一定量的理想气体，其压强按p=C/V2的规律变化，C是常量。

求气体从容积V1增加到V2所作的功。

该理想气体的温度是升高还是降低？

3、2mol的氮气，在温度为300K、压强为1.0×

105Pa时，等温地压缩到2.0×

105Pa。

求气体放出的热量。

4、压强为1.0×

105Pa，体积为0.0082m3的氮气，从初始温度300K加热到400K，加热时

（1）体积不变，

（2）压强不变，问各需热量多少？

哪一个过程所需热量大？

为什么？

5、有一热机工作于500°

C和300°

C两个热源之间，该热机每分钟从高温热源吸热100kJ，问低温热源放热85kJ，试问该热机是否为卡诺机?

热效率为多少?

（10分）

解：

ηt=1-Q2/Q1=1-85/100=15%（3分）

ηtK=1-T2/T1=1-（300+273）/（500+273）=25.9%（3分）

因为ηt<

ηtK所以该循环不是卡诺循环，热效率为15%（4分）

6、压缩空气输气管上接一出口截面面积A2=10cm2的渐缩喷管，空气在喷管之前压力P1=25bar，温度t1=80℃；

喷管出口处背压Pb=10bar。

并设绝热指数k=1.4，定压比热CP=1.004kJ/kgK。

求空气经喷管后的射出速度及流量。

（15分）

解、Pb/P1=10/25=0.4<

γcr=0.528（2分）

∴P2=Pcr=P1γcr=25×

0.528=13.2bar（3分）

T2=T1×

（P2/P1）（k-1）/k=（237+80）（13.2/25）（1.4-1）/1.4=294K（2分）

v2=RT2/P2=287×

294/13.2×

105=0.0639m3/kg（2分）c2=√2CP（T1-T2）=√2×

1.004×

103（353-294）=344.2m/s（3分）m=A2c2/v2=10×

10-4×

344.2/0.0639=5.39kg/s（3分）

7、设进入喷管的空气压力为0.4MPa，温度为227℃；

而出口背压为0.15MPa。

试选喷管的形状，并计算气流出口速度及马赫数。

（15分）（k=1.4，CP=1.004kJ/kgK，R=0.287kJ/kgK）

解:

Pb/P1=0.15/0.4=0.375<

γcr=0.528（3分）

∴应选缩放喷管，且P2=Pb=0.15MPa（3分）

（P2/P1）（k-1）/k=（237+227）（0.15/0.4）（1.4-1）/1.4=378K（5分）c2=√2CP（T1-T2）=√2×

103（500-378）=494.95m/s（3分）

a2=√kRT2=√1.4×

287×

378=389.72m/s（2分）M=c2/a2=494.95/389.72=1.27（2分）

8、10kg水，其压力0.7MPa，此时饱和温度ts=164.96°

C，当压力不变时（10分）

1若其温度为200°

C，则处于何种状态?

2若其温度为150°

3若测得10kg水中含蒸汽2.5kg，含水7.5kg，则又处于何种状态?

此时的温度应为多少?

1）t=200°

C>

ts=164.96°

C

∴此时该蒸汽处于过热蒸汽状态（3分）

2）t=150°

C<

∴此时处于过冷水状态（3分）

3）10kg工质中有有蒸汽有水，处于汽水共存状态，为湿饱和蒸汽此时蒸汽温度t=ts=164.96°

C（4分）

9、1Kg空气从初态p1=0.1MPa，T1=300K,经可逆绝热压缩到的终压p2=0.5MPa。

试求该过程所消耗的容积功和技术功（设空气的比热容为定值cp=1.004kJ/kg.K）。

将该过程在P-v图上表示出来。

T2=T1（P2/P1）（K-1）/K＝475.146K（3分）

cv=cP-Rg=0.717kJ/kg.K（3分）

w=（u1-u2）=cv（T1-T2）=-125.58kJ（3分）

wt=（h1-h2）=cp（T1-T2）=-175.81kJ（3分）

图（3分）

10、初态为p1=1.0MP，t1=500℃的空气，在气缸中可逆定容放热到P2＝0.5MP，然后可逆绝热压缩到t3＝500℃。

求各过程的Δu，Δh，Δs及w和q各为多少?

知定压比热cP=1.004kJ/kg.K，气体常数取Rg=287J/kg.K。

1－2定容过程：

cv=cp-Rg=717kJ/kg，T2=T1p2/p1=386.575K（t=113.425℃）,（4分）

q=Δu＝－277.2kJ/kg，Δh=-388kJ/kg，

Δs=-496.99J/（kg·

K），w＝0（6分）

2－3定熵过程：

w=Δu=-277.5kJ/kg，Δh＝388kJ/kg，Δs＝0，q＝0（5分）

11、将2kg的空气从初态P1=0.15MPa,T1=300K经可逆绝热压缩过程，压缩到初态容积的1/4。

求该过程的容积功，内能与焓的增量。

空气的定容比热取717J/kg.K,气体常数取287J/kg.K。

（10分）

解、V1=mRT1/P1=1.148m3,V2=V1/4=0.287m3（2分）

T2=（V1/V2）（k-1）T1=522.33K,t2=T2-273.15=249.18℃（2分）△U=mCV△T=318821.7J（2分）

△H=mCP△T=446438.6J（2分）

W=-△U=-318821.7J（2分）

12、在一活塞气缸中，储有温度为t1=20℃，压力为P1=105Pa的空气V1=1m3。

经可逆绝热压缩过程将其压缩为V2=0.6m3。

求空气质量m，该过程内能的增量ΔU及压缩功W，压缩后终态的压力P2与温度t2。

空气的绝热指数取k=1.4，气体常数取R=287J/kg.K，cv=717J/kgK。

（共10分）

解、m=P1V1/RT1=1.189kg（2分）

P2=（V1/V2）kP1=204450Pa（2分）

T2=（V1/V2）（k-1）T1=359.61K；

t2=T2-273.15=86.46℃（2分）

Δu=cvΔT=47651.82J/kg（2分）

W=-mΔu=-56658J（2分）

13、一刚性绝热容器，被无摩擦无质量的活塞分成等容积的两部分。

每部分的容积为0.03m3。

最初活塞被销钉固定，一边为真空；

一边充有P1=6×

105Pa，T1=300K的空气,去掉销钉后，空气经绝热自由膨胀最终达到一个新的平衡状态。

求：

该过程温度、压力及熵的增量。

（R=287J/kgK，cV=0.716kJ/kgK）（共10分）

∵q=0；

w=0∴Δu=0（2分）

∵Δu=0∴ΔT=0；

T2=T1=300K（2分）

P2=P1⋅V1/V2=6×

105×

0.5=3×

105PaP2-P1=3×

105Pa（3分）

ΔS=mRln（V2/V1）=（P1⋅V1/T1）ln（V2/V1）=41.59J/kg⋅K（3分）

14、2kg的空气稳定流经压气机，从相同的进气参数P1=0.15MPa；

T1=300K；

可逆压缩到相同的排气压力P2=0.45MPa。

一为定温压缩，另一为绝热压缩。

空气流动的宏观动能差和宏观重力位能差均可忽略不计,空气的定压比热CP=1.004kJ/kg.K。

计算这两过程的排气温度和轴功。

（气体常数取287J/kg.K。

）（15分）

定熵过程：

T2=T1（P2/P1）（k-1）/k=410.62K（4分）Ws=mcp（T1-T2）=-222.125kJ（4分）

定温过程：

T2=T1=300K（2分）

Ws=WT=W=mRTlnP1/P2=-189.18KJ（5分）

15、空气流经一个喷管，其进口参数为P1=0.7MPa；

t1=350℃；

c1=80m/s。

其背压为Pb=0.2MPa。

空气流量为m=1kg/s，比热CP=1.004kJ/kgK。

喷管内为定熵流动。

确定喷管的外形，并计算喷管出口空气流速及出口截面积。

解、T0=T1+c12/2Cp=（273+350）+802/2000×

1.004=626.3KP0=P1（T0/T1）k/（k-1）=7.1306×

105PaPb/P0=0.28<

νcr=0.528

∴采用缩放喷管（5分）

c2=√2kRT0[1-（P2/P0）（k-1）/k]/（k-1）=619m/s（5分）

v2=（P1/P2）1/k

v1=（P1/P2）1/kRT1/P1=0.625m3/kg

A2=mv2/c2=1.0097×

10-3m2（5分）

16、1kg理想气体经一可逆绝热过程由初态1到达状态2，此过程中气体所作的膨胀功为w12；

试证明由状态2经一可逆定容加热过程到达终态3且加热量q23等于w12时，此理想气体的最终温度T3等于初态温度T1。

证明：

q12=0∴Δu12=cv（T2-T1）=-w12（4分）

w23=0∴Δu23=cv（T3-T2）=q23=w12（4分）

两式相加可得T3=T1（4分）

17、在一直径为20cm，长度为50cm的汽缸中，储有20℃的空气，其压力为101325Pa。

经可逆绝热压缩过程，活塞压入20cm。

求该过程的压缩功，压缩后终态的压力与温度。

空气的绝热指数取1.4,气体常数取287J/kg.K。

（共8分）

解、V1=πr2l1=0.0151m3,V2=πr2l2=0.00924m3（2分）

W=[1-（V1/V2）（k-1）]P1V1/（k-1）=-901.6J（2分）

T2=（V1/V2）（k-1）T1=359.4K,t2=T2-273.15=86.35℃（2分）

P2=（V1/V2）kP1=207209.625Pa（2分）

25、把质量为5kg、比热容（单位质量物质的热容）为544J/（kg.0C）的铁棒加热到3000C，然后侵入一大桶270C的水中。

求在这冷却过程中铁的熵变。

26、一砖墙的表面积为20m2，厚为260mm，平均导热系数为1.5W/（m.K）。

设面向室内的表面温度为15℃，而外表面温度为-10℃，试确定此砖墙向外界散失的热量。

根据傅立叶定律有：

Φ=AλΔt/δ=1.5×

20×

{15−（−10）}/0.26=2884.6W

27、.m=5kg理想气体的气体常数Rr=520J/（kg·

k），比热比k=1.4。

初温T1=500K，经可逆定体积过程后终温T2=620K。

求Q、ΔU、W、ΔS。

.解;

cv=

=

=1300J/（kg·

k）

W=0（定体积，不做功）

△U=mcv（T2－T1）=5×

1.3×

（620－500）=780kJ

Q=△U=780kJ

△S=mcvln

=5×

ln

=1.4kJ/K

27、用铝制的水壶烧开水时，尽管炉火很旺，但水壶仍然安然无恙。

而一旦壶内的水烧干后，水壶很快就烧坏。

试从传热学的观点分析这一现象。

当壶内有水时，可以对壶底进行很好的冷却（水对壶底的对流换热系数大），壶底的热量被很快传走

而不至于温度升得很高；

当没有水时，和壶底发生对流换热的是气体，因为气体发生对流换热的表面换

热系数小，壶底的热量不能很快被传走，故此壶底升温很快，容易被烧坏。

28、用一只手握住盛有热水的杯子，另一只手用筷子快速搅拌热水，握杯子的手会显著地感到热。

试分析其原因。

当没有搅拌时，杯内的水的流速几乎为零，杯内的水和杯壁之间为自然对流换热，自热对流换热的表面传热系数小，当快速搅拌时，杯内的水和杯壁之间为强制对流换热，表面传热系数大，热水有更多

的热量被传递到杯壁的外侧，因此会显著地感觉到热。

29、对置于水中的不锈钢束采用电加热的方法进行压力为1.013×

105Pa的饱和水沸腾换热实验。

测得加热功率为50W，不锈钢管束外径为4mm，加热段长10mm，表面平均温度为109℃。

试计算此时沸腾换热的表面传热系数。

根据牛顿冷却公式有Φ=AhΔt

∴h=Φ/AΔt=4423.2W/（m2.K）

30、一玻璃窗，尺寸为60cm×

30cm，厚为4mm。

冬天，室内及室外温度分别为20℃及-20℃，内表面的自然对流换热表面系数为W，外表面强制对流换热表面系数为50W/（m.K）。

玻璃的导热系数λ=0.78W/（m.K）。

试确定通过玻璃的热损失。

Φ=ΔT/（1/h1A+1/h2A+δ/Aλ）＝57.5W

31、一冷藏室的墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成，各层的厚度依次为0.794mm.,152mm及9.5mm，导热系数分别为45W/（m.K）,

0.07W/（m.K）及0.1W/（m.K）。

冷藏室的有效换热面积为37.2m2，室内外气温分别为-2℃及30℃，室内外壁面的表面传热系数可分别按1.5W/（m2.K）及2.5W/（m2.K）计算。

为维持冷藏室温度恒定，试确定冷藏室内的冷却排管每小时需带走的热量。

由题意得

Φ=A×

（t1-t2）/{1/h1+1/h2+δ1/λ1+δ2/λ2+δ3/λ3}

＝37.2×

{30-（-2）}/{1/1.5+1/2.5+0.000794/45+0.0095/0.1

+0.152/0.07}=357.14W（357.14×

3600＝1285.6KJ）