热工学原理期末复习解读

2013~2014学年度第二学期期末复习
热工学原理
第一章：基本概念
一、名词解释
1、热力系统（P9~10）
（1）闭口系统（控制质量系统）：与外界无物质交换的系统。

（2）开口系统（控制容积系统）：与外界有物质交换的系统。

（3）绝热系统：与外界无热量交换的系统。

（4）孤立系统：与外界既无能量（功、热）交换又无物质交换的系统。

2、状态参数（P10~12）
（1）状态参数：用于描述工质所处状态的宏观物理量。

（2）压力：单位面积上所受到的垂直作用力（即压强），A
F
p =。

（3）温度：宏观上，温度是用来标志物体冷热程度的物理量；微观上，气体的温度是组成气体的大量分子平均移动动能的量度。

t =T ﹣273.15K 。

（4）比体积：单位质量的工质所占有的体积，m
V
v =，单位：m 3/kg 。

（5）密度：单位体积工质的质量，V
m
=
ρ，1=v ρ，单位：kg/m 3。

3、热力过程（P13）
系统由一个状态到达另一个状态的变化过程称为热力过程，简称过程。

4、可逆过程（P14）
如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路径逆行而回到原来的状态，外界也随之回复到原来的状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。

二、问答题 1、（1﹣2）表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？
答：不能，因为表压力或真空度只是一个相对压力。

若工质的压力不变，测量其压力的压力表或真空计的读数可能变化，因为测量所处的环境压力可能发生变化。

2、（1﹣3）当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈大还是愈小？ 答：真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈小。

3、（1﹣4）准平衡过程与可逆过程有何区别？
答：无耗散的准平衡过程才是可逆过程，所以可逆过程一定是准平衡过程，而准平衡过程不一定是可逆过程。

第二章：热力学第一定律
一、名词解释 热力学第一定律的实质（P21）
（1）热力学第一定律的实质就是热力过程中的能量守恒和转换定律。

（2）热力学第一定律的表述
①在热能与其他形式能的互相转换过程中，能的总量始终不变。

②不花费能量就可以产生功的第一类永动机是不可能造成功的。

二、计算题
（2﹣8）空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数为p 1=0.1MPa ，v 1=0.845m 3/kg ；压缩后为p 2=0.8MPa ，v 2=0.175m 3/kg 。

若在压缩过程中每千克空气的热力学能增加为146.5J ，同时向外界放热50kJ ，压气机每分钟生产压缩气体10kg 。

试求：（1）压缩过程中对每千克空气所作的压缩功； （2）生产1kg 压缩空气所需的轴功；
（3）带动此压气机所需功率至少为多少（kW ）？
解：（1）()kg kJ kg kJ u q w /5.196/5.14650-=--=∆-=。

（2）忽略气体进出口宏观动能和势能的变化，则有轴功等于技术功。

kg kJ kg kJ h q w s /252/100.845)0.10.175(0.8146.550Δ3-=⨯⨯-⨯---=-=。

（3）kW kW w P s
4260
10
2526010=⨯=⨯-=。

第三章：理想气体的性质与热力过程
一、名词解释
1、理想气体状态方程式（P33）
nRT T M
R
m
T mR pV g ===，R =8.314J/(mol ·K)。

2、热容（P35~37）
（1）热容：物体温度升高1K （或1℃）所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容。

dt
Q
dT
Q
C δδ=
=。

（2）比热容：单位质量物质的热容量称为该物质的比热容（质量热容），单位为J/(kg ·K)或kJ/(kg ·K)，dt
q
dT
q
c δδ=
=。

（3）比定容热容v
V
V T u dT q c ⎪⎭⎫
⎝⎛∂∂==
δ。

比定容热容是在体积不变的情况下比热力学能对温度的偏导数，其数值等于在体积不变的情况下物质温度变化1K 时比热力学能的变化量。

（4）比定压热容p
p
p T h dT q c ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂==
δ。

比定容热容是在压力不变的情况下比晗对温度的偏导数，其数值等于在压力不变的情况下物质温度变化1K 时比晗的变化量。

（5） 迈耶公式：g V p R c c =-，R C C m V m p =-,,（m p C ,、m V C ,分别为摩尔定压热容、摩尔定容热容） （6）比热容比V
p c c =
γ，g p R c 1
-=
γγ，g V R c 1
1
-=
γ。

3、混合气体的成分（P45）
（1）质量分数：如果混合气体由k 种组元气体组成，其中第i 种组元的质量m i 与混合气体
总质量m 的比值称为该组元的质量分数，m m w i
i =，∑==k
i i m m 1
，11=∑=k i i w 。

（2）摩尔分数：如果混合气体由k 种组元气体组成，其中第i 种组元的物质的量n i 与混合
气体的物质的量n 的比值称为该组元的摩尔分数，n n x i
i =，∑==k i i n n 1
，11=∑=k
i i x 。

（3）体积分数：如果混合气体由k 种组元气体组成，其中第i 种组元的分体积V i 与混合气
体总体积V 的比值称为该组元的体积分数，V V i
i =ϕ，∑==k i i V V 1，11
=∑=k
i i ϕ。

4、理想气体的基本热力过程（P50~61）
（1）定容过程：气体比体积保持不变的过程称为定容过程。

（2）定压过程：气体压力保持不变的过程称为定压过程。

（3）定温过程：气体温度保持不变的过程称为定温过程。

（4）绝热过程：气体与外界没有热量交换的状态变化过程称为绝热过程。

可逆绝热过程称为定熵过程。

1、（3﹣1）理想气体的p c 和v c 之差及p c 和v c 之比是否在任何温度下都等于一个常数？ 答：理想气体的p c 和v c 之差在任何温度下都等于一个常数，而p c 和v c 之比不是。

2、（3﹣2）如果比热容是温度t 的单调增函数，当12t t >时，平均比热容10|t c 、20|t c 、21|t
t c 中哪一个最大？哪一个最小？
答：由1
0|t c 、20
|t c 、21
|t t c 的定义可知：)(d 1
1
1
ςt c t t c c t t ==
⎰，其中10t <<ς；
)(d 2
2
2
ξt c t t c c t t ==
⎰，其中20t <<ξ；)(d 1
221
2
1
τt c t t t
c c t t t t
=-=
⎰，其中21t t <<τ。

因为比热容是温度t 的单调增函数，所以可知21|t t c >10|t
c ， 又因为20
21
121
20
21
120
2
1
0)()(1021
21
02t
t t t t
t t t t t
t t t c c t c c t c c t t t c t c c >⇒>-=-⇒--=
，
故可知21|t
t c 最大。

又因为2
110
212
10
20
1002
1
11
2
1
2
d d )(d d t t t
c t t c t t t t t
c t t c t c c t t t t t t t ⎰⎰⎰⎰+-=
-=
-
0)
()()()(2
101122
11120121121
2
1
1>--=
-+-=
t t c c t t t t t c t t t c t t t t
t
t t
t t
，所以10|t c 最小。

3、（3﹣3）如果某种工质的状态方程式遵循T R pv g =，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅是温度的函数吗？
答：不一定，比如理想气体遵循此方程，但是比热容不是常数，是温度的单值函数。

这种物质的比热容不一定仅是温度的函数。

由比热容的定义，并考虑到工质的物态方程可得到：
g R T
u
T v p T u T w T u T w u T q c +∆=+∆=+∆=+∆==
d d d d d d d d d d d )d(d d ，由此可以看出，如果
工质的内能不仅仅是温度的函数时，则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。

4、（3﹣4）在v
u-图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程、可逆定压加热过程、可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。

答：图中曲线1为可逆定容加热过程；2为可逆定压加热过程；3为可逆定温加热过程；4为可逆绝热膨胀过程。

因为可逆定容加热过程容积v不变，过程中系统内能增加，所以为曲线1，从下向上。

理想气体的可逆定压加热过程有：
2
1
1
1c
v
c
u
dv
c
dv
R
c
P
dv
P
v
Tc
du P
P+
=
⇒
=
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
-
=
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
-
=，
v
c
u
c
u
v
c
c
1
2
2
1
0=
=
=
=；
，所以
时，
为常数，且考虑到
和，
所以此过程为过原点的射线2，且向上。

理想气体的可逆定温加热过程有：0
0>
=
⇒
=
-
=
∆w
q
w
q
u，气体对外做功，体积增加，所以为曲线3，从左到右。

理想气体的可逆绝热膨胀过程有：
2
1
1
1
1
1
c
v
k
c
u
dv
v
c
pdv
du
k
k
+
-
=
⇒
-
=
-
=
-
（c1、c2为常数）所以为图中的双曲线4，且方向朝右（膨胀过程）。

三、计算题
1、（3﹣2）体积为0.027m3的刚性储气筒，装有压力为7×105Pa、温度为20℃的空气。

筒上装有一排气阀，压力达到8.75×105Pa时就开启，压力将为8.4×105Pa时才关闭。

若由于外界加热的原因，造成阀门开启。

问：（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？
（2）因加热而失掉多少空气？设筒内空气温度在排气过程中保持不变。

解：设气体的初态参数为
1
1
1
1
m
T
V
p和
、
、，阀门开启时气体的参数为
2
2
2
2
m
T
V
p和
、
、，阀
门重新关闭时气体的参数为
3
3
3
3
m
T
V
p和
、
、，考虑到刚性容器有：
1
V，且。

（1）当阀门开启时，贮气筒内压力达到8.75×105Pa，所以此时
筒内温度和气体质量分别为：
()K
K
p
p
T
T44
.
366
10
7
10
8.75
15
.
273
02
5
5
1
2
1
2
=
⨯
⨯
⨯
+
=
=，
()kg
kg
T
R
V
p
m
m0.225
15
.
273
02
287
0.027
10
75
1
g
1
1
2
1
=
+
⨯
⨯
⨯
=
=
=。

（2）阀门重新关闭时，筒内气体压力降为8.4×105Pa
不变，所以此时筒内气体质量为kg
kg
T
R
V
p
T
R
V
p
m
g
g
216
.0
44
.
366
287
027
.0
10
4.85
2
3
3
3
3
3
3
=
⨯
⨯
⨯
=
=
=。

所以，因加热失掉的空气质量为()kg
kg
m
m
m0.009
0.216
0.225
Δ
3
2
=
-
=
-
=。

2、（3﹣3）一绝热刚体气缸，被一导热的无摩擦的活塞分成两部分。

最初活塞被固定在某一位置，气缸的一侧储有0.4MPa、30℃的理想气体0.5kg，而另一侧储有0.12MPa、30℃、0.5kg 的同样气体。

然后松开活塞任其自由移动，最后两侧达到平衡。

设比热容为定值
试求：（1）平衡时的温度（℃）；（2）平衡时的压力（MPa）。

解：（1）气体可以看作是理想气体，理想气体的内能是温度的单值函数，选取绝热气缸内的两部分气体共同作为热力学系统，在过程中，由于气缸绝热，系统和外界没有热量交换，同时气缸是刚性的，系统对外作功为零，故过程中系统的内能不变，而系统的初温为30℃，所以平衡时系统的温度仍为30℃。

（2）设气缸一侧气体的初始参数为
1
1
1
1
m
T
V
p和
、
、，终态参数为
1
1
1
T
V
p'
'
'、
、，另一侧气
体的初始参数为
2
2
2
2
m
T
V
p和
、
、，终态参数为
2
2
2
T
V
p'
'
'、
、，重新平衡时整个系统的总体积不变，所以先要求出气缸的总体积。

()
3
3
6
1
1
1
1
109
.0
10
4.0
15
.
273
30
287
5.0
m
m
p
T
R
m
V g=
⨯
+
⨯
⨯
=
=，
()3
36
22
22363.010
12.015.273302875.0m m p T R m V g =⨯+⨯⨯=
=
，
()'
+'==+=+213321471.0363.0109.0V V m m V V V ＝总。

终态时，两侧的压力相同，即p p p ='='21
，对两侧分别写出状态方程， 2
122222211111
111(T V V p T V p T V p T V p T V p T V p ）－，总'='''='='''=
()2211221111''V p V p pV V p V V p V p pV +=⇒=-=总总，⇒终态时的压力 Pa Pa Pa V V p V p p 56622111085.102.184661472
.0303.01012.0109.0104.0⨯==⨯⨯+⨯⨯=+=总。

3、（3﹣4）5kg 的Ar 气体经历了一热力学能不变的过程，初态为p 1=6.0×105Pa 、T 1=600K ，
膨胀终了的体积V 2=3V 1。

Ar 气体可作为理想气体，设比热容为定值，R g =0.208kJ/(kg ·K)，求终温、终压及总熵变量。

解：由于Ar 可看作理想气体，理想气体的内能时温度的单值函数，过程中内能不变，故终温K T 6002=，由状态方程可求出终压为Pa Pa V V p p 552112102.03
1
106.0⨯=⨯⨯==。

总熵变量K kJ K kJ p p mR T T c S p /31.14/10
0.6100.2ln 208.05ln d Δ5
5
12g 2
1
=⨯⨯⨯⨯-=-=
⎰。

4、（3﹣7）6kg 的空气，由初态p 1=0.3MPa 、t 1=30℃经下列不同过程膨胀到同一终压
p 2=0.1MPa ；（1）定温；（2）定熵；（3）n =1.2。

试比较不同过程中空气对外作的膨胀功、交换的热量和终温。

解：（1）定温：()K K T T 15.30315.2733021=+==。

由理想气体的状态方程可得到初终态的体积：
3
361
1g 174.1100.315303.2876m m p T mR V =⨯⨯⨯==
，336
22g 222.510
10.15303.2876m m p T mR V =⨯⨯⨯==。

所以气体对外所作的功和吸收的热量分别为：
kJ J J V V T mR V p W g V V 5.573311.57350274
.122
.5ln 15.3032876ln
d 1212
1
==⨯⨯⨯===⎰， kJ W Q 5573.-=-=。

（2）定熵：相当于可逆绝热过程，气体对外所作的功和热量分别为：
kJ
J J
p p V p V p W V V 22.4927935.492216])10
3.0101.0(1[15.303287611.4
4.1])(1[1d 4
.11
4.15
5
112112
1
==⨯⨯-⨯⨯⨯⨯-=--==--⎰
κκκκ
Q =0，终温K K p p T T 48221.)10
0.3100.1(15303.)( 1.4
1
1.46
611212=⨯⨯⨯==--κκ。

（3）n =1.2：为多变过程，根据过程方程可得到气体的终温
K K p p
T T n
n 43.252)100.3100.1(15303.)
(2
.11
2.16
611
212=⨯⨯⨯==--。

气体对外所作的功和热量分别为：
kJ J J p p n T mR W n n 72.43624.436717])10
3.0101.0(1[121.15.3032876])(1[12
.11
2.16
61
121
==⨯⨯--⨯⨯=--=--， ()kJ kJ n n T T R m n n T T mc Q g V 35.2181
2.14
.12.115.30343.25214.1287.061)(11)(1212=--⨯-⨯-⨯=----=---=κκκ。

5、（3﹣8）一氧气瓶的体积为0.04m 3，内盛p 1=147.1×105Pa 的氧气，其温度与室温相同，即t 1=t 0=20℃。

（1）如开启阀门，使压力迅速下降到p 2=73.55×105Pa ，求此时氧气的温度t 2和所放出的氧气的质量m ∆；（2）阀门关闭后，瓶内氧气的温度与压力将怎样变化；
（3）如放气极为缓慢，以致瓶内气体与外界随时处于热平衡，当压力自147.1×105Pa 降到73.55×105Pa 时，所放出的氧气较第一种情况是多还是少？ 解：（1）如果放气过程很快，瓶内气体来不及和外界交换热量，同时假设容器内的气体在放气过程中，时时处于准平衡态，过程可看作可逆绝热过程。

所以气体终温()K K p p T T 48.240)10
55.7310
1.147(15.27320)(4.14
.115
5
12112=⨯⨯⨯+==--κκ。

瓶内原来的气体质量()kg kg T R V p m g 737.15.2730210
32314.80.04
10147.13
51
111=+⨯⨯⨯⨯==
-。

放气后瓶内气体的质量kg kg T R V p m g 71.448.24010
32314.80.04
1055.733
52
222=⨯⨯⨯⨯==
- 所以放出的氧气质量为()kg kg m m m 02.371.473.721=-=-=∆。

（2）阀门关闭后，瓶内气体将升温，直到和环境温度相同，即T 3=T 1=20+273.15(K)=293.15K ， 压力将升高，根据理想气体状态方程可得到，最终平衡时的压力为
Pa Pa T T p p 65232
31097.848
.24015.2931055.73⨯=⨯⨯==。

（3）如果放气极为缓慢，以至瓶内气体与外界随时处于热平衡，即放气过程为定温过程，
所以放气后瓶内的气体质量为kg kg T R V p T R V p m g g 86.315
.2931032314.804
.01055.73'3
51
222222=⨯⨯⨯⨯===
-， ()kg kg m m m 87.386.373.7''21=-=-=∆，故所放的氧气比的一种情况多。

第四章：热力学第二定律
一、名词解释
热力循环（P84~85）
（1）热力循环：工质经过一系列的状态变化，重新回复到原来状态的全部过程。

（2）正向循环（动力循环、热机循环）：将热能转换为机械能的循环。

循环热效率1
212111Q Q
Q Q Q Q W net t -=-==
η。

（3）逆向循环：消耗外界提供的功量，将热量从低温热源传递到高温热源的循环。

（4）制冷装置的制冷系数122
2Q Q Q W Q net -==
ε。

（5）热泵的供热系数2
11
1'Q Q Q W Q net -==ε。

第九章：导热
一、名词解释
1、等温线与等势面（P175）
在同一时刻，温度场中温度相同的点所连成的线或面。

2、温度梯度（P175）
温度梯度表示等温面法线方向的温度变化，n n
t
gradt ∂∂=。

温度梯度是矢量，其方向沿等温面的法线指向温度增进的方向。

3、热导率（P177）
热导率是物质的重要热物性参数，表示该物质导热能力的大小。

gradt
q
=
λ，热导率的值等于温度梯度的绝对值为1K/m 时的热流密度值。

4、边界条件（P185~186）
因为物体内部的导热现象总是在外部环境的作用下发生的，所以需要说明导热物体边界上的热状态以及与周围环境之间的相互作用。

（1）第一类边界条件给出物体边界上的温度分布及其随时间的变化规律()τ,,,z y x f t w =。

稳态导热，w t =常数；非稳态导热，()τf t w =。

（2）第二类边界条件给处物体边界上的热流密度分布及其随时间的变化规律()τ,,,z y x f q w =。

稳态导热，w q =常数；非稳态导热，()τf q w =。

（3）第三类边界条件给出了与物体表面进行对流换热的流体温度f t 及表面传热系数h ：
()f w w
t t h n t -=⎪⎭⎫
⎝⎛∂∂-λ。

二、问答题 1、（9﹣3）为什么导电性能好的金属导热性能也好？ 答：导电快的金属电子运动更频繁和自由，因此对于运动状态的传递也就快，也就是导热快。

因此，导电性能好的金属导热性能也好。

2、（9﹣4）一个具体导热问题的完整数学描述应包括哪些方面？ 答：导热微分方程及定解条件构成了一个具体导热问题的完整数学描述。

为了获得某一具体导热问题的温度分布，还必须给出用以表征该特定问题的一些附加条件，称为定解条件。

对于非稳态导热问题，定解条件有两个方面，即给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出导热物体边界上温度或换热情况的边界条件。

3、（9﹣5）何谓导热问题的单值性条件？它包含哪些内容？ 答：（1）导热问题的单值性条件就是使导热微分方程式具有唯一解的补充条件。

（2）单值性条件一般包括：几何条件、物理条件、时间条件、边界条件。

4、（9﹣6）试说明在什么条件下平板和圆筒壁的导热可以按一维导热处理。

答：（1）当平壁的两表面分别维持均匀恒定的温度时，平壁的导热为一维稳态导热。

（2）由于圆筒壁内的温度只沿径向变化，故若采用圆柱坐标系，则圆筒壁内的导热为一维稳态导热。

5、（9﹣7）试用传热学观点说明为什么冰箱要定期除霜。

答：冰箱结了霜后，阻碍了冰箱里的空气与制冷管周围冷空气的热量交换，使制冷效率降低，冰箱的热量交换通过冰箱壁传导，冰箱结霜后相当于增加了热阻；而冰箱除霜就是为了减小热阻，使冰箱降低功率损耗，节约电能，且制冷快。

第十章：对流换热
一、名词解释
1、相似分析（P258）
（1）由描述物理现象的方程式导出相似特征数的方法叫做相似分析。

（2）A 、B 两个常物性、不可压缩牛顿流体外掠等壁温平板的对流换热现象相似，努塞尔数Nu 、雷诺数Re 、普朗特数Pr 分别相等。

（3）彼此相似的物理现象，同名的相似特征数相等。

2、相似特征数（P258~259、P282） （1）努塞尔数λ
hl
Nu =，表征流体在壁面外法线方向上的平均无量纲温度梯度，其大小反
映对流换热的强弱。

（2）雷诺数ν
ul
=
Re ，表征流体惯性力与粘性力的相对大小。

低雷诺数状态下对流换热强
度小于高雷诺数状态。

（3）普朗特数λ
ην
p
c a
=
=
Pr ，是流体的物性特征数，表征流体动量扩散能力与热量扩散能力的相对大小，反映流体物理性质的无因次准则数。

（4）格拉晓夫数2
3
ναtl g Gr ∆=
，表征浮升力与粘性力的相对大小，反映自然对流的强弱。

Gr 越大，浮升力的相对作用越大，自然对流越强。

二、问答题 1、（10﹣12）分别写出努塞尔数Nu 、雷诺数Re 、普朗特数Pr 、格拉晓夫数Gr 的表达式，并说明它们的物理意义。

2、（10﹣14）何谓管内流动充分发展段和热充分发展段？有何特点？ 答：（1）流动充分发展段
①当流动边界层的边缘在圆管的中心线汇合之后，圆管横截面上的速度分布沿轴向不再变化，这时称流体进入了流动充分发展阶段。

②特点：a) 沿轴向的速度不变，即
0=∂∂x
u
，其他方向的速度为零。

b) 圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布，可表达为()⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=2212R r u r u m 。

c) 沿流动方向的压力梯度不变，即dx dp =常数，阻尼系数f 为常数：Re
64
=f 。

3、（10﹣15）试说明在运用特征数关联式计算对流换热问题时应该注意哪些问题？
答：（1）注意流体的流动状态，是湍流、层流还是过渡段； （2）注意各个关联式的Re 或Pr 数的适用范围。

三、计算题 1、（10﹣11）有一外径为25mm 、长为200mm 的水平圆管横置在风洞之中进行空气横掠的对流换热实验，管内用电加热器加热。

已测得圆管外壁面的平均温度为100℃，来流空气温度为20℃、流速为5m/s ，试计算圆管外壁面对流换热的表面传热系数和电加热器的功率。

解：设出口温度℃40"=f t ，空气平均温度℃℃302
40
202"
'=+=
+=
f f f t t t 。

由空气的物性表得：()℃·/0267.0m W =λ，s m /101626-⨯=ν，
701.0Pr =f ，688.0Pr =w ，5.7812101610255Re 6
3
=⨯⨯⨯==--νd
u m 。

由管束平均表面传热系数的关联式（茹卡乌思卡斯公式）得：。

613.49688.0701.0701.05.781226.0Pr Pr Pr Re 25
.037
.06.025
.037.0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=w f f n f C Nu ，
()()℃℃·/99.52·/10
250267.0613.492
23
m W m W d Nu f =⨯⨯==-λα。

校核计算换热量()
℃·/23.5821m W t F Q m =∆=α，
校核计算获得热量()
(
)
℃·/99.52'"2
2m W t t Gc Q f f p =-=。

2、（10﹣12）在一锅炉烟道中有一6排管顺排构成的换热器。

已知管外径d =60mm ，管间距 s 1/d =s 2/d =2，管壁平均温度t w =100℃，烟气平均温度t f =500℃，管间最窄通道处的烟气流速u =8m/s 。

试求管束外壁面和烟气间对流换热的平均表面传热系数。

解：t f =500℃，由空气的物性表得：()℃·/0574
.0m W =λ，s m /1038.792
6
-⨯=ν， 687.0Pr =f ，688.0Pr =w ，86.606410
38.7910608Re 63
=⨯⨯⨯==--νd
u m 。

由管束换热关系式（茹卡乌思卡斯公式）得：
87.56688.0687.0687.086.604627.0Pr Pr Pr Re 27.025
.036.063.025
.036.063.0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=w f f f f Nu ，
所以，()()℃℃·/41.54·/10
600574.087.56223
m W m W d Nu h f
=⨯⨯==-λ。

第十二章：传热过程与换热器
一、名词解释
1、对于n 层不同材料组成的无内热源的多层圆管的稳态传热过程，热流量
2
111112
12
112
11
ln 211lh d d d l lh d t t R R R t t n n
i i i i f f h n
i i h f f +=+=+
+-=
++-=
Φ∑∑ππλπλ。

（P339） 2、换热器（P344）
（1）定义：用来实现热量从热流体传递到冷流体的装置称为换热器。

（2）分类：按照其工作原理，可分为混合式、蓄热式及间壁式三大类。

①混合式换热器的工作特点：冷、热流体通过直接接触、互相混合来实现热量交换。

②蓄热式换热器的工作特点：冷、热两种流体依次交替地流过换热器的同一换热面（蓄热体）实现非稳态的热量交换。

③间壁式换热器的工作特点：换热器内冷、热流体由壁面隔开，热量由热流体到冷流体传递过程是由热流体与壁面间的对流换热、壁的导热、壁面与冷流体间的对流换热三个环节组成的传热过程。

3、间壁式换热器的分类（P344~347）
（1）管壳式换热器：管壳式换热器是由管子和外壳构成的换热装置。

最简单的管壳式换热器，也称为套管式换热器。

根据冷、热流体的相对流动方向不同又有顺流及逆流之别，逆流换热效率高。

（2）肋片管式换热器（翅片管是换热器）：由带肋片的管束构成的换热装置，适用于管内液体和管外气体之间的换热，且两侧表面传热系数相差较大的场合。

（3）板式换热器：由若干片压制成型的波纹状金属传热板片叠加而成，板四角开有角孔，相邻板片之间用特制的密封垫片隔开，使冷、热流体分别由一个角孔流入，间隔地在板间沿着由垫片和波纹所设定的流道流动，然后在另一对角线角孔流出。

（4）板翅式换热器：板翅式换热器是由金属板和波纹状板形翅片层叠、交错焊接而成，使冷、热流体的流向交叉。

（5）螺旋板式换热器：螺旋板式换热器的换热面是由两块平行金属板卷制而成，构成两个螺旋通道，分别供冷、热流体在其中流动。

二、计算题 1、（12﹣2）一内径为0.16m 的蒸汽管道，壁厚为8mm ，管外包有厚度为200mm 的保温层。

已知管材的热导率λ1=45W/(m ·K)，保温材料的热导率λ2=0.1W/(m ·K)。

管内蒸汽温度t f 1=300℃，蒸汽与管壁间对流换热的表面传热系数h 1=150W/(m 2·K)。

周围空气温度t f 2=20℃，空气与保温层外表面对流换热的表面传热系数h 2=10W/(m 2·K)。

试求单位管长的散热损失和保温层外表面的温度。

解：m d 16.01=，()m m d d 176.0008
.0216.02112=⨯+=+=δ， ()m m d d 576.02.02176.02223=⨯+=+=δ。

（1）单位管长的散热损失2
3232121112
11
ln 21ln 211lh d d d l d d l lh d t t f f ππλπλπ+
++-=Φ
W
W 12.14010
1576.01
176.0576.0ln 11.02116.0176.0ln 14521150116.0120
300=⨯⨯⨯+
⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯-=ππππ
（2）保温层外表面温度2
32221
lh d t R t t f h f w π•
Φ+=Φ+=
()℃℃74.2710
1576.01
12.14020=⨯⨯⨯⨯
+=π
2、（12﹣3）平均温度为80℃的热水以5m/s 的速度流过一内径为80mm 、壁厚为10mm 的水平钢管。

管壁材料的热导率为45W/(m ·K)，管子周围空气温度为20℃。

如果不考虑管壁与周围环境间的辐射换热，试计算单位管长的散热损失和外壁面温度。

解：m d 08.01=，()m m d d 1.001.0208.02112=⨯+=+=δ。

（1）计算管内壁与水流之间的换热系数
由水的物性表得：()℃·/674.0m W =λ，s m /10365.02
6
-⨯=ν，
21.2Pr =，109589010
365.008
.05Re 6
=⨯⨯=
=
-ν
d
u m 。

由紊流换热关系式（茹卡乌思卡斯公式）得：
67.238721.2109589027.0Pr Re 27.03
/18.03/18
.0=⨯⨯==f
f Nu 。

∴换热系数()()℃℃·/12.20116·/08
.0674
.067.2387221m W m W d Nu h f =⨯==λ。

（2）计算管外壁温度
假设管内壁温度为℃98.791=w t ，
()m W m W t h d q /11.101/98.798012.2011608.01=-⨯⨯⨯=∆=ππ。

由1
2ln 21d d t q πλ∆=得()℃℃9.7908.01
.0ln
452111.10198.79ln 211212=⨯⨯⨯-=•-=ππλd d q t t w w 。

（3）计算管外壁与空气之间的自然换热系数
特征温度℃℃502
20
9.792=+=+=
∞t t t w m 。

由空气的物性表得：()℃·/0283.0m W =λ，s m /1095.1726-⨯=ν，698.0Pr =。

11003095.050
15.27311--=+==K K T m α
()()
92.3943936698.01095.171.0209.79003095.0807.9Pr Pr 2
63
2
3
=⨯⨯⨯-⨯⨯=
•∆=
•-ναtl g Gr
()()39.2192.394393648.0Pr 4
/1=⨯=•=n
f Gr C Nu ∴换热系数()()℃℃·/053.6·/1
.00283
.039.21222m W m W d Nu h f =⨯==λ
∴水平换热量()()()m W m W t t h d t t Ah q f w f w /91.113/209.79053.61.02=-⨯⨯⨯=-=-=ππ。

2013~2014学年度第二学期期末复习
热工学原理
第一章：基本概念
一、名词解释 1、热力系统 闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统 2、状态参数
状态参数、压力、温度、比体积、密度 3、热力过程 4、可逆过程 二、问答题
1、（1﹣2）表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？
2、（1﹣3）当真空表指示数值愈大时，表明被测对象的实际压力愈大还是愈小？
3、（1﹣4）准平衡过程与可逆过程有何区别？
第二章：热力学第一定律
一、名词解释
热力学第一定律的实质
二、计算题
（2﹣8）空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数为p 1=0.1MPa ，v 1=0.845m 3/kg ；压缩后为p 2=0.8MPa ，v 2=0.175m 3/kg 。

若在压缩过程中每千克空气的热力学能增加为146.5J ，同时向外界放热50kJ ，压气机每分钟生产压缩气体10kg 。

试求：（1）压缩过程中对每千克空气所作的压缩功； （2）生产1kg 压缩空气所需的轴功；
（3）带动此压气机所需功率至少为多少（kW ）？ 第三章：理想气体的性质与热力过程
一、名词解释
1、理想气体状态方程式
2、热容
热容、比热容、比定容热容、比定压热容、迈耶公式、比热容比 3、混合气体的成分
质量分数、摩尔分数、体积分数
4、理想气体的基本热力过程
定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程
二、问答题
1、（3﹣1）理想气体的p c 和v c 之差及p c 和v c 之比是否在任何温度下都等于一个常数？
2、（3﹣2）如果比热容是温度t 的单调增函数，当12t t >时，平均比热容10|t c 、20|t c 、21|t
t c 中哪一个最大？哪一个最小？
3、（3﹣3）如果某种工质的状态方程式遵循T R pv g =，这种物质的比热容一定是常数吗？这种物质的比热容仅是温度的函数吗？
4、（3﹣4）在v u -图上画出定比热容理想气体的可逆定容加热过程、可逆定压加热过程、可逆定温加热过程和可逆绝热膨胀过程。

三、计算题
1、（3﹣2）体积为0.027m 3的刚性储气筒，装有压力为7×105Pa 、温度为20℃的空气。

筒上装有一排气阀，压力达到8.75×105Pa 时就开启，压力将为8.4×105Pa 时才关闭。

若由于外界加热的原因，造成阀门开启。

问：（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？ （2）因加热而失掉多少空气？设筒内空气温度在排气过程中保持不变。

2、（3﹣3）一绝热刚体气缸，被一导热的无摩擦的活塞分成两部分。

最初活塞被固定在某一位置，气缸的一侧储有0.4MPa 、30℃的理想气体0.5kg ，而另一侧储有0.12MPa 、30℃、0.5kg 的同样气体。

然后松开活塞任其自由移动，最后两侧达到平衡。

设比热容为定值 试求：（1）平衡时的温度（℃）；（2）平衡时的压力（MPa ）。

3、（3﹣4）5kg 的Ar 气体经历了一热力学能不变的过程，初态为p 1=6.0×105Pa 、T 1=600K ，膨胀终了的体积V 2=3V 1。

Ar 气体可作为理想气体，设比热容为定值，R g =0.208kJ/(kg ·K)，求终温、终压及总熵变量。

4、（3﹣7）6kg 的空气，由初态p 1=0.3MPa 、t 1=30℃经下列不同过程膨胀到同一终压p 2=0.1MPa ；（1）定温；（2）定熵；（3）n =1.2。

试比较不同过程中空气对外作的膨胀功、交换的热量和终温。

5、（3﹣8）一氧气瓶的体积为0.04m 3，内盛p 1=147.1×105Pa 的氧气，其温度与室温相同，即t 1=t 0=20℃。

（1）如开启阀门，使压力迅速下降到p 2=73.55×105Pa ，求此时氧气的温度t 2和所放出的氧气的质量m ∆；（2）阀门关闭后，瓶内氧气的温度与压力将怎样变化； （3）如放气极为缓慢，以致瓶内气体与外界随时处于热平衡，当压力自147.1×105Pa 降到73.55×105Pa 时，所放出的氧气较第一种情况是多还是少？
第四章：热力学第二定律
一、名词解释
热力循环
热力循环、正向循环、逆向循环、制冷装置的制冷系数、热泵的供热系数
第九章：导热
一、名词解释 1、等温线与等势面 2、温度梯度 3、热导率 4、边界条件
第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件 二、问答题
1、（9﹣3）为什么导电性能好的金属导热性能也好？
2、（9﹣4）一个具体导热问题的完整数学描述应包括哪些方面？
3、（9﹣5）何谓导热问题的单值性条件？它包含哪些内容？
4、（9﹣6）试说明在什么条件下平板和圆筒壁的导热可以按一维导热处理。

5、（9﹣7）试用传热学观点说明为什么冰箱要定期除霜。

第十章：对流换热
一、名词解释
1、相似分析
2、相似特征数
努塞尔数、雷诺数、普朗特数、格拉晓夫数
二、问答题
1、（10﹣12）分别写出努塞尔数Nu、雷诺数Re、普朗特数Pr、格拉晓夫数Gr的表达式，
2、（10﹣14）何谓管内流动充分发展段和热充分发展段？有何特点？
3、（10﹣15）试说明在运用特征数关联式计算对流换热问题时应该注意哪些问题？
三、计算题
1、（10﹣11）有一外径为25mm、长为200mm的水平圆管横置在风洞之中进行空气横掠的对流换热实验，管内用电加热器加热。

已测得圆管外壁面的平均温度为100℃，来流空气温度为20℃、流速为5m/s，试计算圆管外壁面对流换热的表面传热系数和电加热器的功率。

2、（10﹣12）在一锅炉烟道中有一6排管顺排构成的换热器。

已知管外径d=60mm，管间距s1/d=s2/d=2，管壁平均温度t w=100℃，烟气平均温度t f=500℃，管间最窄通道处的烟气流速u=8m/s。

试求管束外壁面和烟气间对流换热的平均表面传热系数。

第十二章：传热过程与换热器
一、名词解释
1、对于n层不同材料组成的无内热源的多层圆管的稳态传热过程，热流量公式
2、换热器
定义、分类及工作特点
3、间壁式换热器的分类
二、计算题
1、（12﹣2）一内径为0.16m的蒸汽管道，壁厚为8mm，管外包有厚度为200mm的保温层。

已知管材的热导率λ1=45W/(m·K)，保温材料的热导率λ2=0.1W/(m·K)。

管内蒸汽温度t f1=300℃，蒸汽与管壁间对流换热的表面传热系数h1=150W/(m2·K)。

周围空气温度t f2=20℃，空气与保温层外表面对流换热的表面传热系数h2=10W/(m2·K)。

试求单位管长的散热损失和保温层外表面的温度。

2、（12﹣3）平均温度为80℃的热水以5m/s的速度流过一内径为80mm、壁厚为10mm的水平钢管。

管壁材料的热导率为45W/(m·K)，管子周围空气温度为20℃。

如果不考虑管壁与周围环境间的辐射换热，试计算单位管长的散热损失和外壁面温度。

读书的好处
1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。