《热力学与传热学》课程综合复习资料

《热力学与传热学》课程综合复习资料
一、判断题：
1、理想气体吸热后，温度一定升高。

2、对于顺流换热器，冷流体的出口温度可以大于热流体的出口温度。

3、工程上常用的空气的导热系数随温度的升高而降低。

4、工质进行膨胀时必须对工质加热。

5、工质的熵增就意味着工质经历一个吸热过程。

6、已知湿蒸汽的压力和温度，就可以确定其状态。

7、同一温度场中两条等温线可以相交。

二、简答题:
1、夏天，有两个完全相同的储存液态氮的容器放置在一起，一个表面上已结霜，另一个没有。

请问哪一个容器的隔热性能更好？为什么？
2、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？
3、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100 kJ，求该卡诺热机的热效率及输出功率。

4、辐射换热与对流换热、导热相比，有什么特点？
hl的形式，二者有何区别？
5、Nu数和Bi数均可写成
λ
三、计算题:
1、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P b=760mmHg，氧气R g=260J/(kg⋅K)。

2、2kg温度为25 ℃，压力为2 bar的空气经过一个可逆定压过程后，温度升为200 ℃。

已知空气的比定压热容c p=1.0 kJ/(kg⋅K)，比定容热容c V=0.71 kJ/(kg⋅K)。

试计算：(1)该过程的膨胀功；（2）过程热量。

3、流体受迫地流过一根内直径为25 mm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350 W/(m2⋅K)。

试计算单位管长上流体与管壁间的换热量。

4、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0.10 W/(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。

5、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R g=287J/(kg⋅K)】
6、外径为100 mm，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。

7、已知有一根内直径为200mm、壁厚为36 mm的长圆筒壁，两侧表面温度分别为50℃和20℃。

已知圆筒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℃)，试计算通过单位长度圆筒壁的导热量。

《热力学与传热学》课程综合复习资料参考答案
一、判断题：
1、不正确。

原因：气体吸热Q>0，而∆U=Q-W ，理想气体∆U=mc V ∆T ，则∆T 是否大于零还取决于W 的大小。

2、不正确。

原因：存在传热温差或传热面积有限，对于顺流换热器冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度
3、不正确。

原因：工程温度范围内，常用空气的热导率随温度的升高而升高。

4、不正确。

原因：工质也可进行绝热膨胀。

5、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。

6、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 。

7、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：表面没有结霜的容器的隔热性能更好。

对于储存液态氮的容器来说，内部液体温度低，外部四周空气温度高，热量自外向内传递。

表面上已结霜的容器外表面换热温差较大，对流换热量大，亦即传递到容器内部的热量就多，说明其隔热性差。

2、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。

3、该卡诺热机的热效率：
%8.38388.015
.27350015.2732001112==++-=-=T T c η 输出功率为：8.38388.010010=⨯=Φ=c p η kW
4、答：（1）辐射换热可以在真空下进行，无需媒介物质，且在真空中传递最有效。

（2）伴随热能与辐射能之间的相互转换。

热能转换为辐射能向外辐射，而吸收时将辐射能能转换为热能。

5、答：（1）Nu 数中的λ为流体的热导率；Bi 数中的λ为导热物体的热导率。

（2）Nu 数中的h 为待定参数，Nu 为待定特征数；Bi 数中的h 为已知参数，由第三类边界条件确定，Bi 为已定特征数
（3）物理意义不同。

Nu 表示贴壁流体的无量纲的温度梯度，在其它条件相同的情况下，Nu 数可反映对流换热的强弱。

Bi 数表示第三类边界条件下物体内部导热热阻和表面处换热热阻的比值。

三、计算题:
1、解：V=2 m 3 p b =760mmHg=1.01325bar p=p e +p b
p 1=p e1+p b =0.3+1.01325=1.31325 bar p 2=p e2+p b =3+1.01325=4.01325 bar
理想气体状态方程：pV=mR g T
初态时罐内氧气质量为 kg 178.3)
15.27345(26021031325.15111=+⨯⨯⨯==T R V p m g 终态时罐内氧气质量为 kg 748.8)
15.27380(26021001325.45222=+⨯⨯⨯==T R V p m g 则压入的氧气质量为 ∆m=m 2-m 1=8.748-3.178=5.57 kg
2、解：p 1=2bar T 1=25+273.15=298.15K T 2=200+273.15=473.15K
对状态1有：p 1V 1=mR g T 1 则3511
1m 8557.010
215.2982872=⨯⨯⨯==p T mR V g 1→2为定压过程 p 2= p 1=2bar 31122m 3579.18557.015
.29815.473=⨯==
V T T V （1）过程功 100.45[kJ]0.8557)-(1.3579102)(51212
121=⨯⨯=-==⎰-V V p pdV W （2）过程热量
kJ][350)15.29815.473(0.12)(122,1=-⨯⨯=-=∆=T T mc H Q p p
3、解：管内强迫对流换热问题。

由牛顿冷却公式计算：
)(/)(f w f w l t t d h l t t hA -=-=Φπ
34.1649)60120(025.01.014.3350=-⨯⨯⨯⨯= W/m
4、解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。

由题意知：
d 1=120mm d 2=d 1+2δ=120+2⨯25=170mm t w1=250ºC t w2=38ºC
则 1
221ln 21d d t t w w l πλ-=Φ432.382120170ln 10.014.32138250=⨯⨯-=［W/m ］ 5、解：以容器内的空气为研究对象。

已知：T 1=300K p 1=600kPa V 2/V 1=6
（1）满足q=∆u+w 绝热q=0 自由膨胀w=0
则∆u=q-w=0
（2）∆u=c V （T 2-T 1）=0 ，则 T 2=T 1
（3）∆s=R g ln (V 2/V 1）=287×ln(6)=514 J/(kg ⋅K)
6、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Φrl ：已知T w =100+273=373K T ∞=20+273=293K
A 1=πdl X 1,2=1.0 A 1«A 2
)(111)(112
221
2,1111∞∞-=-++--=Φb bW b bW r E E A A A X E E A εεεεε
则l
r rl Φ=Φ)(441∞-=T T d W b σπε 49.162)15.29315.373(1067.51.014.376.0448=-⨯⨯⨯⨯⨯=-W/m 再求对流换热量Φcl ：
68.176)20100(1.014.303.7)(=-⨯⨯⨯=-=Φ∞t t d h W c cl πW/m 则总散热损失为：17.33949.16268.176=+=Φ+Φ=Φr c l W/m
7、解：此为通过圆筒壁的稳态导热问题。

已知：d 1=200mm d 2=d 1+2δ=200+2⨯36=272mm t w1=50ºC t w2=20ºC 圆筒壁的平均温度为 t m =(t w1+t w2)/2=(50+20)/2=35℃ 平均热导率为：λm =0.56（1+0.0018t m ）=0.56×(1+0.0018×35) = 0.5953 W/(m ⋅K) 则 1
221ln 21d d t t m w w l πλ-=Φ92.364200272ln 5953.014.3212050=⨯⨯-=。