《工程热力学与传热学》期末复习题.doc.pdf
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1、中国石油大学(北京)远程教育学院期末复习题 工程热力学与传热学 一. 选择题 1. 孤立系统的热力状态不能发生变化;(X ) 2. 孤立系统就是绝热闭口系统;(X ) 3. 气体吸热后热力学能一定升高;(x ) 4. 只有加热,才能使气体的温度升高;(x ) 5. 气体被压缩时一定消耗外功;(P ) 6. 封闭热力系内发生可逆定容过程,系统一定不对外作容积变化功;(7 ) 7. 流动功的改变量仅収决于系统进出口状态,而与工质经历的过程无关;(7 ) 8. 在闭口热力系中,焙h是由热力学能u和推动功pv两部分组成。(x ) 9. 理想气体绝热白由膨胀过程是等热力学能的过程。(x ) 10. 对于
2、确定的理想气体,其定压比热容与定容比热容Z比cp/cv的大小与气体的温度无关。 (X ) 11. 一切可逆热机的热效率均相同;(X ) 12. 不可逆热机的热效率一定小于可逆热机的热效率;(X ) 13. 如果从同一状态到同一终态有两条途径:一为可逆过程,一为不可逆过程,则不可逆过程 的爛变等于可逆过程的嫡变;(V ) 14. 如果从同一状态到同一终态有两条途径:一为可逆过程,一为不可逆过程,则不可逆 过程的嫡变大于可逆过程的燔变;(X ) 15. 不可逆过程的爛变无法计算;(x ) 16. 工质被加热嫡一定增大,?丁质放热爛一定减小;(x ) 17. 封闭热力系统发生放热过程,系统的爛必然减
3、少。(x ) 18. 由理想气体组成的封闭系统吸热后其温度必然增加;(x ) 19. 知道了温度和压力,就可确定水蒸气的状态;(x ) 20. 水蒸气的定温膨胀过程满足Q=W;(x ) 21. 对未饱和湿空气,露点温度即是水蒸气分压力所对应的水的饱和温度。(7 ) 二. 问答题 1. 说明什么是准平衡过程?什么是可逆过程?指出准平衡过程和可逆过程的关系。 答:(1)准平衡过程:是假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接近平衡态的过 程,(2)可逆过程:是指如果系统完成了某一过程之后,再沿着原路逆行,恢复到原来的 状态,外界也随之回复到原来的状态的过程。(3)准平衡过程和可逆过程的关系:准平衡
4、过程着眼于系统内的平衡,可逆过程着眼于系统和外界的总平衡。一个准平衡过程不一定是 可逆过程,但一个可逆过程一定是一个准平衡过程。可逆过程是无耗散的准平衡过程。 2. 试指出膨胀功,技术功,流动功的区别和联系?写出流动功的计算公式,说明流动功大小与 过程特性有无关系? 答:(1)膨胀功:是由于工质体积的变化对外所做的功;技术功:是指工程技术上可以直接 利用的功,包括宏观动能,宏观位能,轴功;流动功:推动工质流动而做 W= vvt + (p2v2 -A V1) = + gAz + A(/?v)。 (2)流动功的计算公式:Wf二厂冬 - 川严(),其大小与过程的特性无关,只与 进出口的状态有关。 3
5、. 试指出膨胀功,轴功,技术功,流动功的区别和联系,写出可逆过程中膨胀功,技术功的计 算公式。 答:(1)膨胀功:是由于工质体积的变化对外所做的功;技术功:是指工程技术 上可以直接利用的功,包括宏观动能,宏观位能,轴功;流动功:推动工质流动而做 的功称为流动功。膨胀功,技术功,流动功的联系为: w= +(p2v2一 片 )=比 + Acj? + gAz+ (/ “) o (2)可逆过程中膨胀功的计算公式:w = 技术功的计算公式:= -jdp o 4. 写出开口系统稳定流动能量方程式的表达式,说明式屮各量的含义。 答:(1)开口系统稳定流动的能量方程式为:g = + :+gAz +比。(2)式
6、 中各量含义:q为工质与外界交换的热量,AA为工质进出口焰的变化,为工质宏观动能的 变化,gAz为工质宏观位能的变化,也系统对外所作轴功。 5. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T?s图上 (1)理想气体的定温,定压,定容和定爛过程; 的功称为流动功。膨胀功,技术功流动功的联系为: (2)空气升压,升温,又放热的热力过程。 6. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上 (1)理想气体的定温,定压,定容和定爛过程; (2)空气膨胀,升温,又吸热的热力过程。 7. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上 (1) 理想气体的定温,定压,定容和定嫡过程
7、; (2)工质又膨胀,又降温,又放热的多变过程。 答: 8. 回答什么是热力学第一定律?什么是热力学第二定律?写出两个与热力学第二定律相等价的数 学表达式。 答:(1)热力学第一定律:在热能和机械能的相互转换过程中,能的总量保持不变。(2)热 答: 0 力学第二定律:克劳修斯表述:不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。开尔文 普朗克表述:不可能从单一热源取热,使Z全部转变为功而不 产生其他影响。(3)与热力学第二定律等价的数学表达式:1)克劳修斯积分式: f字W0,用于判断一个循环是否可能,是否可逆。式中等号用于可逆循环,不等号用于不可 逆循环。2)孤立系统爛增原理:dSiso =
8、 dSg 0o孤立系统嫡增原理指出孤立系统的燔只能 增大,或者不变,绝不能减小。孤立系统的爛增完全由爛产组成,式中等号用于可逆过程, 不等号用于不可逆过程。3)过程燔变的汁算式:4S2型, J1 T 用于判断过程能否进行,是否可逆,等号为可逆过程,不等号为不可逆过程。(以上等价数 学表达式写出2个即可) 9. 说明什么是第一类永动机?什么是第二类永动机的含义,它们是否违反了热力学第一定律和 热力学第二定律。 答:(1)第一类永动机:是指不花费代价就能够产生功的机器。(2)第二类永动 机: 是指能够从单一热源収热并使之完全变为功的机器。(3)第一类永动机违反了热力学第一 定律。第二类永动机不违反
9、热力学第一定律,但却违反了热力学第二定律。 10. 什么是饱和湿空气?什么是未饱和湿空气?如何将未饱和湿空气转变为饱和湿空气? 答:(1)饱和湿空气:是由干空气和干饱和水蒸气组成的空气。(2)不饱和湿空 气: 是由干空气和过热水蒸气组成的空气。(3)将未饱和湿空气转变为饱和湿空气的方法有两 种: 方法仁 湿空气温度T一定时,增加水蒸气分压力p严pg = p, (T), 方法2:保持水蒸气含量 / 儿不变,降低湿空气温度T二 11. 解释相对湿度,含湿量的含义。写出水蒸气分压力,相对湿度,含湿量Z间的相互关系。 答:(1)相对湿度:湿空气的绝对湿度Pv与同温度下湿空气的最大绝对湿度Ps 之比称为
10、湿空气的相对湿度,即: = 1(2)含湿量:在湿空气小,与单位质量干 P, 空气共存的水蒸气的质量,称为湿空气的含湿量。(3)水蒸气分压力,相对湿度,含 湿量的关系为:d = 0.622 = 0.622 代?说明朗肯循环的基本系统组成,指出在每个设备中完成的热力过程。 答:(1)朗肯循环的基本系统组成:锅炉,汽轮机,冷凝器,给水泵。(2)锅 炉中: 未饱和水定压加热成为过热水蒸气过程;汽轮机中:过热水蒸汽在汽轮机中可逆绝热膨胀对 外作功至冷凝压力过程;冷凝器中:湿蒸气可逆定压放热冷凝为饱和水过程;给水泵屮:饱 和水在凝结水泵屮可逆绝热被压缩过程。 13. 写出朗肯循环热效率的计算公式?分析提高
11、朗肯循环热效率的方法有哪些? 答:(1 )朗肯循环热效率公式为:由:0=/2|-力3,Q1 = 2 3 得:二 121 =(人一為) - (仏心)二111提高朗肯循环热效率的方法有: 力一力4 力1 一力3 1)保持蒸汽的初压门,终压“2不变,提高蒸汽的初温;2)保持蒸汽的初温7;, 终压血不变,提高蒸汽的初压卩;3)保持蒸汽的初压卩,初温7;不变,降低蒸汽的终压 “2; 4)在朗肯循环基础上,改进循环,如采用再热循环,回热循环等。 14. 分析采用再热循环的目的是什么? 答:再热循坏的li的主要在于增加蒸汽干度,以便在蒸气初温度限制下可以采用 较高的初压力,从而提高循环热效率。 15. 分析
12、采用回热循环的日的是什么? 答:冋热循环的目的主要是提高进入锅炉之前的给水,且减少冷源损失,从而提髙循 环的热效率。 16. 如图所示为蒸汽一次回热循坏的T?s图,指出图中与回热相关的热力过程,并写出一 次回热循环热效率的计算公式。 答:(1)与回热有关的热力过程为: 过程7-8-9: Qkg工质在回热加热器屮定压放热过程; 过程4?9:(1-?) kg工质在回热加热器中定压吸热过程。 热效率计算公式: Q x = hx - A I0, Q 2 =(!-?)(力2- 力3) (21 Qz(/?!-/?10)-(1-?)(/?-/?3)(1Q)(仏 _ 方3) = - = - : - =1 -
13、: - 21 力1 一力10 力一仏 17. 如图所示为蒸汽一次再热循环的T-s图,指出与一次再热相关 ( 2) 由: 再热循环T_s图 的热力过程及过程特点,并写出一次再热循坏热效率的计算公式。 答:(1)与再热有关的热力过程为: 过程7?仁工质在再热器中的定压加热过程。 (2)热效率计算公式: 由:Q i =(ft( -/z4) + (ftr -/z7), Q2 = -h3 得:-0 -Q? _(“I 一力4)+(T 一力7)(力2 一力3)o (/? -h4) + (hv -A7) 18. 写出傅里叶定律表达式的一般形式,说明其适用条件及式中负号的含义。 答:(1)傅里叶定律的表达形式用
14、向量式表示:热流量为:Q = -AA n,或用 热流 密度表示为:芥“叱。(2)适用条件:各向同性物体。式屮负号含义:负号dn 说明导热热流量的方向与温度梯度的方向共线反向,温度梯度的方向为沿着等温面的 法线方向,并指向温度升高的方向,热流量的方向为温度降落的方向。 19. 写出直角坐标系下,非稳态,常物性,有内热源的导热微分方程形式,写出导温系数的定义 式和物理意义。 答:(1)导热微分方程形式:也(西_ +吃+吃);(2)导温系数: a = dr dx 2 dy 2 dz2) pc 英物理意义为:材料传播温度变化能力大小的指标。 20. 一个具体导热问题的完整数学描述应包括哪些方面? 答:
15、(1)一个具体导热问题的完整数学描述包括:导热微分方程和相应的单值性 条件(单值性条件包括4个方面:几何条件, 物理条件, 时间条件和 边界条件。 21. 什么是导热问题的单值性条件?它包含哪些内容? 答:(1)单值性条件:说明了导热过程的具体特点,是使导热 微分方程获得唯 一解的条件。(2)单值性条件一般包括4个方面:几何条件,物理 条件,时间条件 和边界条件,边界条件又有第一类边界条件, 第二类边界条件和第三 类边界条件之分。 22. 说明影响对流换热的因素有哪些?分析在相同的流动和换热壁面条 件下,体积热容 pep大的流体,表面传热系数是大还是小? 答:(1)影响对流换热的因素有:流动的
16、起因(自然对流或强迫对流),流动的 状态(层流和湍流),流体有无相变,流体的物理性质(如:p屮仏、CQ等),换热 表血的几何因素。(2) QC反映单位体积流体热容量的大小,在相同的流动和换热壁 面条件下,QC数值愈大,通过对流转移的热量愈多,对流换热愈强烈。 23. 说明影响对流换热的因素有哪些?分析在相同的流动和换热壁面条件下,导热系数入 大的流 体,表面传热系数是大还是小。 答:(1)影响对流换热的因素有:流动的起因(自然对流或强迫対流),流动的状态 (层流和湍流),流体有无相变,流体的物理性质(如:等),换热表面的儿何因素。(2) 导热系数入愈大的流体,导热热阻愈小,对流换热愈强烈。 2
17、4. 说明对流换热微分方程组市哪几个方程组成?它们各口导出的理论依据是什么? 答:3)对流换热的微分方程组包括:连续性方程,动量微分方程,能量微分方程。(2) 导出的理论依据:1)连续性方程:根据微元体的质量守恒导出;2)动量微 分方程:根据微 元体的动量守恒导出;3)能量微分方程,根据微元体的质量守恒导出。 25. 什么是流动边界层?什么是热边界层?说明边界层的特点有哪些? 答:(1)流动边界层:是流体流过固体表面时,存在着较大的速度梯度,粘性力起 主要作用的流体薄层。(2)热边界层:是流体流过与之温度不同的固体表面时,存在着较 大的温度梯度,发生热量交换的流体薄层。(3)边界层的特点:1)
18、边界层的厚度与壁面 特征长度相比是很小的量;2)流场划分为边界层区和主流区;3)根据流 动状态,边界层分 为层流边界层和湍流边界层。湍流边界层分为层流底层,缓冲层与湍流核心三层。4)在层 流边界层与层流底层,垂直于壁面方向的热量传递主要靠导热,湍流边界层的主要热阻在层 流底层。 26. 分别写出毕渥数努谢尔特数的定义式及物理意义。 答:(1) Bi = W,物理意义为:物体内部的导热热阻力/ 久与边界处的对流换热2 热阻1/力之比。(2)NU ,物理意义为:表征流体在壁面外法线方向上的平均无A 量纲温度梯度,其大小反映对流换热的强弱。 27. 努塞尔特数Nu和毕渥数皿的表达式的形式完全相同,二
19、者有何区别? 答:努谢尔特数“弘与毕渥数Bi的表达形式完全相同,但具有不同的物理意义。 (1)毕渥数冈表示在第三类边界条件下的固体导热热阻与边界处的对流换热热阻之比, 表达式中的表面传热系数由第三类边界条件确定,导热系数是固体的导热系数,特征长度是 反映固体导热温度场几何特征的尺度。(2)努谢尔特数Nu反映了对流换热的强弱,表达 式中的表面传热系数是待定参数,导热系数是流体的导热系数,特征长度是反映对流换热固 体表面几何特征的尺度。 28. 分别写出傅里叶数Fo,普朗特数Pr的定义式及物理意义。 答:(1) Fo仝,物理意义为:分子为从非稳态导热过程开始到厂吋刻的吋间, 分母可理解为温度变化涉
20、及到产2面积所需要的时间。是非稳态导热过程的无量纲时 V 间。(2) Pr = -,物理意义为:流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比。 a 29. 分别写出雷诺数Re和格拉晓夫数G广的定义式和物理意义。 答:(1)雷诺数:Re = -,物理意义为:表征流体粘性力与惯性力的相对大小, V Re越大,惯性力的影响越大。根据Re数的大小可以判断流态;(2), 物理意义为:浮升力与粘性力的相对大小,反映自然对流的强弱。G厂越大,浮升力的相 对作用越大,自然对流越强。 30. 简述相似原理的主要内容。 答:相似原理包括相似三定理,(1)相似第一定理:彼此相似的现象,必定具有相 同的同名准数的数值;(2)
21、相似第二定理:所有相似的物理现象的解必定可用同一个特征 数关系式描述;(3)相似第三定理:凡同类现象,若同名己定特征数相等,且单值性条件 相似,那么这两个现象一定相似。 31?说明如何判断两个现象相似? 答:利用相似第三定理判断:凡同类现彖,若同名已定特征数相等,且单值性条件相 似,那么这两个现象一定相似。 32. 指出组成辐射换热网络的热阻有哪两类?如何表示?当辐射表面为黑体时,热阻如何表示? 答:(1)组成辐射换热网络的热阻有表面辐射热阻和空间辐射热阻,表血辐射热阻为上兰,空 间辐射热组为 。(2)当辐射表而为黑体时, = 1,其表面辐射eA AX2 热阻上 = o,只有空间辐射热阻 EA
22、AX 12 33. 写出角系数的相对性,完整性,可加性的表达式。 答:(1 )角系数的相对性:= /12X211 : ( 2 )完整性: 工X ij = X zj +X i 2 + . + X it n ;(3)可加性:AX ,(2+3)= A】X L2 +A |X |,3。z=i 34. 如图所示为一漫射灰体表面,试指出与此漫灰表面有关的辐射能量有哪些?写出有效辐射, 表面净辐射换热量的表达式。 答:(1)与此漫射灰体表面有关的辐射能量有:投入辐射G,吸收辐射aG,反 射辐pG,辐射力E=eEb, 有效辐射J=E+pG,灰体表面净辐射换热量:q = , 1 一 35. 什么是黑体?什么是灰体
23、? 答:(4)黑体:吸收比a=1的物体称为绝对黑体,简称黑体; (2)灰体:是指光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体。 三?计算题 1. 2 kg空气经过定温膨胀的可逆过程,从初态压力为pi二9.807 bar, ti=300 C膨胀到 终态 容积为初态容积的5倍。试计算:(1)空气的终态参数;(2)对外界所作的膨胀功和交换的热 量;(3)热力学能,焰和爛的变化量。 设空气的cp=1.004 kJ/(kg - K), Rg=0.287 kJ/(kg ? K), K 二1.4。 解:(1)取空气为热力系统,对可逆定温过程1?2,由参数间的相互关系得: p = 9.807x1 = 1.961 ba
24、r. 勺5 市理想气体状态方程式得; _ 0.287x1()3x(273+ 300) pT 9.807X10 v2 = 5Vj = 0.8385 m /kg 定温过程:T, =T2 =573K (2)气体对外所作的功及交换的热量: WT = 2T= ,V, In = 9.807 x 10“ x (2x 0.1677) x In 5 = 529.4 kJ “I (3)过程中热力学能,焙,嫡的变化为: At/ -2 0, A/ 卜2 0, A5|_2 = mRg In = 0.923 8 kJ/K 2. 两质量相同,比热容相同( 为常数 ) 的物体A, B,初温各为TA与TB,用它们作高温 热源和
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