1、工程热力学和传热复习学习题标准答案工程热力学和传热学第一章第十二章习题思考题：1、热力学第一定律地实质是什么？并写出热力学第一定律地两个基本表达式.答：热力学第一定律地实质是能量转换与守恒原理.热力学第一定律地两个基本表达式为：q=u+w；q=h+wt 2、热力学第二定律地实质是什么？并写出熵增原理地数学表达式.答：热力学第二定律地实质是能量贬值原理.熵增原理地数学表达式为：dSiso0 .3、什么是可逆过程？实施可逆过程地条件是什么？ 答：可逆过程为系统与外界能够同时恢复到原态地热力过程.实施可逆过程地条件是推动过程进行地势差为无穷小,而且无功地耗散.4、过热蒸汽绝热节流,呈现什么节流效应?
2、并说明理由.答：利用h-s图可知温度降低,呈现节流冷效应.如图：h1=h2；P1P2；t1t25、水蒸汽定压发生过程一般要经历哪些阶段？当压力高于临界压力时又是一个什么样地过程？ 答：水蒸汽定压发生过程一般要经历预热、汽化、过热三个阶段.当压力高于临界压力时水蒸汽定压发生过程没有汽化阶段,汽化是一个渐变过程.6、系统经历一个不可逆过程后就无法恢复到原状态.由不可逆过程地定义可知：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、 工质地基本状态参数是(温度,压力,比容)2、氮气地分子量=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（
3、增大）4、实现准平衡过程地条件是 （推动过程进行地势差为无穷小）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、作为工质状态参数地压力应该是工质地（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、理想气体地定压比热CP和定容比热CV都仅仅是（温度）地单值函数.9、氧气O2地定压比热CP=0.219kcal/kgK,分子量=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之间地关系式为：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地定
4、义是由三项能量组成,据此技术功wt地定义式可表示为：wt =（mc2/2+mgz+mws）. 13、热力系与外界间地相互作用有( 质量交换) 和（能量交换)两类. 15、热力系地总储存能为（热力学能）、（宏观动能）与（宏观位能）地总和. 16、开口系进出口处,伴随质量地进出而交换（推动）功. 17、理想气体地定压比热cp和定容比热cv之间地关系式是（cp-cv=R）.18、多变指数n = (0)地多变过程为定压过程19、u=cVT适用于理想气体地（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地关系式为：（T
5、=t+273.15）华氏温度换算F=9/5*t+32；绝对压力与真空度之间地关系式为：（Pb-Pv）. 22、卡诺循环是由（两个可逆等温过程和两个可逆地绝热过程）组成地. 卡诺效率=/q1=1-T2/T1 ;23、热力学第一定律地基本数学表达式q=u+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（pv）. 25、热力学第二定律对于循环过程地两个重要推论分别为（卡诺定理）和（克劳修斯不等式）. 26、理想气体地h=（cpT）,适用于理想气体地（任何）过程27、随着压力地提高水蒸汽地汽化潜热逐渐（减小）,达到临界压力时,水蒸汽地汽化
6、潜热为（0）. 28、水蒸汽地过热度D指地是（过热蒸汽地温度与相应压力下地饱和温度之差）,干度X指地是（湿蒸汽中饱和蒸汽地含量份额）.29、经定熵扩压流动流体流速降低为零时所达到地状态称为（绝热滞止）状态,该状态下地所有参数均称为（滞止）参数. 30、水蒸汽地一点两线三区五态中,五态指地是（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地状态；33、制冷：指人们认为地维持某一对象地温度低于周围环境地温度； 第二部分:传热学34、试用简练地语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式
7、之间地联系和区别.答：导热和对流地区别在于：物体内部依靠微观粒子地热运动而产生地热量传递现象,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地相互掺混.联系是：在发生对流换热地同时必然伴生有导热.导热、对流这两种热量传递方式,只有在物质存在地条件下才能实现,而辐射可以在真空中传播,辐射换热时不仅有能量地转移还伴有能量形式地转换.35、以热流密度表示地傅立叶定律、牛顿冷却公式及斯忒藩玻耳兹曼定律是应当熟记地传热学公式.试写出这三个公式并说明其中每一个符号及其意义.答： 傅立叶定律： q = -dt /dx,其中,q 热流密度；导热系数；dt/dx沿x 方向地温度变化率,“”表示热量传
8、递地方向是沿着温度降低地方向. 牛顿冷却公式：q = h (t w -t f ) ,其中,q 热流密度；h 表面传热系数； t w固体表面温度；t f 流体地温度. 斯忒藩玻耳兹曼定律：q =T 4 ,其中,q 热流密度； 斯忒藩玻耳兹曼常数；T 辐射物体地热力学温度.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、有一定量地理想气体,其压强按p= C/V2地规律变化,C是常量.求气体从容积V1增加到V2所作地功.该理想气体地温度是升高还是降低？3、2mol 地
9、氮气,在温度为300K、压强为1.0105Pa时,等温地压缩到2.0105Pa.求气体放出地热量.4、压强为1.0105Pa,体积为0.0082m3地氮气,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500C和300C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：t=1-Q2/Q1=1-85/100=15% （3分） tK=1-T2/T1=1-(300+273)/(500+273)=25.9% （3分） 因为 t t
10、K 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地渐缩喷管,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.求空气经喷管后地射出速度及流量.（15分） 解、 Pb/P1=10/25=0.4 cr=0.528 (2分) P2=Pcr=P1cr=250.528=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=287294/13.210
11、5=0.0639m3/kg (2分) c2=2CP(T1-T2)=21.004103(353-294)=344.2m/s (3分) m=A2c2/v2=1010-4344.2/0.0639=5.39kg/s (3分) 7、设进入喷管地空气压力为0.4MPa,温度为227；而出口背压为0.15MPa.试选喷管地形状,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 ts=164.96C 此时该蒸汽处于过热蒸汽状态（3分） 2） t=150C ts=164.96C 此时处于过冷水状态（3
12、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=164.96C （4分）9、1Kg空气从初态p1 =0.1MPa,T1=300K,经可逆绝热压缩到地终压p2 =0.5MPa.试求该过程所消耗地容积功和技术功（设空气地比热容为定值cp=1.004kJ/kg.K）.将该过程在P-v图上表示出来.（15分） 解： T2=T1（P2/P1）（K-1）/K475.146K（3分）cv=cP- Rg=0.717 kJ/kg.K （3分） w=(u1-u2)= cv(T1-T2)=-125.58kJ （3分） wt=(h1-h2)= cp(T1-T2)=-175.
13、81kJ （3分） 图 （3分）10、初态为p1=1.0MP,t1=500地空气,在气缸中可逆定容放热到 P20.5MP,然后可逆绝热压缩到t3500.求各过程地u,h,s及w和q各为多少?知定压比热cP=1.004kJ/kg.K,气体常数取Rg=287 J/kg.K.（15分） 解：12定容过程： cv=cp-Rg=717kJ/kg,T2=T1p2/p1=386.575K(t=113.425), （4分）q=u277.2kJ/kg,h=-388kJ/kg,s=-496.99J/(kgK), w0 （6分）23定熵过程： w=u=-277.5kJ/kg,h388kJ/kg,s0,q0 （5分）
14、11、将2kg地空气从初态P1 = 0.15MPa,T1 = 300K经可逆绝热压缩过程,压缩到初态容积地1/4.求该过程地容积功,内能与焓地增量.空气地定容比热取717 J/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） T 2=( V1/ V2)(k-1) T 1= 522.33K ,t 2=T 2- 273.15 =249.18（ 2分） U = m CVT= 318821.7 J （2分）H = m CPT= 446438.6 J （2分）W= -U = -318821.7J
15、（2分）12、在一活塞气缸中,储有温度为t1= 20,压力为P1=105Pa地空气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,该过程内能地增量U及压缩功W,压缩后终态地压力P2与温度t2.空气地绝热指数取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= 204450 Pa （2分）T 2= ( V1/ V2)(k-1) T 1= 359.61K ； t 2=T2 -273.15 =86.46 （2分）u= cv T= 47651.82 J/kg
16、（2分）W=-mu= - 56658 J （2分）13、一刚性绝热容器,被无摩擦无质量地活塞分成等容积地两部分.每部分地容积为0.03m3.最初活塞被销钉固定,一边为真空；一边充有P1=6105Pa,T1=300K地空气,去掉销钉后,空气经绝热自由膨胀最终达到一个新地平衡状态.求：该过程温度、压力及熵地增量.（R=287J/kgK,cV=0.716kJ/kgK）（共10分） 解：q=0；w=0 u=0 (2分)u=0 T=0；T2= T1=300K (2分) P2= P1V1/ V2=61050.5=3105 Pa P2- P1=3105 Pa (3分)S=mRln(V2/ V1)= (P1V
17、1/ T1) ln(V2/ V1)=41.59J/kgK (3分)14、 2kg地空气稳定流经压气机,从相同地进气参数P1=0.15MPa；T1=300K；可逆压缩到相同地排气压力P2=0.45MPa.一为定温压缩,另一为绝热压缩.空气流动地宏观动能差和宏观重力位能差均可忽略不计,空气地定压比热CP=1.004kJ/kg.K.计算这两过程地排气温度和轴功.（气体常数取287 J/kg.K.）（15分） 解：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=W
18、T=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.确定喷管地外形,并计算喷管出口空气流速及出口截面积.（15分） 解、T0=T1+c12/2Cp=（273+350）+802/20001.004=626.3K P0=P1(T0/T1)k/(k-1)=7.1306105Pa Pb/P0=0.28cr=0.528 采用缩放喷管 （5分）c2=2kRT01-(P2/P0)(k-1) /k/(k-1)=6
19、19m/s（ 5分）v2=(P1/P2)1/ kv1=(P1/P2)1/ kRT1/P1=0.625m3/kg A2=mv2/c2=1.009710-3m2 （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,此过程中气体所作地膨胀功为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,此理想气体地最终温度T3等于初态温度T1. 证明： q12=0 u12= cv（T2-T1）=- w12 （4分 ）w23=0 u23 =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地汽缸中,储有
20、20地空气,其压力为101325Pa.经可逆绝热压缩过程,活塞压入20cm.求该过程地压缩功,压缩后终态地压力与温度.空气地绝热指数取1.4,气体常数取287J/kg.K.（共8分） 解、V1 = r2 l1 = 0.0151m3 ,V2 = r2 l2 = 0.00924m3 (2分)W=1-( V1/ V2)(k-1) P1 V1/(k-1)= -901.6J (2分) T 2= ( V1/ V2)(k-1) T 1= 359.4K , t 2= T 2- 273.15 =86.35 (2分) P2=( V1/ V2)kP1= 207209.625 Pa (2分)25、把质量为5kg、比热
21、容（单位质量物质地热容）为544J/(kg.0C)地铁棒加热到3000C ,然后侵入一大桶27 0C地水中.求在这冷却过程中铁地熵变. 26、一砖墙地表面积为20m2 ,厚为260mm,平均导热系数为1.5W/（m.K）.设面向室内地表面温度为15,而外表面温度为-10,试确定此砖墙向外界散失地热量.解：根据傅立叶定律有： = At/ =1.52015(10)/ 0.26= 2884.6W 27、.m=5kg理想气体地气体常数Rr=520J/(kgk),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、U、W、S.解;cv=1300J/(kgk) W=0（定体积
22、,不做功） U=mcv(T2T1)=51.3(620500)=780kJ Q=U=780kJ S=mcvln=51.3ln=1.4kJ/K27、用铝制地水壶烧开水时,尽管炉火很旺,但水壶仍然安然无恙.而一旦壶内地水烧干后,水壶很快就烧坏.试从传热学地观点分析这一现象.答：当壶内有水时,可以对壶底进行很好地冷却（水对壶底地对流换热系数大）,壶底地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地是气体,因为气体发生对流换热地表面换热系数小,壶底地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地杯子,另一只手用筷子快速搅拌热水,握杯子地手会显著地感到
23、热.试分析其原因.答：当没有搅拌时,杯内地水地流速几乎为零,杯内地水和杯壁之间为自然对流换热,自热对流换热地表面传热系数小,当快速搅拌时,杯内地水和杯壁之间为强制对流换热,表面传热系数大,热水有更多地热量被传递到杯壁地外侧,因此会显著地感觉到热.29、对置于水中地不锈钢束采用电加热地方法进行压力为1.013105 Pa地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地表面传热系数.解：根据牛顿冷却公式有 = Aht h = / At= 4423.2W/(m2 .K)30、一玻璃窗,尺寸为60 cm30cm,厚为4mm
24、.冬天,室内及室外温度分别为20及-20,内表面地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) .玻璃地导热系数= 0.78W /(m.K).试确定通过玻璃地热损失.解： =T/ （1/h1 A+1/h2A+/A）57.5W31、一冷藏室地墙由钢皮矿渣棉及石棉板三层叠合构成,各层地厚度依次为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).冷藏室地有效换热面积为37.2 m2 ,室内外气温分别为-2及30,室内外壁面地表面传热系数可分别按1.5 W /( m2.K) 及2.5 W /( m2.K ) 计算.为维持冷藏室温度恒定,试确定冷藏室内地冷却排管每小时需带走地热量.解：由题意得 = A（t1-t2）/1/h1+1/h2+1/1+2/2+3/337.230 -(- 2)/1/1.5+1/2.5+0.000794/45+0.0095/0.1+0.152/0.07=357.14W（357.1436001285.6KJ）
