《工程热力学与传热学》期末复习题77791458609821975.docx

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《工程热力学与传热学》期末复习题77791458609821975

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；（V）

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；（V）

7.流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历的过程无关；（V）

8.在闭口热力系中，焓h是由热力学能u和推动功pv两部分组成。

（X）

9.理想气体绝热自由膨胀过程是等热力学能的过程。

（X）

10.对于确定的理想气体，其定压比热容与定容比热容之比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

过程的熵变等于可逆过程的熵变；（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

过程的熵变大于可逆过程的熵变；（X）

15.不可逆过程的熵变无法计算；（X）

16.工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小；（X）

17.封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必然减少。

（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。

（V）

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

的

功称为流动

功。

膨胀

功，

技术功，流动功的联系

条为

w

Wt（P2V2PM）

12

w2Cf

gz

（pv）。

（2）

流动功的计算公式:

wf

P2V2

P1V1

（pv），其大小与过程的特性无关，

只与

进出口的状态有关。

3.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

条为：

w

Wt（P2V2P1V1）Ws

1

2

2

Cf

gz

（pv）。

（2）

可逆过程中膨胀功的计算公式

:

w

2

1Pdv；

技术功的计算公式：

wt

2

1vdp。

4.写出开口系统稳定流动能量方程式的表达式，说明式中各量的含义。

1

答：

（1）开口系统稳定流动的能量方程式为：

qh—c；gzws。

（2）式

2

中各量含义：

q为工质与外界交换的热量，h为工质进出口焓的变化，—c2为工质

2f

宏观动能的变化，gz为工质宏观位能的变化，ws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，定容和定熵过程;

答:

空气升温，升压，放热过程

（2）空气升压，升温，又放热的热力过程。

答:

T

工质膨胀，升温，吸热过程

0

s

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，定容和定熵过程；

（2）空气膨胀，升温，又吸热的热力过程。

答:

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，定容和定熵过程；

（2）工质又膨胀，又降温，又放热的多变过程。

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，使之全部转变为功而不

1）克劳修斯积分式:

产生其他影响。

（3）与热力学第二定律等价的数学表达式:

0，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）孤立系统熵增原理：

dSis。

dSg0。

孤立系统熵增原理指出孤

立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。

孤立系统的熵增完全由熵产组成，式

中等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。

3）过程熵变的计算式：

S2卫，

1T

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取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1:

湿空气温度T一定时，增加水蒸气分压力pvpvmaxps（T）,

方法2:

保持水蒸气含量pv不变，降低湿空气温度TTs（Pv）。

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，含湿量之间的相互关

系。

答：

（1）相对湿度：

湿空气的绝对湿度p与同温度下湿空气的最大绝对湿度

之比称为湿空气的相对湿度，即：

亠。

（2）含湿量：

在湿空气中，与单位质量干

s

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

12.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。

13.

16.如图所示为蒸汽一次回热循环的T-s图，指出图中与回热相关的热力过程，并写出

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:

kg工质在回热加热器中定压放热过程;

过程4-9:

（1）kg工质在回热加热器中定压吸热过程。

（2）热效率计算公式：

T-s图

由：

Qi

hihio,

Q2

（1）（h2h3）

再热循环T-s图

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

的热力过程及过程特点，并写出一次再热循环热效率的计算公式。

答：

（1）与再热有关的热力过程为：

过程7-1:

工质在再热器中的定压加热过程。

（2）热效率计算公式：

由：

Qi（hih4）（hi，h7）,Q2h2'h3

得.Q1Q2（h1h4）（hi，h7）（h2h3）。

'Q1（h1h4）（h1，h7）

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向量式表示：

热流量为：

qA—tn,或用

n

热流密度表示为：

q-Ln。

（2）适用条件：

各向同性物体。

式中负号含义：

负号

n

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：

_La（」二」）；

（2）导温系数：

a

xyzc

其物理意义为：

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：

（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

P©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：

,,C,等），换热

表面的几何因素。

（2）c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，C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：

,,c,等），换热

表面的几何因素。

（2）导热系数入愈大的流体，导热热阻愈小，对流换热愈强烈。

24.说明对流换热微分方程组由哪几个方程组成？

它们各自导出的理论依据是什么？

答：

（1）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）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Bi，努谢尔特数Nu的定义式及物理意义。

答：

（1）Bi世，物理意义为：

物体内部的导热热阻/与边界处的对流换热

hI

热阻1/h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

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Bi的表达式的形式完全相同，二者有何区别？

答：

努谢尔特数Nu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Bi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）FoaT，物理意义为：

分子为从非稳态导热过程开始到时刻的时间,

分母可理解为温度变化涉及到2面积所需要的时间。

是非稳态导热过程的无量纲时

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Gr的定义式和物理意义。

答：

（1）雷诺数：

Reul，物理意义为：

表征流体粘性力与惯性力的相对大小,

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。

Gr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）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。

31.说明如何判断两个现象相似？

答：

利用相似第三定理判断：

凡同类现象，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，表面辐射热

1

阻为1—

，空间辐射热组为

1

O

（2）当辐射表面为黑体时，

1，其表面辐射

A

AX1,2

热阻1—

0,只有空间辐射热阻

1

O

A

AX1,2

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：

A1X1,

A2X2,1；

（2）完整性：

n

X••

i,J

Xi,1Xi,2.

X

「n;（3）可加性：

A1X1,（23）

A1X12A1X1;30

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。

aG,反

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

EbJ

1

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

35.什么是黑体？

什么是灰体？

答：

（1）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.计算题有效辐射法

1.2kg空气经过定温膨胀的可逆过程，从初态压力为pi=9.807bar,ti=300oC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，焓和熵的变化量。

设空气的Cp=1.004kJ/（kg•K）,

Rg=0.287kJ/（kg•K）,K=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：

V21

p2P19.8071.961bar.

v15

由理想气体状态方程式得；

3

Rg「0.28710（273300）3

V150.1677kg/m

p19.807105

3

v25v10.8385m/kg

定温过程：

T1T2573K

（2）气体对外所作的功及交换的热量：

V25

WtQtpMIn—9.80710（20.1677）In5529.4kJ

V1

（3）过程中热力学能，焓，熵的变化为：

U120,H120,S12m&ln《0.9238kJ/K

V1

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

热源和低温热源，使可逆机在其间工作，直至两物体温度相等为止。

试求：

（1）平衡时的温度Tm；

（2）可逆机的总功量；

（3）如果两物体直接进行热交换至温度相等，求此平衡温度Tm及两物体的总熵变。

解：

（1）

取A,

B物体及热机为孤立系统，

则有:

Siso

SA

SB

Se0,

其中

:

Se

0

因此:

:

Siso

Sa

Sb

TmdTTm

mcmc

T1TTb

dT

0

T

即：

Tmmcln-

Ta

-mclnTm

Tb

T2

0,lnm0TaTb

或

t2

m1,

TaTb

所以

Tm

:

'TATB

（2）A物体为有限热源，过程中放出热量Qi,B物体为有限冷源，过程中要吸收热量Q2，

并且：

Qime（TaTm），Q2mc（TmTb），

热机为可逆热机时，由能量守恒：

WQiQ2mc（TiTm）me仃mTb）me仃aTb2Tm）。

（3）两物体直接进行能量交换直至温度相等时，可列出能量守恒方程：

mc（TiTm）me仃mTa）

因此：

T'TATB

Tm2

3.1Kmol的理想气体，从初态pi=0.5MPa，Ti=340K绝热膨胀到原来体积的2倍。

已

知气体的Cp,m=33.44kJ/（mol•K）,Cv,m=25.12kJ/（mol•K），试确定在下述情况下

气体的终温，对外所作的功及熵的变化量。

（1）可逆绝热过程；

（2）气体向真空自由

膨胀。

（1）对可逆绝热过程:

V4

终温：

T2T1（-1）1340K（-）1.331270K。

W0，又过程绝热，则Q0,因此由闭口系能量方

V22

对外所作的功:

Wmc-（T1T2）nC-,m（T1T2）

1103moI25.12J/（moIK）（340270）K1758J

熵的变化量：

s0

（2）气体向真空自由膨胀，有

程QWU，得U

即终温：

T2T1340K

熵的变化量:

4.欲设计一热机，使之能从温度为973K的高温热源吸热2000kJ，并向温度为303K

的冷源放热800kJ。

试确定

（1）此循环能否实现？

（2）若把此热机当作制冷机用,

从冷源吸热800kJ，是否可能向热源放热2000kJ?

此时，至少需耗多少功?

解：

（1）方法1:

利用克劳修斯积分式来判断循环是否可行，

0.585kJ/K0

QQ1Q22000kJ800kJ

0

TT1T2973K303K

所以此循环能实现，且为不可逆循环。

或方法2:

利用孤立系统熵增原理来判断循环是否可行，孤立系统由高温热源，低温热

源，热机及功源组成，因此：

孤立系统的熵是增加的，所以此循环可以实现。

（2）若将此热机当作制冷机使用，使其逆行，显然不可能进行。

也可借助与上述方法的任一种重新判断。

3^0080JWet孕J0

T1T2973K303K

解得：

Wmin1769kJ。

5.热电厂有一外径为100mm的过热蒸汽管道（钢管），用热导率入=0.04W/（m•K）的玻

6.

璃棉保温。

已知钢管外壁面温度为400C，要求保温层外壁面温度不超过50C，并且

每米长管道的散热损失要小于160W，试确定保温层的厚度。

2d1

若要求每米长管道散热损失小于160W，代入已知数据:

解

（1）首先计算各层材料的导热热阻:

第一保温层：

Rt2

1

ln

d3

1,240

ln

0.646mK/W

2

2

d2

2

0.1160

第二保温层：

Rt3

1

ln

d4

1,340

ln

0.347mK/W

2

3

d3

2

0.16240

1

（2）单位长度热流量:

1.如果热力系统与外界之间没有任何形式的能量交换，那么这个热力系统一定是D、孤立系统

2.（2.5分）理想气体的热力学能只与（）有关。

A、温度

3.（2.5分）理想气体的比热容只与（）参数有关。

A、温度

4.（2.5分）以下哪个描述适合自发过程。

C、一定是不可逆过程

5.（2.5分）第二类永动机违反了以下哪个基本定律。

C、热力学第二定律

6.（2.5分）热力循环可分为正向循环和逆向循环，以下循环中为正向循环的是（）。

A、热机循环

7.（2.5分）动力循环的经济性可用热效率来表示，热机的热效率（）B、总是小于1

8.（2.5分）制冷循环的经济性可用制冷系数来表示，制冷机的制冷系数（）D、都有可能

9.

（2.5分）热泵循环的经济性可用供热系数来表示，热泵的供热系数（）B、大于1

12.（2.5分）工质的压力可以用绝对压力，表压力和真空度来表示，以下哪种压力可以作为工质的状态

参数A、绝对压力

13.（2.5分）在相同的高温恒温热源和低温恒温热源间工作的任何可逆热机的热效率都（）卡诺热机的

热效率。

B、等于

14.（2.5分）在相同的高温恒温热源和低温恒温热源间工作的任何可逆热机的热效率都（）不可逆热机

的热效率。

A、大于

15.（2.5分）若工质分别经历可逆过程A和不可逆过程B，均从同一初始状态出发，而两过程中工质从

B、SA=SB

16.（2.5分）如果从同一初态出发到达同一终态有两个过程：

可逆过程A和不可逆过程B,则两过程的

熵变关系是（）.B、△SA=△SB

17.（2.5分）等熵过程一定是一个（）过程。

C、两种情况都有可能

18.（2.5分）当m公斤的河水和G公斤的沸水具有相同的热能时，它们的可用能（）。

C、沸水可用

能多

19.（2.5分）若组成热力系统的各部分之间没有热量传递，热力系统将处于热平衡状态。

此时热力系统内部一定不存在（）。

A、温度差

20.（2.5分）若组成热力系统的各部分之间没有相对位移，热力系统将处于力平衡状态。

此时热力系统内部一定不存在（）。

B、压力差

21.（2.5分）等量空气从相同的初态岀发，分别经过可逆绝热过程A和不可逆绝热过程B到达相同的终

态，两个过程中空气热力学能变化的关系为（）。

C、△UA=△UB

22.（2.5分）热力系统的总储存能包括内部储存能