热工学原理期末复习解读.docx
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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
、名词解释
(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),p—。
A
(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,
V、3
v,单位:
m/kg。
m
(5)密度:
单位体积工质的质量,m,
V
3、热力过程(P13)
v1,单位:
kg/m3。
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p1=0.1MPa,w=0.845m3/kg;
压缩后为p2=0.8MPa,V2=0.175m3/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)wqu50146.5kJ/kg196.5kJ/kg。
(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。
wsqAh50146.5(0.80.1750.10.845)103kJ/kg252kJ/kg。
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)
RpVmRgTmT
M
2、热容(P35~37)
nRT,R=8.314J/(mol•K)。
(1)热容:
物体温度升高
1K(或1C)所需要的热量称为该物体的热容量,简称热容。
Q
dT
Q
dt
(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),c
q
dT
_q
。
dt
(3)比定容热容C^-qV—°比定容热容是在体积不变的情况下比热力学能对温度
dTTv
(4)比定压热容Cp—°比定容热容是在压力不变的情况下比晗对温度的偏导
pdTTp
数,其数值等于在压力不变的情况下物质温度变化
(5)迈耶公式:
尔定容热容)
CpCVRg,Cp,m
CV,m
1K时比晗的变化量。
(Cp,m
C/,m分别为摩尔定压热容、摩
(6)比热容比
Cp
Cp
CV
(P45)
[Rg,CV
Rg°
3、混合气体的成分
(1)质量分数:
如果混合气体由k种组元气体组成,
其中第
m-
总质量m的比值称为该组元的质量分数,wiL,
m
(2)摩尔分数:
如果混合气体由k种组元气体组成,
其中第
Xi旦
n
(3)体积分数:
如果混合气体由k种组元气体组成,其中第i先,V
气体的物质的量n的比值称为该组元的摩尔分数,
体总体积V的比值称为该组元的体积分数,
i种组元的质量mi与混合气体
k
mi,wi1°
i1
i种组元的物质的量m与混合
kk
nni,x1°
i1i1
i种组元的分体积Vi与混合气
k
k
Vi,
i1
1K时比热力学能的变化量。
的偏导数,其数值等于在体积不变的情况下物质温度变化
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。
各种热力过程的计算公式
过程
过程方程式
初、终状态参数间的关系
交换的功量
交换的热量
q/(J/kg)
w/(J/kg)
wt/(J/kg)
定容
v=定数
T2P2
v2V1;———
T1P1
0
vP2P1
CVT2T1
定压
p=定数
T2v2
p2p1;—
T1W
Pv2v或RgT2£
0
CpT2T1
定温
pv=定数
丁丁P2W
P1V2
.V2MIn—
w
w
定熵
pv=定数
P2v1
P1v2
1
T2v1
T1v
1
T2p2
T1P1
PMP2v2
1
或fT1T2
1
w
0
二、问答题
1、(3-1)理想气体的Cp和Cv之差及Cp和Cv之比是否在任何温度下都等于一个常数?
答:
理想气体的Cp和Cv之差在任何温度下都等于一个常数,而Cp和Cv之比不是。
2、(3-2)如果比热容是温度t的单调增函数,当t2t1时,平均比热容C|0、C|02、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pv&T,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?
dqd(uw)du
dwdudvdu
pRg,由此可以看出,如果
dTdTdTdT9
则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。
CdTdTdT
工质的内能不仅仅是温度的函数时,
4、(3-4)在Uv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i为可逆定容加热过程;
为可逆绝热膨胀过程。
线i,
理
因为可逆定容加热过程容积
4
所以为曲
2为可逆定压加热过程;3为可逆定温加热过程;
v不变,过程中系统内能增加,
从下向上。
想气体
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:
解:
设气体的初态参数为pi、Vi、Ti和m,阀门开启时气体的参数为P2、V2、T2和m2,阀门重新关闭时气体的参数为P3、V3、T3和m3,考虑到刚性容器有:
ViV2V3,且mim2。
(i)当阀门开启时,贮气筒内压力达到8.75Xi05Pa,所以此时筒内温度和气体质量分别为:
p2
8.75i05
T2
Ti吃
20
273.I5
K
366.44K,
Pi
7i05
piVi
7i05
0.027
mi
m2
kg
0.225kg。
RgTi
28720
273.I5
(2)
阀门重新关闭时,筒内气体压力降为
8.4xi05Pa,且筒内空气温度在排气过程中保持
不变,所以此时筒内气体质量为m3P3"P3"84I00.027kg0.2i6kg。
R9T3RgT2287366.44
所以,因加热失掉的空气质量为Amm2m30.2250.2I6kg0.009kg。
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、30C的理想气体0.5kg,而另一侧储有0.12MPa、30C、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(C);
(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30C,
所以平衡时系统的温度仍为30C。
(2)设气缸一侧气体的初始参数为p「V「和mh,终态参数为p「V「「,另一侧气
^RgTi
0.528730273.153
m
P1
m>RgT2
0.4106
0.109m3,
P2
0.528730273.153
m
0.12106
0.363m3,
0.1090.363m3
终态时,两侧的压力相同,即P1
P1V1P1V1PV1P2V2P2V2
0.471m3
\hV2。
对两侧分别写出状态方程,
P(V总一V
P2P,
T〔T|T〔T2T2
PV1'pM,pV总VP2V2
p2V20.41060.109
p
T2
pV总p1V1p2V2终态时的压力
0.121060.3035
Pa18466102Pa1.85105Pa。
V、0.472
3、(3-4)5kg的Ar气体经历了一热力学能不变的过程,初态为5=6.0x10pPa、「=600K,
膨胀终了的体积V2=3V1。
Ar气体可作为理想气体,设比热容为定值,Rg=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
V1515
温T2600K,由状态方程可求出终压为P2P1—6.010—Pa2.010Pa。
V23
5
kJ/K1.143kJ/K。
总熵变量ASIp©mRJn卫250.208ln2.0105
1PT口6.0105
4(3-7)6kg的空气,由初态p1=0.3MPa、1=30C经下列不同过程膨胀到同一终压p2=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:
T1T230273.15K
由理想气体的状态方程可得到初终态的体积:
mRT62873031533
m1.74m,V2
303.15K。
mRT?
p0.3106
所以气体对外所作的功和吸收的热量分别为:
V
VI
V2
VpdVmRgT1ln
6287303.15
P2
6287303.153
m
0.1106
5.22m3。
522
lnT7;J573502.311J573.5kJ,
体的初始参数为P2、VT2和m2,终态参数为P2、V2、T2,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。
W573.5kJ。
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:
PM[1(-)]P1
492216.7935J492.22kJ
1
Q=0,终温T2久(上)—303.15
P1
PdV
114
P2'「「6287303.15[1
01105LU
(皤)1.4]J
01106Lil
(6)1.4K221.48K。
0.3106
(3)n=1.2:
为多变过程,根据过程方程可得到气体的终温
Pn1011061.21
T2T1
(2)n303.15(6)1.2K252.43K。
口0.3106
气体对外所作的功和热量分别为:
n1
[13〕
P1
mRT|
61.21
628730315[1(吓严]J4367M4J
1210.3106
43672kJ,
Qm(v(T2
T1)-—625243303151.2“
1n11.411.21
氧气瓶的体积为0.04m3,内盛P1=147.1x105Pa的氧气,其温度与室温相同,P2=73.55X105Pa,求此时氧气的温度t2
T1)L1
n1
m-
kJ21835J。
5、(3-8)
即t1=to=20C。
(1)如开启阀门,使压力迅速下降到
和所放出的氧气的质量
(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
m;
(2)阀门关闭后,瓶内氧气的温度与压力将怎样变化;
147.1X105Pa降到
73.55X105Pa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。
1471105口
20273.15(5)1.4K240.48K。
73.55105
147.11050.04
8314kg7.73kg。
20273.15
3210
1
所以气体终温T2壬(卫
P2
瓶内原来的气体质量mi
PiVi
RgTi
放气后瓶内气体的质量m
'2
业73.55105O.°44.71kg
RgT2空徨240.48gg
3210
mim27.734.71kg3.02kg。
即T3=T1=20+273.15(K)=293.15K,
所以放出的氧气质量为m
(2)阀门关闭后,瓶内气体将升温,直到和环境温度相同,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
T3”w“5293.15
P3P2373.5510
T2240.48
Pa8.97106Pa。
(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,
5
'业业73.5510叫3.86kg,RgT2RgT1摯役293.15
32103
7.733.86kg3.87kg,故所放的氧气比的一种情况多。
第四章:
热力学第二定律
所以放气后瓶内的气体质量为m2
m'mm2
」、名词解释热力循环(
(1)热力循环:
P84~85)
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)
循环热效率tWnetQ1Q2
(3)
Q1Q1
逆向循环:
消耗外界提供的功量,
Q2
wnet
制冷装置的制冷系数
:
将热能转换为机械能的循环。
Q2
。
Q1
将热量从低温热源传递到高温热源的循环。
Q2
(5)
热泵的供热系数
Qi
Wnet
Q2Q1
Q1。
Q1Q2
第九章:
导热
1、
2、
、名词解释等温线与等势面(
在同一时刻,温度场中温度相同的点所连成的线或面。
温度梯度(P175)
P175)
tgradtn。
n
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。
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。
一4一,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。
gradt
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,
上的热状态以及与周围环境之间的相互作用。
温度梯度表示等温面法线方向的温度变化,
3、
4、
所以需要说明导热物体边界
(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twfx,y,乙稳态导热,tw=常数;非稳态导热,twf。
(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%fx,y,z,
稳态导热,qw=常数;非稳态导热,qwf。
(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tf及表面传热系数h:
htwtfo
、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)
hI
(1)努塞尔数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Re巴,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Pr
Cp
匕,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
a
力的相对大小,反映流体物理性质的无因次准则数。
gtl3
(4)格拉晓夫数Grg2,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,其他方向的速度为零。
x
R2
b)圆管横截面上的速度分布为抛物线形分布,可表达为
c)沿流动方向的压力梯度不变,即dp=常数,阻尼系数f为常数:
f。
dxRe
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100C,来流空气温度
为20C、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
40C,空气平均温度tf
由空气的物性表得:
0.0267W/mC,
Prf
0.701,Prw
0.688,Re愛5
tf'tf"
2
1610
3
25103
2040C
2
m/s,
30C。
6
1610
由管束平均表面传热系数的关联式(茹卡乌思卡斯公式)得:
0.25
n0.37Prf
NUfCRePrf-
7812.5。
0.26
Prw
NUf—49.6130.02673W/
d25103
校核计算换热量Q1Ftm58.23W/
校核计算获得热量Q2Gcptf"tf'
2、(10-12)在一锅炉烟道中有
0.60.37
7812.50.701
0.701
0.688
0.25
49.613,
m2
C52.99W/
m2C,
2
52.99W/m2°C
m2
6排管顺排构成的换热器。
已知管外径
d=60mm,管间距
&/d=q/d=2,管壁平均温度tw=100C,烟气平均温度tf=500C,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:
tf=500C,由空气的物性表得:
Prf0.687,Prw0.688,Re
Umd
0.0574W/mC
3
I86010
79.38106
62
79.3810m/s,
6064.86。
由管束换热关系式(茹卡乌思卡斯公式)
0.25
Prw
0.0574,
3W/
6010
0.630.36
Nuf0.27RefPrf
所以,hNuf-
d
56.87
得:
0.27
0.63
6046.86
m2C
0.687。
.36型
0.688
54.41W/m2C。
第十二章:
传热过程与换热器
一、名词解释
1、对于n层不同
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- 工学 原理 期末 复习 解读