热工学原理期末复习

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

一、名词解释

1、热力系统（P9~10）

（1）闭口系统（控制质量系统）：与外界无物质交换的系统。 （2）开口系统（控制容积系统）：与外界有物质交换的系统。 （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?F。 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?（5）密度：单位体积工质的质量，??V，单位：m3/kg。 mm，?v?1，单位：kg/m3。 V3、热力过程（P13）

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，v1=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）w?q??u??50?146.5?kJ/kg???196.5kJ/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。

ws?q?Δh??50?146.5?(0.8?0.175?0.1?0.845)?103kJ/kg??252kJ/kg。

w?10252?10?kW?42kW。 （3）P??s6060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）

pV?mRgT?mRT?nRT，R=8.314J/(mol·K)。 M2、热容（P35~37）

（1）热容：物体温度升高1K（或1℃）所需要的热量称为该物体的热容量，简称热容。

C??QdT??Qdt。

（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??qdT??qdt。

（3）比定容热容cV??qV??u????。比定容热容是在体积不变的情况下比热力学能对温度dT??T?v的偏导数，其数值等于在体积不变的情况下物质温度变化1K时比热力学能的变化量。 （4）比定压热容cp??qp??h????。比定容热容是在压力不变的情况下比晗对温度的偏dT??T?p导数，其数值等于在压力不变的情况下物质温度变化1K时比晗的变化量。

（5） 迈耶公式：cp?cV?Rg，Cp,m?CV,m?R（Cp,m、CV,m分别为摩尔定压热容、摩尔定容热容） （6）比热容比??

cpcV

，cp????1Rg，cV?1Rg。 ??13、混合气体的成分（P45）

（1）质量分数：如果混合气体由k种组元气体组成，其中第i种组元的质量mi与混合气体

kkmi总质量m的比值称为该组元的质量分数，wi?，m??mi，?wi?1。

mi?1i?1（2）摩尔分数：如果混合气体由k种组元气体组成，其中第i种组元的物质的量ni与混合

kkni气体的物质的量n的比值称为该组元的摩尔分数，xi?，n??ni，?xi?1。

ni?1i?1（3）体积分数：如果混合气体由k种组元气体组成，其中第i种组元的分体积Vi与混合气

kkVi体总体积V的比值称为该组元的体积分数，?i?，V??Vi，??i?1。

Vi?1i?14、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。

过程 过程方程式 定容 定压 定温 v=定数 p=定数 pv=定数 各种热力过程的计算公式 交换的功量 初、终状态 参数间的关系 w/(J/kg) wt/(J/kg) 交换的热量 q/(J/kg) cV?T2?T1? T2p2? T1p1Tvp2?p1；2?2 T1v1pvT2?T1；2?1 p1v2v2?v1；0 或Rg?T2?T1? p?v2?v1? v?p2?p1? 0 w cp?T2?T1? p1v1lnv2 v1w p2?v1???? ??p1?v2?定熵 pv=定数 κ?T2?v1?????T1?v2????1 ??1?T2?p2?????T1?p1??p1v1?p2v2 ??1Rg?T1?T2? 或??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t2?t1时，平均比热容c|01、c|02、c|t12中哪一个最大？哪一个最小？

答：由c|、c|、c|的定义可知：c0t2tttt10t20t2t1t1??t21t10cdtt1t2t1?c(t?)，其中0???t1；

c0??t20cdtt2?c(t?)，其中0???t2；ct??ttcdttt2?t1?c(t?)，其中t1???t2。

因为比热容是温度t的单调增函数，所以可知c|t12>c|01， 又因为ct?1t2c2t2?c01t10ttt2?t1t2t10t故可知c|t12最大。 ?(ct2?c2)t2?(ct2?c01)t1?0?ct2?c2，

10110ttttt又因为c0?c0?tt2t1?cdt?t2?cdt0t1t1t2t1?(t1?t2)?cdt?t1?cdt0t1t1t2t1t2tt1

?(t1?t2)t1c01?(t2?t1)t1ct2t1t2?(t2?t1)t1(ct2?c01)t1t2?0，所以c|t01最小。

3、（3﹣3）如果某种工质的状态方程式遵循pv?RgT，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？

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：

c?dqd(?u?w)dudwdudvdu???????p???Rg，由此可以看出，如果dTdTdTdTdTdTdT工质的内能不仅仅是温度的函数时，则此工质的比热容也就不仅仅是温度的函数了。 4、（3﹣4）在u?v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1为可逆定容加热过程；2为可逆定压加热过程；3为可逆定温加热过程；4为可逆绝热膨胀过程。因为可逆定容加热过程容积v不变，过程中系统内能增加，所以为曲线1，从下向上。 理想气体的可逆定压加热过程有：

?Tc??c?du??P?P?dv?P?P?1?dv?c1dv?u?c1v?c2，

?v??R?c1和c2为常数，且考虑到v?0时，u?0，所以c2?0；u?c1v，

所以此过程为过原点的射线2，且向上。

理想气体的可逆定温加热过程有：?u?q?w?0?q?w?0，气体对外做功，体积增加，所以为曲线3，从左到右。

理想气体的可逆绝热膨胀过程有：du??pdv??c1c11dv?u??c2（c1、c2为常数） vkk?1vk?1所以为图中的双曲线4，且方向朝右（膨胀过程）。

三、计算题 1、（3﹣2）体积为0.027m3的刚性储气筒，装有压力为7×105Pa、温度为20℃的空气。筒上装有一排气阀，压力达到8.75×105Pa时就开启，压力将为8.4×105Pa时才关闭。若由于外界加热的原因，造成阀门开启。问：（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？ （2）因加热而失掉多少空气？设筒内空气温度在排气过程中保持不变。

解：设气体的初态参数为p1、V1、T1和m1，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：且m1?m2。 V1?V2?V3，（1）当阀门开启时，贮气筒内压力达到8.75×10Pa，所以此时筒内温度和气体质量分别为：

5

1 2 u p28.75?105T2?T1??20?273.15??K?366.44K， 5p17?103 4 p1V17?105?0.027m1?m2??kg?0.225kg。

RgT1287??20?273.15?5

v （2）阀门重新关闭时，筒内气体压力降为8.4×10Pa，且筒内空气温度在排气过程中保持p3V3p3V38.4?105?0.027不变，所以此时筒内气体质量为m3???kg?0.216kg。

RgT3RgT2287?366.44所以，因加热失掉的空气质量为Δm?m2?m3?0.225?0.216?kg??0.009kg。 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、30℃的理想气体0.5kg，而另一侧储有0.12MPa、30℃、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（℃）；（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30℃，所以平衡时系统的温度仍为30℃。

?、V1、?T1?，另一侧气（2）设气缸一侧气体的初始参数为p1、V1、T1和m1，终态参数为p1?、V2?、T2?，重新平衡时整个系统的总体体的初始参数为p2、V2、T2和m2，终态参数为p2积不变，所以先要求出气缸的总体积。

V1?m1RgT1p1?0.5?287??30?273.15?33，m?0.109m60.4?10

0.5?287??30?273.15?33，m?0.363m6p20.12?10?V总＝V1?V2?0.109?0.363?m3??0.471m3?V1??V2。

??p2??p，对两侧分别写出状态方程， 终态时，两侧的压力相同，即p1??V1?pV1?p2V2p2?V2?p(V总－V1）p1V1p1??，??T1T1?T1T2T2?T2

pV1'?p1V1，p?V总?V1'??p2V2?pV总?p1V1?p2V2?终态时的压力 V2?m2RgT2?p1V1?p2V20.4?106?0.109?0.12?106?0.303p??Pa?184661.02Pa?1.85?105Pa。

V总0.4723、（3﹣4）5kg的Ar气体经历了一热力学能不变的过程，初态为p1=6.0×105Pa、T1=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，故终温T2?600K，由状态方程可求出终压为p2?p1总熵变量ΔS?V11?6.0?105?Pa?2.0?105Pa。 V23?21dTp22.0?105cp?mRgln??5?0.208?lnkJ/K?1.143kJ/K。

Tp16.0?1054、（3﹣7）6kg的空气，由初态p1=0.3MPa、t1=30℃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：T1?T2?30?273.15?K??303.15K。 由理想气体的状态方程可得到初终态的体积：

V1?mRgT1p1V2mRgT26?287?303.1536?287?303.1533?m?1.74m，V2??m?5.22m3。 660.3?10p20.1?10V25.22?6?287?303.15?lnJ?573502.311J?573.5kJ， V11.74所以气体对外所作的功和吸收的热量分别为：

W??pdV?mRgT1lnV1Q??W??573.5kJ。

（2）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：

W??V2V1ppdV?p1V1[1?(2)??1p1???1?1.40.1?105]??6?287?303.15?[1?()1.4?10.3?1051.4?11.4]J

?492216.7935J?492.22kJ1.4?1p2???10.1?1061.4Q=0，终温T2?T1()?303.15?()K?221.48K。 6p10.3?10（3）n=1.2：为多变过程，根据过程方程可得到气体的终温

pT2?T1(2)p1mRT1n?1n0.1?1061.2?303.15?()K?252.43K。

0.3?106n?11.2?11.2?1气体对外所作的功和热量分别为：

p2n6?287?303.150.1?1061.2W?[1?()]?[1?()]J?436717.24J?436.72kJ， 6n?1p11.2?10.3?10Rgn??n??0.2871.2?1.4Q?mcV(T2?T1)?m(T2?T1)?6???252.43?303.15??kJ?218.35kJ。

n?1??1n?11.4?11.2?1

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

一、名词解释 1、热力系统

闭口系统、开口系统、绝热系统、孤立系统 状态参数、压力、温度、比体积、密度 2、状态参数 3、热力过程 4、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？

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？ 3、（1﹣4）准平衡过程与可逆过程有何区别？

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

（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，v1=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）？ 二、计算题

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 2、热容

热容、比热容、比定容热容、比定压热容、迈耶公式、比热容比 3、混合气体的成分

质量分数、摩尔分数、体积分数

定容过程、定压过程、定温过程、绝热过程

各种热力过程的计算公式 过程 过程方程式 定容 定压 定温 定熵 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？

初、终状态 参数间的关系 交换的功量 w/(J/kg) wt/(J/kg) 交换的热量 q/(J/kg) 4、理想气体的基本热力过程

2、（3﹣2）如果比热容是温度t的单调增函数，当t2?t1时，平均比热容c|01、c|02、c|t12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?RgT，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？

4、（3﹣4）在u?v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。 三、计算题

1、（3﹣2）体积为0.027m3的刚性储气筒，装有压力为7×105Pa、温度为20℃的空气。筒上装有一排气阀，压力达到8.75×105Pa时就开启，压力将为8.4×105Pa时才关闭。若由于外界加热的原因，造成阀门开启。问：（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？ （2）因加热而失掉多少空气？设筒内空气温度在排气过程中保持不变。

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、30℃的理想气体0.5kg，而另一侧储有0.12MPa、30℃、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（℃）；（2）平衡时的压力（MPa）。

3、（3﹣4）5kg的Ar气体经历了一热力学能不变的过程，初态为p1=6.0×105Pa、T1=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。

4、（3﹣7）6kg的空气，由初态p1=0.3MPa、t1=30℃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。

5、（3﹣8）一氧气瓶的体积为0.04m3，内盛p1=147.1×105Pa的氧气，其温度与室温相同，即t1=t0=20℃。（1）如开启阀门，使压力迅速下降到p2=73.55×105Pa，求此时氧气的温度t2和所放出的氧气的质量?m；（2）阀门关闭后，瓶内氧气的温度与压力将怎样变化； （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147.1×105Pa降到73.55×105Pa时，所放出的氧气较第一种情况是多还是少？

ttt第四章：热力学第二定律

一、名词解释

热力循环

热力循环、正向循环、逆向循环、制冷装置的制冷系数、热泵的供热系数

第九章：导热

一、名词解释 1、等温线与等势面 2、温度梯度 3、热导率 4、边界条件

第一类边界条件、第二类边界条件、第三类边界条件 二、问答题

1、（9﹣3）为什么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？ 3、（9﹣5）何谓导热问题的单值性条件？它包含哪些内容？

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。 5、（9﹣7）试用传热学观点说明为什么冰箱要定期除霜。

第十章：对流换热

一、名词解释 1、相似分析 2、相似特征数

努塞尔数、雷诺数、普朗特数、格拉晓夫数 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，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？

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？ 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100℃，来流空气温度为20℃、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。 2、（10﹣12）在一锅炉烟道中有一6排管顺排构成的换热器。已知管外径d=60mm，管间距 s1/d=s2/d=2，管壁平均温度tw=100℃，烟气平均温度tf=500℃，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。

第十二章：传热过程与换热器

一、名词解释

1、对于n层不同材料组成的无内热源的多层圆管的稳态传热过程，热流量公式 2、换热器

定义、分类及工作特点 3、间壁式换热器的分类 二、计算题

1、（12﹣2）一内径为0.16m的蒸汽管道，壁厚为8mm，管外包有厚度为200mm的保温层。已知管材的热导率λ1=45W/(m·K)，保温材料的热导率λ2=0.1W/(m·K)。管内蒸汽温度tf1=300℃，蒸汽与管壁间对流换热的表面传热系数h1=150W/(m2·K)。周围空气温度tf2=20℃，空气与保温层外表面对流换热的表面传热系数h2=10W/(m2·K)。试求单位管长的散热损失和保温层外表面的温度。

2、（12﹣3）平均温度为80℃的热水以5m/s的速度流过一内径为80mm、壁厚为10mm的水平钢管。管壁材料的热导率为45W/(m·K)，管子周围空气温度为20℃。如果不考虑管壁与周围环境间的辐射换热，试计算单位管长的散热损失和外壁面温度。

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