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热工学原理期末复习
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 闭口系统:
与外界无物质交换的系统。
开口系统:
与外界有物质交换的系统。
绝热系统:
与外界无热量交换的系统。
孤立系统:
与外界既无能量交换又无物质交换的系统。
2、状态参数 状态参数:
用于描述工质所处状态的宏观物理量。
压力:
单位面积上所受到的垂直作用力,p?
F。
A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﹣。
比体积:
单位质量的工质所占有的体积,v?
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 系统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 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、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、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、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 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。
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 空气在某压气机中被压缩,压缩前空气的参数为p1=,v1=/kg;压缩后为p2=,v2=/kg。
若在压缩过程中每千克空气的热力学能增加为,同时向外界放热50kJ,压气机每分钟生产压缩气体10kg。
试求:
压缩过程中对每千克空气所作的压缩功;生产1kg压缩空气所需的轴功; 带动此压气机所需功率至少为多少?
解:
w?
q?
?
u?
?
50?
?
kJ/kg?
?
?
/kg。
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?
?
(?
?
?
)?
103kJ/kg?
?
252kJ/kg。
w?
10252?
10?
kW?
42kW。
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 pV?
mRgT?
mRT?
nRT,R=/(mol·K)。
M2、热容 热容:
物体温度升高1K所需要的热量称为该物体的热容量,简称热容。
C?
?
QdT?
?
Qdt。
比热容:
单位质量物质的热容量称为该物质的比热容,单位为J/(kg·K)或kJ/(kg·K),c?
?
qdT?
?
qdt。
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。
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。
迈耶公式:
cp?
cV?
Rg,Cp,m?
CV,m?
R比热容比?
?
cpcV ,cp?
?
?
?
1Rg,cV?
1Rg。
?
?
13、混合气体的成分 质量分数:
如果混合气体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摩尔分数:
如果混合气体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体积分数:
如果混合气体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 定容过程:
气体比体积保持不变的过程称为定容过程。
定压过程:
气体压力保持不变的过程称为定压过程。
定温过程:
气体温度保持不变的过程称为定温过程。
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?
2T1v1pvT2?
T1;2?
1p1v2v2?
v1;0或Rg?
T2?
T1?
p?
v2?
v1?
v?
p2?
p1?
0wcp?
T2?
T1?
p1v1lnv2v1wp2?
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?
w0二、问答题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、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:
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、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。
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,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、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?
?
c2vkk?
1vk?
1所以为图中的双曲线4,且方向朝右。
三、计算题1、体积为的刚性储气筒,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×105Pa时就开启,压力将为×105Pa时才关闭。
若于外界加热的原因,造成阀门开启。
问:
当阀门开启时,筒内温度为多少?
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,当阀门开启时,贮气筒内压力达到×10Pa,所以此时筒内温度和气体质量分别为:
5 12u?
105T2?
T1?
?
20?
?
?
K?
,5p17?
1034p1V17?
105?
?
m2?
?
kg?
。
RgT1287?
?
20?
?
5 v阀门重新关闭时,筒内气体压力降为×10Pa,且筒内空气温度在排气过程中保持?
105?
不变,所以此时筒内气体质量为m3?
?
?
kg?
。
RgT3RgT2287?
所以,因加热失掉的空气质量为Δm?
m2?
m3?
?
?
kg?
?
。
2、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、30℃的理想气体,而另一侧储有、30℃、的同样气体。
然后松开活塞任其自移动,最后两侧达到平衡。
设比热容为定值试求:
平衡时的温度;平衡时的压力。
解:
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,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?
?
287?
?
30?
?
33,m?
?
10 ?
287?
?
30?
?
33,m?
?
10?
V总=V1?
V2?
?
?
m3?
?
?
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?
?
106?
?
?
106?
?
?
Pa?
?
?
105Pa。
V总、5kg的Ar气体经历了一热力学能不变的过程,初态为p1=×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=/(kg·K),求终温、终压及总熵变量。
解:
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,状态方程可求出终压为p2?
p1总熵变量ΔS?
V11?
?
105?
Pa?
?
105Pa。
V23?
?
105cp?
mRgln?
?
5?
?
lnkJ/K?
/K。
?
1054、6kg的空气,初态p1=、t1=30℃经下列不同过程膨胀到同一终压 p2=;定温;定熵;n=。
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:
定温:
T1?
T2?
30?
?
K?
?
。
理想气体的状态方程可得到初终态的体积:
V1?
mRgT1p1V2mRgT26?
287?
?
287?
?
m?
,V2?
?
m?
。
?
?
?
6?
287?
?
lnJ?
?
,所以气体对外所作的功和吸收的热量分别为:
W?
?
pdV?
mRgT1lnV1Q?
?
W?
?
。
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?
?
105]?
?
6?
287?
?
[1?
()?
?
?
]J ?
?
?
1p2?
?
?
?
=0,终温T2?
T1()?
?
()K?
。
?
10n=:
为多变过程,根据过程方程可得到气体的终温 pT2?
T1
(2)p1mRT1n?
?
?
?
()K?
。
?
106n?
?
?
1气体对外所作的功和热量分别为:
p2n6?
287?
?
?
[1?
()]?
[1?
()]J?
?
,6n?
?
?
10Rgn?
?
n?
?
?
?
mcV(T2?
T1)?
m(T2?
T1)?
6?
?
?
?
?
?
kJ?
。
n?
1?
?
1n?
?
?
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、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、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、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 空气在某压气机中被压缩,压缩前空气的参数为p1=,v1=/kg;压缩后为p2=,v2=/kg。
若在压缩过程中每千克空气的热力学能增加为,同时向外界放热50kJ,压气机每分钟生产压缩气体10kg。
试求:
压缩过程中对每千克空气所作的压缩功;生产1kg压缩空气所需的轴功; 带动此压气机所需功率至少为多少?
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、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、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、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、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、体积为的刚性储气筒,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×105Pa时就开启,压力将为×105Pa时才关闭。
若于外界加热的原因,造成阀门开启。
问:
当阀门开启时,筒内温度为多少?
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、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、30℃的理想气体,而另一侧储有、30℃、的同样气体。
然后松开活塞任其自移动,最后两侧达到平衡。
设比热容为定值试求:
平衡时的温度;平衡时的压力。
3、5kg的Ar气体经历了一热力学能不变的过程,初态为p1=×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=/(kg·K),求终温、终压及总熵变量。
4、6kg的空气,初态p1=、t1=30℃经下列不同过程膨胀到同一终压p2=;定温;定熵;n=。
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、一氧气瓶的体积为,内盛p1=×105Pa的氧气,其温度与室温相同,即t1=t0=20℃。
如开启阀门,使压力迅速下降到p2=×105Pa,求此时氧气的温度t2和所放出的氧气的质量?
m;阀门关闭后,瓶内氧气的温度与压力将怎样变化;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×105Pa降到×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、为什么导电性能好的金属导热性能也好?
2、一个具体导热问题的完整数学描述应包括哪些方面?
3、何谓导热问题的单值性条件?
它包含哪些内容?
4、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、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、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、何谓管内流动充分发展段和热充分发展段?
有何特点?
3、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、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、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、一内径为的蒸汽管道,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=/(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、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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