热工学原理期末复习.docx
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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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