河南理工大学20082009学年第2学期工程热力学与传热学期末试卷A卷.doc

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河南理工大学 2008-2009 学年第 2 学期
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《工程热力学与传热学》试卷（A卷）

总得分
阅卷人
复查人
考试方式
本试卷考试分数占学生总评成绩比例

闭卷
70 %

一、填空题
分数
10
得分

1．卡诺机A工作在927℃和T的两个热源间，卡诺机B工作在T和27℃的两个热源间。当此两个热机的热效率相等时，T热源的温度为 K。
2．物体能全部吸收外来射线，这种物体称为 ，物体的单色黑度不随波长而变化的物体称为 。
3．在换热器中，冷热流体沿热表面不断地吸收和放出热量，故温度沿整个热表面是不断变化的，常采用 表示其平均温度，它的表达式为 。
4．热量传递的推动力是 ，质量传递的推动力是 。
5．理想气体经一绝热自由膨胀过程至终态，系统内能 ，系统温度 。（填增大，减小或不变）。
二、名词解释
分数
12
得分

1. 平衡状态
2. 第二类永动机
3.露点温度
4. 第二类边界条件
5. 对流换热
6. 热辐射

1．平衡状态：热力系在无外界的影响下，宏观性质不随时间而变化的状态。

2．第二类永动机：从单一热源取得热量并使之完全变为机械能而不引起其它变化的循环发动机。
3．露点温度：未饱和湿空气在水蒸汽分压力不变的情况下，冷却至饱和湿空气时的温度。
4．第二类边界条件：给定物体表面上的热流密度分布随时间的变化关系。
5．对流换热：流体与固体壁面直接接触而发生的热量传递。
6．热辐射：由于自身温度或热运动的原因而激发的电磁波传播。
三、 （评分标准：每小题5分）
分数
30
得分

分数
30
得分

三、 简答题

1．试将满足以下要求的理想气体多变过程在图上表示出来：
1.将卡诺循环在图和上表示出来，并在图中用面积表示做功大小。
2.为什么余隙容积又叫有害容积？
3．简述水的相变过程在上的规律。
4．电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象…………………………密………………………………封………………………………线…………………………

5.下图为一组电子元件的散热，试分析：（1）为增强散热，这些元件是集中还是分散放置？（2）如果某一元件对温度要求较高或不能承受较高温度，则应放在什么位置，为什么？
6．有一台钢管换热器，热水在管内流动,空气在管束间作多次折流横向冲刷管束以冷却管内热水。有人提出,为提高冷却效果,采用管外加装肋片并将钢管换成铜管。请你评价这一方案的合理性。
三、 （评分标准：每小题5分）
分数
30
得分

o
T
s
o
p
v

1．

2.(1)余隙容积使气缸吸气容积减小，使压气机生产量减小；
（2）排气压力越高，有效容积减小，当排气压力高到一定程度，压气机无法吸气。
3．水的相变过程可以归纳为一点（临界点）、两线（饱和液态线，饱和汽态线）、三区（液相区，
汽液两相共存区，汽相区）、五态（未饱和态，饱和水态，湿饱和蒸汽态，干饱和蒸汽态和过
热蒸汽态）。
4. 杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。
5. (1)分散放置要好，能有效削弱边界层。
(2)应将对温度要求较高的电子元件放在前端，此时在电子元件表面形成的边界层较薄。
6．该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管
外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不
是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

四、 计算题

分数
48
得分

1.空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是p1=0.1MPa, v1=0.845m3/kg; 压缩后的参数是p2=0.8MPa, v2=0.175m3/kg。假定在压缩的过程中，1kg空气的热力学能增加146kJ, 同时向外放出热量50kJ,压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功；（2）每生产1kg的压缩气体所需的功；（3）带动此压气机至少要多大功率的电动机？
1．（1）压缩过程所作的功
分析可知，在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此取汽缸中的气体为热力系，（1分）
由闭口系能量方程得：
（3分）
（2）生产压缩空气所需的功
选气体的进出口、汽缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系，由开口系能量方程得（1分）
（ 4分）
（3）电动机的功率
（3分）

2．一可逆热机在质量相同的热物体和冷物体之间工作。热物体的初温为，冷物体的初温为，两物体始终保持压力不变，且无相变，试求：（1）此系统最终达到平衡时的温度；（2）该热机总共输出的功量；（3）如两物体直接接触进行热交换至温度相等，求平衡温度及两物体总熵的变化。
2．（1）取热物体、冷物体及热机为孤立系，设系统平衡是的温度为，则 （1分）
因，故
（2分）
即 ，
所以系统平衡时的温度 。（2分）
（2）热物体为有限热源，过程中放出热量，冷物体为有限冷源，过程中吸收热量
， （1分）
热机为可逆热机时，作功量最大，
（2分）
（3）平衡温度由能量平衡方程式求得，即 （1分）

故 （1分）
两物体组成系统的熵的变化量为
（2分）

3、由三层材料组成的加热炉炉墙。第一层为耐火砖。第二层为硅藻土绝热层，第三层为红砖，各层的厚度及导热系数分别为d1＝240mm，λ1=1.04W/(m·℃)， d2＝50mm, λ2=0.15W/(m·℃)，d3＝115mm, λ3=0.63W/(m·℃)。炉墙内侧耐火砖的表面温度为1000℃。炉墙外侧红砖的表面温度为60℃。试计算硅藻土层的平均温度及通过炉墙的导热热流密度。已知 d1＝0.24m, l1=1.04W/(m×℃)
d2＝0.05m, l2=0.15W/(m×℃)
d3＝0.115m, l3=0.63W/(m×℃)
t1=1000℃ t2=60℃
（2分）
（4分）
（2分）
（2分）
（2分）

4．如果测得室内外空气的温度分别为15℃、0℃，墙体厚度为20cm。已知墙体的导热系数为0.5 W/mK，空气与墙体内表面对流传热系数为 h=5W/m2K，空气与墙体外表面对流传热系数为 h=4W/m2K，求房间内外墙表面的温度及热流大小。
tw1
tw2
δ
tair2
tair1
h2
k
h1

4.
总的热阻为 （3分）
由已知得: ，，，，得（1分） （1分）
热流： （3分）
内墙温度： （2分）
外墙温度： （2

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河南理工大学 2008-2009 学年第 1 学期
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《工程热力学与传热学》（A卷）标准答案与评分标准

总得分
阅卷人
复查人
考试方式
本试卷考试分数占学生总评成绩比例

闭卷
70%

分数
10
得分

一、 （评分标准：每小题2分）

1．600 2. 黑体，灰体 3. 对数平均温度， 4. 温度差，浓度差 5．不变，不变
分数
12
得分

二、 （评分标准：每小题2分）

1．平衡状态：热力系在无外界的影响下，宏观性质不随时间而变化的状态。

2．第二类永动机：从单一热源取得热量并使之完全变为机械能而不引起其它变化的循环发动机。
3．露点温度：未饱和湿空气在水蒸汽分压力不变的情况下，冷却至饱和湿空气时的温度。
4．第二类边界条件：给定物体表面上的热流密度分布随时间的变化关系。
5．对流换热：流体与固体壁面直接接触而发生的热量传递。
6．热辐射：由于自身温度或热运动的原因而激发的电磁波传播。
三、 （评分标准：每小题5分）
分数
30
得分

o
T
s
o
p
v

1．

2.(1)余隙容积使气缸吸气容积减小，使压气机生产量减小；
（2）排气压力越高，有效容积减小，当排气压力高到一定程度，压气机无法吸气。
3．水的相变过程可以归纳为一点（临界点）、两线（饱和液态线，饱和汽态线）、三区（液相区，
汽液两相共存区，汽相区）、五态（未饱和态，饱和水态，湿饱和蒸汽态，干饱和蒸汽态和过
热蒸汽态）。
4. 杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。
5. (1)分散放置要好，能有效削弱边界层。
(2)应将对温度要求较高的电子元件放在前端，此时在电子元件表面形成的边界层较薄。
6．该换热器管内为水的对流换热，管外为空气的对流换热，主要热阻在管外空气侧，因而在管
外加装肋片可强化传热。注意到钢的导热系数虽然小于铜的，但该换热器中管壁导热热阻不
是传热过程的主要热阻，因而无需将钢管换成铜管。

四、 （评分标准：每小题12分，具体步骤分如下所示）
分数
36
得分

1．（1）压缩过程所作的功
分析可知，在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此取汽缸中的气体为热力系，（1分）
由闭口系能量方程得：
（3分）
（2）生产压缩空气所需的功
选气体的进出口、汽缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系，由开口系能量方程得（1分）
（ 4分）
（3）电动机的功率
（3分）

2．（1）取热物体、冷物体及热机为孤立系，设系统平衡是的温度为，则 （1分）
因，故
（2分）
即 ，
所以系统平衡时的温度 。（2分）
（2）热物体为有限热源，过程中放出热量，冷物体为有限冷源，过程中吸收热量
， （1分）
热机为可逆热机时，作功量最大，
（2分）
（3）平衡温度由能量平衡方程式求得，即 （1分）

故 （1分）
两物体组成系统的熵的变化量为
（2分）
3．已知 d1＝0.24m, l1=1.04W/(m×℃)
d2＝0.05m, l2=0.15W/(m×℃)
d3＝0.115m, l3=0.63W/(m×℃)
t1=1000℃ t2=60℃
（2分）
（4分）
（2分）
（2分）
（2分）

4.
总的热阻为 （3分）
由已知得: ，，，，得（1分） （1分）
热流： （3分）
内墙温度： （2分）
外墙温度： （2分）