中国石油大学(北京)远程教育学院《工程热力学与传热学》期末复习题及答案

期末复习题

一. 选择题

1. 孤立系统的热力状态不能发生变化；（ × ） 2. 孤立系统就是绝热闭口系统；（ × ） 3. 气体吸热后热力学能一定升高；（ × ） 4. 只有加热，才能使气体的温度升高；（ × ） 5. 气体被压缩时一定消耗外功；（ √ ）

6. 封闭热力系内发生可逆定容过程，系统一定不对外作容积变化功；（ √ ） 7. 流动功的改变量仅取决于系统进出口状态，而与工质经历的过程无关；（ √ ） 8. 在闭口热力系中，焓h是由热力学能u和推动功pv两部分组成。（ × ） 9. 理想气体绝热自由膨胀过程是等热力学能的过程。（ × ）

10. 对于确定的理想气体，其定压比热容与定容比热容之比cp/cv的大小与气体的温度无关。（ × ）

11. 一切可逆热机的热效率均相同；（ × ）

12. 不可逆热机的热效率一定小于可逆热机的热效率；（ × ）

13. 如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆

过程的熵变等于可逆过程的熵变；（ √ ）

14. 如果从同一状态到同一终态有两条途径：一为可逆过程，一为不可逆过程，则不可逆

过程的熵变大于可逆过程的熵变；（ × ） 15. 不可逆过程的熵变无法计算；（ × ）

16. 工质被加热熵一定增大，工质放热熵一定减小；（ × ） 17. 封闭热力系统发生放热过程，系统的熵必然减少。（ × ） 18. 由理想气体组成的封闭系统吸热后其温度必然增加；（ × ） 19. 知道了温度和压力，就可确定水蒸气的状态；（ × ） 20. 水蒸气的定温膨胀过程满足Q=W；（ × ）

21. 对未饱和湿空气，露点温度即是水蒸气分压力所对应的水的饱和温度。（ √ ）

二. 问答题

1. 说明什么是准平衡过程？什么是可逆过程？指出准平衡过程和可逆过程的关系。

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答：（1）准平衡过程：是假设过程中系统所经历的每一个状态都无限接**衡态的过程，（2）可逆过程：是指如果系统完成了某一过程之后，再沿着原路逆行，恢复到原来的状态，外界也随之回复到原来的状态的过程。（3）准平衡过程和可逆过程的关系：准平衡过程着眼于系统内的平衡，可逆过程着眼于系统和外界的总平衡。一个准平衡过程不一定是可逆过程，但一个可逆过程一定是一个准平衡过程。可逆过程是无耗散的准平衡过程。

2. 试指出膨胀功，技术功，流动功的区别和联系？写出流动功的计算公式，说明流动功

大小与过程特性有无关系？

答：（1）膨胀功：是由于工质体积的变化对外所做的功；技术功：是指工程技术

上可以直接利用的功，包括宏观动能，宏观位能，轴功；流动功：推动工质流动而做的功称为流动功。膨胀功，技术功，流动功的联系为：

1wwt(p2v2p1v1)wscf2gz(pv)。

2（2）流动功的计算公式：wfp2v2p1v1(pv)，其大小与过程的特性无关，只与进出口的状态有关。

3. 试指出膨胀功，轴功，技术功，流动功的区别和联系，写出可逆过程中膨胀功，技术

功的计算公式。

答：（1）膨胀功：是由于工质体积的变化对外所做的功；技术功：是指工程技术上可以直接利用的功，包括宏观动能，宏观位能，轴功；流动功：推动工质流动而做的功称为流动功。膨胀功，技术功，流动功的联系为：

1wwt(p2v2p1v1)wscf2gz(pv)。

2 （2）可逆过程中膨胀功的计算公式：w21 pdv；技术功的计算公式：wtvdp。

124. 写出开口系统稳定流动能量方程式的表达式，说明式中各量的含义。

1（2）式cf2gzws。

212中各量含义：q为工质与外界交换的热量，h为工质进出口焓的变化，cf为工质

2答：（1）开口系统稳定流动的能量方程式为：qh宏观动能的变化，gz为工质宏观位能的变化，ws系统对外所作轴功。 5. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上 （1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程；

《工程热力学与传热学》期末复习题 第2页 共12页

（2）空气升压，升温，又放热的热力过程。 答： p

6. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上 （1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程； （2）空气膨胀，升温，又吸热的热力过程。 答： p

7. 试将满足空气下列要求的多变过程表示在p-v图和T-s图上 （1）理想气体的定温，定压，定容和定熵过程； （2）工质又膨胀，又降温，又放热的多变过程。 答：

8. 回答什么是热力学第一定律？什么是热力学第二定律？写出两个与热力学第二定律相等价的数学表达式。

答：（1）热力学第一定律：在热能和机械能的相互转换过程中，能的总量保持不

变。（2）热力学第二定律：克劳修斯表述：不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化。开尔文-普朗克表述：不可能从单一热源取热，使之全部转变为功而不

《工程热力学与传热学》期末复习题 第3页 共12页

Tsv工质膨胀，升温，吸热过程sTv空气升温，升压，放热过程T空气升温，升压，放热过程vp.0p.sTv0sT工质膨胀，升温，吸热过程vpp.sT0v0spTsvTvp.0p工质膨胀，降温，放热过程工质膨胀，降温，放热过程.sTv0s产生其他影响。（3）与热力学第二定律等价的数学表达式：1）克劳修斯积分式：Q0，

T用于判断一个循环是否可能，是否可逆。式中等号用于可逆循环，不等号用于不可逆循环。2）孤立系统熵增原理：dSisodSg0。孤立系统熵增原理指出孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小。孤立系统的熵增完全由熵产组成，式中等号用于可逆过程，不等号用于不可逆过程。3）过程熵变的计算式：S21Q，用于判断过

T程能否进行，是否可逆，等号为可逆过程，不等号为不可逆过程。（以上等价数学表达式写出2个即可）

9. 说明什么是第一类永动机？什么是第二类永动机的含义，它们是否违反了热力学第一

定律和热力学第二定律。

答：（1）第一类永动机：是指不花费代价就能够产生功的机器。（2）第二类永动

机：是指能够从单一热源取热并使之完全变为功的机器。（3）第一类永动机违反了热力学第一定律。第二类永动机不违反热力学第一定律，但却违反了热力学第二定律。 10. 什么是饱和湿空气？什么是未饱和湿空气？如何将未饱和湿空气转变为饱和湿空

气？

答：（1）饱和湿空气：是由干空气和干饱和水蒸气组成的空气。（2）不饱和湿空气：是由干空气和过热水蒸气组成的空气。（3）将未饱和湿空气转变为饱和湿空气的方法有两种：

方法1：湿空气温度T一定时，增加水蒸气分压力 pvpvmaxps(T), 方法2：保持水蒸气含量pv不变，降低湿空气温度TTs(pv)。

11. 解释相对湿度，含湿量的含义。写出水蒸气分压力，相对湿度，含湿量之间的相互关

系。

答：（1）相对湿度：湿空气的绝对湿度ρv与同温度下湿空气的最大绝对湿度ρs

之比称为湿空气的相对湿度，即：v。（2）含湿量：在湿空气中，与单位质量干s空气共存的水蒸气的质量，称为湿空气的含湿量。（3）水蒸气分压力，相对湿度，含湿量的关系为：d0.622pvpbpv0.622ps

pbps12. 说明朗肯循环的基本系统组成，指出在每个设备中完成的热力过程。

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答：（1）朗肯循环的基本系统组成：锅炉，汽轮机，冷凝器，给水泵。（2）锅

炉中：未饱和水定压加热成为过热水蒸气过程；汽轮机中：过热水蒸汽在汽轮机中可逆绝热膨胀对外作功至冷凝压力过程；冷凝器中：湿蒸气可逆定压放热冷凝为饱和水过程；给水泵中：饱和水在凝结水泵中可逆绝热被压缩过程。

13. 写出朗肯循环热效率的计算公式？分析提高朗肯循环热效率的方法有哪些？

答：（1）朗肯循环热效率公式为：由：Q1h1h3,得：Q2h2h3

Q1Q2Q1(h1h4)(h2h3)h1h4h1h2h1h3（2）提高朗肯循环热效率的方法有：

1）保持蒸汽的初压p1，终压p2不变，提高蒸汽的初温T1；2）保持蒸汽的初温T1，终压p2不变，提高蒸汽的初压p1；3）保持蒸汽的初压p1，初温T1不变，降低蒸汽的终压p2；4）在朗肯循环基础上，改进循环，如采用再热循环，回热循环等。 14. 分析采用再热循环的目的是什么？

答：再热循环的目的主要在于增加蒸汽干度，以便在蒸气初温度下可以采用

较高的初压力，从而提高循环热效率。 15. 分析采用回热循环的目的是什么？

答：回热循环的目的主要是提高进入锅炉之前的给水，且减少冷源损失，从而提

高循环的热效率。

16. 如图所示为蒸汽一次回热循环的T-s图，指出图中与回热相关的热力过程，并写出一

次回热循环热效率的计算公式。

答：（1）与回热有关的热力过程为：

过程7-8-9：kg工质在回热加热器中定压放热过程；

过程4-9： (1)kg工质在回热加热器中定压吸热过程。 （2）热效率计算公式： 由：Q1h1h10,得：Q1Q2Q1043T5１kg6109(1-α)kgαkg8172 Q2（1）（h2h3）(h1h10)（1）(h2h3)h1h10（1）(h2h3) 1h1h9TT-s 图s17. 如图所示为蒸汽一次再热循环的T-s图，指出与一次再热相关

11’567《工程热力学与传热学》期末复习题 第5页 共12页

4322‘0s再热循环T–s图的热力过程及过程特点，并写出一次再热循环热效率的计算公式。

答：（1）与再热有关的热力过程为：

过程7-1：工质在再热器中的定压加热过程。 （2）热效率计算公式： 由：Q1（h1h4）（h1'h7),Q2h2'h3

得：Q1Q2(h1h4)(h1'h7)(h2h3)。

Q1(h1h4)(h1'h7)18. 写出傅里叶定律表达式的一般形式，说明其适用条件及式中负号的含义。

答：（1）傅里叶定律的表达形式用向量式表示：热流量为：QA热流密度表示为：qtn, 或用nt（2）适用条件：各向同性物体。式中负号含义：负号n。n说明导热热流量的方向与温度梯度的方向共线反向，温度梯度的方向为沿着等温面的法线方向，并指向温度升高的方向，热流量的方向为温度降落的方向。

19. 写出直角坐标系下，非稳态，常物性，有内热源的导热微分方程形式，写出导温系数

的定义式和物理意义。

2，2t2t； 答：（1）导热微分方程形式：ta(t（2）导温系数：a)cx2y2z2其物理意义为：材料传播温度变化能力大小的指标。 20. 一个具体导热问题的完整数学描述应包括哪些方面？

答：（1）一个具体导热问题的完整数学描述包括：导热微分方程和相应的单值性

条件（单值性条件包括4个方面：几何条件，物理条件，时间条件和边界条件。 21. 什么是导热问题的单值性条件？它包含哪些内容？

答：（1）单值性条件：说明了导热过程的具体特点，是使导热微分方程获得唯

一解的条件。（2）单值性条件一般包括4个方面：几何条件，物理条件，时间条件和边界条件，边界条件又有第一类边界条件，第二类边界条件和第三类边界条件之分。 22. 说明影响对流换热的因素有哪些？分析在相同的流动和换热壁面条件下，体积热容

ρcp大的流体，表面传热系数是大还是小？

答：（1）影响对流换热的因素有：流动的起因（自然对流或强迫对流），流动的状态（层流和湍流），流体有无相变，流体的物理性质（如：,,,c,等），换热表面的几何因素。（2）c反映单位体积流体热容量的大小，在相同的流动和换热壁

《工程热力学与传热学》期末复习题 第6页 共12页

面条件下，c数值愈大，通过对流转移的热量愈多，对流换热愈强烈。

23. 说明影响对流换热的因素有哪些？分析在相同的流动和换热壁面条件下，导热系数λ

大的流体，表面传热系数是大还是小。

答：（1）影响对流换热的因素有：流动的起因（自然对流或强迫对流），流动的

状态（层流和湍流），流体有无相变，流体的物理性质（如：,,,c,等），换热表面的几何因素。（2）导热系数λ愈大的流体，导热热阻愈小，对流换热愈强烈。 24. 说明对流换热微分方程组由哪几个方程组成？它们各自导出的理论依据是什么？

答：（1）对流换热的微分方程组包括：连续性方程，动量微分方程，能量微分方程。（2）导出的理论依据：1）连续性方程：根据微元体的质量守恒导出；2）动量微分方程：根据微元体的动量守恒导出；3）能量微分方程，根据微元体的质量守恒导出。 25. 什么是流动边界层？什么是热边界层？说明边界层的特点有哪些？

答：（1）流动边界层：是流体流过固体表面时，存在着较大的速度梯度，粘性力

起主要作用的流体薄层。（2）热边界层：是流体流过与之温度不同的固体表面时，存在着较大的温度梯度，发生热量交换的流体薄层。（3）边界层的特点：1）边界层的厚度与壁面特征长度相比是很小的量；2）流场划分为边界层区和主流区；3）根据流动状态，边界层分为层流边界层和湍流边界层。湍流边界层分为层流底层，缓冲层与湍流核心三层。4）在层流边界层与层流底层，垂直于壁面方向的热量传递主要靠导热，湍流边界层的主要热阻在层流底层。

26. 分别写出毕渥数Bi，努谢尔特数Nu的定义式及物理意义。

答：（1）Bihl，物理意义为：物体内部的导热热阻/与边界处的对流换热

热阻1/h 之比。（2）Nuhl，物理意义为：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。

27. 努塞尔特数Nu和毕渥数Bi的表达式的形式完全相同，二者有何区别？

答：努谢尔特数Nu与毕渥数Bi的表达形式完全相同，但具有不同的物理意义。（1）毕渥数Bi表示在第三类边界条件下的固体导热热阻与边界处的对流换热热阻之比，表达式中的表面传热系数由第三类边界条件确定，导热系数是固体的导热系数，特征长度是反映固体导热温度场几何特征的尺度。（2）努谢尔特数Nu反映了对流换热的强弱，表达式中的表面传热系数是待定参数，导热系数是流体的导热系数，特征长度是反映对流换热固体表面几何特征的尺度。

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28. 分别写出傅里叶数Fo，普朗特数Pr的定义式及物理意义。 答：（1）Foa2，物理意义为：分子为从非稳态导热过程开始到时刻的时间，

2分母可理解为温度变化涉及到面积所需要的时间。是非稳态导热过程的无量纲时间。（2）Pra，物理意义为：流体的动量扩散能力与热量扩散能力之比。

29. 分别写出雷诺数Re和格拉晓夫数Gr的定义式和物理意义。

答：（1）雷诺数：Reul，物理意义为：表征流体粘性力与惯性力的相对大小，

惯性力的影响越大。根据Re数的大小可以判断流态；（2）GrRe越大，

gtl32，

物理意义为：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。 30. 简述相似原理的主要内容。

答：相似原理包括相似三定理，（1）相似第一定理：彼此相似的现象，必定具

有相同的同名准数的数值；（2）相似第二定理：所有相似的物理现象的解必定可用同一个特征数关系式描述；（3）相似第三定理：凡同类现象，若同名已定特征数相等，且单值性条件相似，那么这两个现象一定相似。 31. 说明如何判断两个现象相似？

答：利用相似第三定理判断：凡同类现象，若同名已定特征数相等，且单值性条

件相似，那么这两个现象一定相似。

32. 指出组成辐射换热网络的热阻有哪两类？如何表示？当辐射表面为黑体时，热阻如何

表示？

答：（1）组成辐射换热网络的热阻有表面辐射热阻和空间辐射热阻，表面辐射热阻为

1，空间辐射热组为1。（2） 当辐射表面为黑体时，1，其表面辐射AAX1,210，只有空间辐射热阻1。 AAX1,2热阻

33. 写出角系数的相对性，完整性，可加性的表达式。

答：（1）角系数的相对性：A1X1，2A2X2，1；（2）完整性：

《工程热力学与传热学》期末复习题 第8页 共12页

Xi1ni,j（3）可加性：A1X1，Xi,1Xi,2...Xi，n；(23)A1X1，2A1X1，3。

34. 如图所示为一漫射灰体表面，试指出与此漫灰表面有关的辐射能量有哪些？写出有效

辐射，表面净辐射换热量的表达式。

答：（1）与此漫射灰体表面有关的辐射能量有：投入辐射G，吸收辐射αG，反射辐ρG， 辐射力E=εEb，有效辐射J=E+ρG，灰体表面净辐射换热量：qEbJ 135. 什么是黑体？什么是灰体？

答：（1）黑体：吸收比 α=1的物体称为绝对黑体，简称黑体；（2）灰体：是指光谱辐射特性不随波长而变化的假想物体。

三 . 计算题

有效辐射法1. 2 kg空气经过定温膨胀的可逆过程，从初态压力为 p1=9.807 bar，t1=300 ºC膨胀到终态容积为初态容积的5倍。试计算：（1）空气的终态参数；（2）对外界所作的膨胀功和交换的热量；（3）热力学能，焓和熵的变化量。设空气的cp=1.004 kJ/(kg·K)，Rg=0.287 kJ/(kg·K)，K=1.4。

解：（1）取空气为热力系统，对可逆定温过程1-2，由参数间的相互关系得：

p2p1v219.8071.961bar. v15由理想气体状态方程式得；

v1RgT1p10.287103(273300)0.1677kg/m359.80710

v25v10.8385m3/kg定温过程：T1T2573K

（2）气体对外所作的功及交换的热量：

WTQTp1V1lnV2V19.807105(20.1677)ln5529.4kJ

（3）过程中热力学能，焓，熵的变化为：

U120,H120,S12mRglnV20.9238kJ/K V1《工程热力学与传热学》期末复习题 第9页 共12页

2. 两质量相同，比热容相同（为常数）的物体A，B，初温各为TA与TB，用它们作高温

热源和低温热源，使可逆机在其间工作，直至两物体温度相等为止。 试求：（1）平衡时的温度Tm；

（2）可逆机的总功量；

（3）如果两物体直接进行热交换至温度相等，求此平衡温度Tm及两物体的总熵变。

解：（1）取A，B物体及热机为孤立系统， 则有：SisoSASBSE0， 其中：SE0，

因此：SisoSASBmcTmT1TmdTdTmc0

TBTTT2即： mclnmcln0，lnm0

TATBTATB2Tm或 1，所以 TmTATB TATBTmTm（2）A物体为有限热源，过程中放出热量Q1，B物体为有限冷源，过程中要吸收热量Q2，并且：Q1mc(TATm),Q2mc(TmTB)，

热机为可逆热机时，由能量守恒：

WQ1Q2mc(T1Tm)mc(TmTB)mc(TATB2Tm)。

（3）两物体直接进行能量交换直至温度相等时，可列出能量守恒方程： mc(T1T'm)mc(T'mTA) 因此： Tm'TATB2

3. 1 Kmol的理想气体，从初态p1=0.5 MPa，T1=340 K绝热膨胀到原来体积的2倍。已

知气体的Cp,m= 33.44 kJ/(mol·K)，Cv,m= 25.12 kJ/(mol·K)，试确定在下述情况下气体的终温，对外所作的功及熵的变化量。（1）可逆绝热过程；（2）气体向真空自由膨胀。

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解：首先计算比热容比：（1）对可逆绝热过程： 终温：T2T1(Cp,mCV,m33.441.33 25.121)1340K()1.331270K。 V22WmcV(T1T2)nCV,m(T1T2)110mol25.12J/(molK)(340270)K1758J3V1对外所作的功：

熵的变化量：S0

（2）气体向真空自由膨胀，有W0，又过程绝热，则Q0，因此由闭口系能量方程QWU，得U0。 即终温：T2T1340K 熵的变化量：

Sm(cVlnT2T1RglnV2V1)mRglnV2V1nRlnV2V1

1103mol8.314J/(molK)ln25.77kJ/K4. 欲设计一热机，使之能从温度为973 K的高温热源吸热2 000 kJ，并向温度为303 K

的冷源放热800 kJ。试确定（1）此循环能否实现？（2）若把此热机当作制冷机用，从冷源吸热800 kJ，是否可能向热源放热2 000 kJ？此时，至少需耗多少功？ 解：（1）方法1：利用克劳修斯积分式来判断循环是否可行，

QTQ1T1Q2T22000kJ800kJ0.585kJ/K0

973K303K所以此循环能实现，且为不可逆循环。

或方法2：利用孤立系统熵增原理来判断循环是否可行，孤立系统由高温热源，低温热源，热机及功源组成，因此：

SisoSHSLSRSWQ1T1Q2T2002000kJ800kJ0.585kJ/K0973K303K 孤立系统的熵是增加的，所以此循环可以实现。

（2）若将此热机当作制冷机使用，使其逆行，显然不可能进行。也可借助与上述方法的任一种重新判断。

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若使制冷机能从冷源吸热800 kJ，假设至少耗功Wmin，根据孤立系统熵增原理，

SiisoSHSLSRSW解得：Wmin1769kJ。

Q1T1Q2T200800kJWnet973K800kJ0

303K5. 热电厂有一外径为100 mm的过热蒸汽管道（钢管），用热导率λ=0.04 W/(m·K)的玻

璃棉保温。已知钢管外壁面温度为400 ℃，要求保温层外壁面温度不超过50 ℃，并且每米长管道的散热损失要小于160 W，试确定保温层的厚度。

解：依题可写出每米长管道的散热损失为：qltw1tw2， d12ln2d1若要求每米长管道散热损失小于160 W，代入已知数据：

40050120.1ln23.140.04W/(mK)0.1解之，得：

160W/l，

36.6mm。

6. 某过热蒸汽管道的内，外直径分别为150 mm和160 mm，管壁材料的热导率为45

W/(m·K)，管道外包两层保温材料。第一层材料厚度为40 mm，热导率为0.1 W/(m·K).；第二层厚度为50 mm，热导率为0.16 W/(m·K)。蒸汽管道内壁面温度为400 ℃，保温层外壁面温度为50 ℃。试计算：（1）各层材料导热热阻；（2）每米长蒸汽管道的散热损失。

解（1）首先计算各层材料的导热热阻： 管道层：Rt1121lnd2d11160ln2.28104mK/W

245150第一保温层：Rt2122123lnd3d2d4d31240ln0.6mK/W

20.11601340ln0.347mK/W

20.16240第二保温层：Rt3ln（2）单位长度热流量：

Ltw1tw4Rt40050352.7W/m 42.28100.60.347《工程热力学与传热学》期末复习题 第12页 共12页