(2025年)四川大學(xué)工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)第五次測試試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某理想氣體經(jīng)歷一可逆過程，其熵變ΔS>0，若該過程為吸熱過程，則其多變指數(shù)n可能為（）。A.n<κ（κ為絕熱指數(shù)）B.n=κC.κ<n<∞D(zhuǎn).n=∞2.關(guān)于大空間自然對流換熱，以下說法錯誤的是（）。A.流動由浮升力驅(qū)動B.特征長度通常取物體的幾何尺寸C.努塞爾數(shù)Nu與格拉曉夫數(shù)Gr、普朗特數(shù)Pr相關(guān)D.換熱強度隨溫差增大而線性增加3.某蒸汽動力循環(huán)中，汽輪機入口參數(shù)為p1=10MPa、t1=500℃，出口參數(shù)為p2=0.005MPa，若汽輪機實際功為w=1000kJ/kg，其相對內(nèi)效率ηri約為（）（已知h1=3373kJ/kg，h2s=2030kJ/kg）。A.0.82B.0.85C.0.90D.0.954.下列關(guān)于輻射換熱的描述，正確的是（）。A.只有高溫物體才會發(fā)射輻射B.黑體的光譜輻射力與溫度的五次方成正比C.兩灰體間輻射換熱量與表面發(fā)射率無關(guān)D.角系數(shù)僅與物體的幾何形狀和相對位置有關(guān)5.理想氣體在定容過程中吸熱，其溫度（），壓力（）。A.升高，升高B.升高，降低C.降低，升高D.降低，降低6.對于管內(nèi)強制對流換熱，當流體被加熱時，邊界層內(nèi)溫度梯度（），換熱系數(shù)（）。A.增大，增大B.增大，減小C.減小，增大D.減小，減小7.某絕熱剛性容器被隔板分為兩部分，一側(cè)為高壓空氣，另一側(cè)為真空。抽去隔板后，空氣充滿整個容器，此過程中空氣的熵變（）。A.大于0B.等于0C.小于0D.無法確定8.下列哪種措施不能提高朗肯循環(huán)的熱效率？（）A.提高主蒸汽壓力B.降低乏汽壓力C.增加再熱次數(shù)D.減小汽輪機進汽溫度9.導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)基于（）。A.熱力學(xué)第一定律B.熱力學(xué)第二定律C.傅里葉定律D.能量守恒與傅里葉定律10.某逆流換熱器中，熱流體入口溫度150℃、出口溫度90℃，冷流體入口溫度30℃、出口溫度80℃，則對數(shù)平均溫差Δtm為（）。A.50℃B.60℃C.70℃D.80℃二、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述與開爾文表述的等價性。2.說明大空間自然對流換熱中“自?；爆F(xiàn)象的含義及其工程意義。3.分析理想氣體定壓過程與定容過程的比熱容差異，并推導(dǎo)cp與cv的關(guān)系（cp-cv=Rg）。4.比較灰體與黑體的輻射特性，說明工程中采用灰體假設(shè)的合理性。5.解釋“效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）”在換熱器設(shè)計中的適用場景，并列出效能ε的定義式。三、計算題（共50分）1.（12分）1kg空氣（視為理想氣體，Rg=287J/(kg·K)，cp=1005J/(kg·K)）經(jīng)歷一多變過程，初始狀態(tài)p1=0.5MPa、T1=300K，終態(tài)p2=0.1MPa、T2=200K。（1）求多變指數(shù)n；（2）計算該過程的熱量q和功w；（3）判斷該過程是吸熱還是放熱。2.（12分）某逆流套管式換熱器用于加熱水，熱水（cp=4.18kJ/(kg·K)）入口溫度90℃、流量0.5kg/s，冷水（cp=4.18kJ/(kg·K)）入口溫度20℃、流量1.0kg/s。已知傳熱系數(shù)K=500W/(m2·K)，換熱面積A=5m2。（1）計算熱容比Cmin/Cmax；（2）計算傳熱單元數(shù)NTU；（3）利用ε-NTU法求冷水出口溫度t2'。3.（13分）某簡單朗肯循環(huán)中，鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽參數(shù)為p1=6MPa、t1=450℃（h1=3302kJ/kg，s1=6.72kJ/(kg·K)），冷凝器壓力p2=0.005MPa（對應(yīng)飽和水h2'=137.8kJ/kg，飽和蒸汽h2''=2561kJ/kg，s2''=8.39kJ/(kg·K)），水泵入口為飽和水，出口壓力p3=p1（h3≈h2'+v2'(p3-p2)，v2'≈0.001005m3/kg）。（1）求汽輪機出口乏汽的干度x2；（2）計算循環(huán)凈功wnet；（3）計算循環(huán)熱效率ηt。4.（13分）一厚度δ=0.2m的平壁，一側(cè)為高溫?zé)煔猓╰∞1=800℃，h1=100W/(m2·K)），另一側(cè)為空氣（t∞2=25℃，h2=20W/(m2·K)）。平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=50W/(m·K)，表面發(fā)射率ε=0.8（環(huán)境溫度與空氣溫度相同，不考慮其他輻射）。（1）計算單位面積的對流換熱量qconv；（2）計算單位面積的輻射換熱量qrad（提示：σ=5.67×10??W/(m2·K?)）；（3）求平壁兩側(cè)的表面溫度tw1和tw2。答案一、選擇題1.A2.D3.A4.D5.A6.A7.A8.D9.D10.B二、簡答題1.克勞修斯表述（熱量不能自發(fā)從低溫傳向高溫）與開爾文表述（不可能從單一熱源吸熱做功而不引起其他變化）等價，可通過反證法證明：若違反克勞修斯表述，則可構(gòu)造熱機違反開爾文表述；反之亦然，二者共同揭示了能量傳遞與轉(zhuǎn)換的方向性。2.自?；府敻窭瓡苑驍?shù)Gr足夠大時，自然對流進入旺盛湍流區(qū)，此時Nu僅與Pr相關(guān)，與Gr無關(guān)。工程意義：簡化實驗關(guān)聯(lián)式，可在實驗室小尺度模型上模擬實際大尺度換熱，降低研究成本。3.定壓過程中，氣體吸熱需同時增加內(nèi)能和對外做功，故需更多熱量，因此cp>cv。由熱力學(xué)第一定律，定壓過程q=Δu+w=cvΔT+pΔv，結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程pΔv=RgΔT，得q=(cv+Rg)ΔT=cpΔT，故cp=cv+Rg。4.黑體發(fā)射率ε=1，光譜輻射力嚴格遵循普朗克定律；灰體ε<1且與波長無關(guān)，光譜輻射力為同溫度黑體的ε倍。工程中多數(shù)材料在紅外波段的光譜發(fā)射率變化較小，可近似為灰體，簡化輻射換熱計算。5.ε-NTU法適用于已知換熱面積、傳熱系數(shù)和流體流量，求換熱量或出口溫度的場景。效能ε定義為實際換熱量與最大可能換熱量之比，即ε=Q/Qmax=(T1-T1')/(T1-t2)（熱流體為最小熱容流體時）。三、計算題1.（1）由多變過程壓力溫度關(guān)系：(T2/T1)=(p2/p1)^[(n-1)/n]，取對數(shù)得ln(200/300)=[(n-1)/n]ln(0.1/0.5)，解得n≈1.25。（2）功w=Rg(T1-T2)/(n-1)=287×(300-200)/(1.25-1)=114800J/kg=114.8kJ/kg；內(nèi)能變化Δu=cv(T2-T1)=(cp-Rg)(200-300)=(1005-287)×(-100)=-71800J/kg=-71.8kJ/kg；由熱力學(xué)第一定律q=Δu+w=-71.8+114.8=43kJ/kg（吸熱）。2.（1）熱容率C_h=0.5×4180=2090W/K，C_c=1.0×4180=4180W/K，Cmin=C_h=2090W/K，Cmax=C_c=4180W/K，熱容比C=2090/4180=0.5。（2）NTU=KA/Cmin=500×5/2090≈1.196。（3）逆流時ε=[1-exp(-NTU(1-C))]/[1-Cexp(-NTU(1-C))]=[1-exp(-1.196×0.5)]/[1-0.5exp(-1.196×0.5)]≈0.58；Q=εCmin(T1-t2)=0.58×2090×(90-20)=85442W；冷水出口溫度t2'=t2+Q/C_c=20+85442/4180≈40.4℃。3.（1）汽輪機為等熵膨脹，s2=s1=6.72kJ/(kg·K)，s2=x2s2''+(1-x2)s2'（s2'≈s2''=8.39？此處修正：p2=0.005MPa時，飽和水s2'=0.476kJ/(kg·K)，飽和蒸汽s2''=8.393kJ/(kg·K)），故6.72=x2×8.393+(1-x2)×0.476，解得x2≈(6.72-0.476)/(8.393-0.476)≈0.79。（2）汽輪機做功wT=h1-h2=3302-[h2'+x2(h2''-h2')]=3302-[137.8+0.79×(2561-137.8)]≈3302-2053=1249kJ/kg；水泵做功wP=v2'(p3-p2)=0.001005×(6×10?-5×103)≈6.025kJ/kg；循環(huán)凈功wnet=wT-wP≈1249-6.025≈1243kJ/kg。（3）鍋爐吸熱量q1=h1-h3≈h1-h2'=3302-137.8=3164.2kJ/kg；熱效率ηt=wnet/q1≈1243/3164.2≈39.3%。4.（1）總熱阻R=1/h1+δ/λ+1/h2=1/100+0.2/50+1/20=0.01+0.004+0.05=0.064m2·K/W；對流換熱量qconv=(t∞1-t∞2)/R=(800-25)/0.064≈12109.38W/m2。（2）輻射換熱量qrad=εσ(tw1?-t∞2?)，但需聯(lián)立對流與輻射的總熱流。實際總熱流q=qconv+qrad=(tw1-t∞1)h1=(t∞2-tw2)h2。因題目未明確是否考慮輻射與對流的疊加，假設(shè)平壁熱流由對流主導(dǎo)，輻射為附加項，近似取tw1≈t∞1-q/h1=800-12109.38/100≈678.9℃=951.9K，tw2≈t∞2+q/h2=25+12109.38/20≈630.5℃=903.5K；則qrad=0.8×5.67×10??×(951.9?-298.15?)≈0.8×5.67×10??×(8.23×1011