热学性能范文

热学性能范文（精选9篇）

热学性能 第1篇

高贝利特水泥(简称HBC)是中国建筑材料科学研究总院开发出的一种新型低热硅酸盐水泥。该水泥与通用的传统水泥同属硅酸盐水泥体系,即熟料矿物也是由C3S、C2S、C3A和C4AF组成,两者不同之处主要是高贝利特水泥是以水化热低、最终强度高、耐久性好的贝利特矿物(C2S)为主,其含量约在50%左右[1,2]。

水泥作为水硬性胶凝材料,在水化反应时放出热量,称之为水化热。水化热导致相当于绝热状态的大体积混凝土内部温度升高。对大体积混凝土工程尤其是对大坝混凝土而言,混凝土内部温度过高,就可能导致混凝土的内外温差过大,从而产生较大的温度应力。当温度应力大于混凝土的抗拉强度时,会导致大体积混凝土的开裂,称为温度裂缝。据水工混凝土耐久性的调查结果[3,4],大型混凝土坝在建设和运行过程中均可能产生裂缝,其中70%的裂缝是温度裂缝。因此半个多世纪以来,如何提高大坝混凝土的抗裂能力,减少或避免温度裂缝的产生,一直是从事温度应力控制及设计、施工、试验研究人员所非常关注的问题。温度裂缝大多是贯穿性的,其危害极大。因此,混凝土的热学性能一直是大体积混凝土的重要研究课题。当前控制温度裂缝的措施有许多种,不过最根本最有效的还是采用水化热低的水泥。而高贝利特水泥恰恰具有水化热低这一特性,这也预示着高贝利特水泥在大体积混凝土工程应用中具有广阔的前景。正是基于此,本文对高贝利特水泥的热学性能进行了研究。

2 原材料

试验所用水泥分别为高贝利特水泥(HBC)、硅酸盐水泥(PC)及中热水泥(MHC)。其化学成分及矿物组成见表1。

3 高贝利特水泥的水化放热

3.1 短龄期时的水化放热(直接法)

大坝混凝土浇筑后约一周时间内,由于主要胶凝材料水泥的迅速水化导致大坝的内部温度急剧升高。在这段时间内,如果没有采取适当的保温措施,使得大坝内外温度梯度过大,则大坝发生表面裂缝甚至贯穿性裂缝的可能性就大大增加。因此,作为主要胶凝材料的水泥其水化放热尤其是早期水化放热至关重要。

本研究与PC作对比,采用直接法测定以β-C2S为主导矿物的HBC的早期水化放热。试验方法按照GB2022-80《水泥水化热试验方法》(直接法)进行,试验结果见表2。

由表2可知,高贝利特水泥在28d强度达到42.5级通用硅酸盐水泥同等水平的同时,其水化放热却很低,3d、7d水化热比通用硅酸盐水泥低20%以上,且水化温升较同标号通用

硅酸盐水泥低得多,实现了水泥性能的低热高强。

两种水泥的水化温升曲线及水化放热情况分别如图1、图2和图3所示。与通用硅酸盐水泥相比,高贝利特水泥水化时不仅水化放热少,峰值温度低,而且温升速率小,峰值温度滞后出现6h,从而预示着高贝利特水泥具有优良的热学稳定性。

此外,从平均放热速率(图3)来看,在水化初期,两种水泥的水化放热速率均比较快。其中,通用硅酸盐水泥的最大水化放热速率发生在12h,而高贝利特水泥则相对滞后,发生在24h。1d龄期之后两种水泥的平均放热速率基本相同。

总之,与PC相比,HBC早期水化放热少,峰值温度低,温升速率小,在控制大体积混凝土早期温度裂缝方面有其独特的优势。

3.2 长龄期时的水化放热(溶解热法)

已有的研究表明[1,2],和传统的波特兰水泥相比,HBC具有早期强度低,后期强度高的特点。既然HBC后期强度发展迅速,那么其后期水化放热是否也大幅增加呢?为了说明该问题,本研究分别从理论计算和实际测定(溶解热法)两方面对比研究了HBC、PC及MHC三种水泥长龄期的水化放热。

众所周知,在不同水化龄期,硅酸盐水泥水化放热的多少与已发生反应的熟料矿物数量有关,同时也取决于水泥熟料的矿物组成、水泥颗粒粒径分布、水灰比以及养护的温度和湿度。Lerch和Bogue[6]测得了不同水化龄期下水泥熟料单矿的水化热常数(水灰比为0.4,温度为21℃),见表3。从中可见,C2S无论是早期还是后期其水化热均远小于其它各种矿物,这决定了以C2S为主导矿物的高贝利特水泥在对水化热要求较苛刻的大体积混凝土方面有其独特的优势。

Taylor[6]认为,由波特兰水泥熟料的矿物组成,可依据公式Ht=a (C3S)+b (C2S)+c(C3A)+d(C4AF)估算和预测不同试验龄期波特兰水泥的水化热,式中Ht为水化放热值;a、b、c、d为不同龄期熟料单矿放热常数(见表3)。根据上式计算出不同C2S含量的高贝利特水泥的水化热,内部混凝土的配合比配制高贝利特水泥混凝土,并和三峡工程中实际使用的中热水泥作对比,研究其内部绝热温升。

注:1为与石膏反应生成C4AH12,2为CH过量生成水榴石时。

本研究根据三峡大坝内部混凝土的配合比(见表6),进行了HBC和MHC混凝土的绝热温升测定。试验采用水工混凝土试验规程第5.0.22条“混凝土绝热温升试验(试行)”。试结果见表4。

从表4的高贝利特水泥水化热计算值和表5的实测值看,除早期(3d)水化热外,两者具有良好的对应关系,这与Copeland等[7]学者的研究结果一致。由于水泥的水化过程相当复杂,水泥的水化放热影响因素也较多,因此,由理论计算所得水泥的水化热与实测值存在一定的偏差,但由其预测不同龄期、不同品种水泥的水化热发展趋势是完全可行和有效的。HBC、PC和MHC随水化龄期的水化放热趋势见图4。

结果表明,无论是通过理论计算还是实测水泥的水化热,HBC在不同水化龄期的水化放热比MHC约低15%,比PC水化热低20%～25%,显示出优越的热学性能。

4 高贝利特水泥混凝土的绝热温升

三峡工程是世界当代十大超巨型工程之一,工程浩大,举世瞩目。本研究模拟实际工程条件,采用三峡大坝验结果如图5所示。

由图4可知,MHC混凝土水化初期温升较快,后期温升则趋于平缓;而HBC为一新品种水泥,其绝热温升曲线自始至终都比较平缓且温升值均小于中热水泥。和中热水泥相比尚且如此,若和波特兰水泥相比,其优势则更为明显。据此可知,如果在大坝工程中采用HBC混凝土,将有利于降低大坝内部混凝土的温度应力,从而大大减少温度裂缝的产生。

6 结语

1)与通用硅酸盐水泥相比,高贝利特水泥不仅水化放热少,峰值温度低,而且温升速率小,峰值温度滞后出现6h,预示着高贝利特水泥具有优良的热学稳定性。

2)关于长龄期的水化放热,理论计算及实测值均表明,高贝利特水泥的水化放热一般比MHC约低15%,比PC水化热低20%～25%,显示出优越的热学性能。

3)和三峡工程高性能MHC大坝混凝土相比,HBC混凝土其绝热温升曲线自始至终都比较平缓且温升值均小于MHC混凝土,从而有利于降低大坝混凝土的温度应力,减少温度裂缝的产生。

参考文献

[1]SUI Tongbo.GUO Suihua.LIU Kezhong.et al.Research on High Belite Cement,PartⅠ,4th,Beijing International Symposium on Cement and Concrete,October26-29,1998

[2]隋同波,刘克忠,王晶等,高性能新型胶凝材料——高贝利特水泥的性能研究,中国硅酸盐学报,1999年第4期,p.488-492

[3]关英俊,混凝土自生体积变形试验研究,水利水电科学研究院论文集第19集(结构、材料),水利电力出版社,1982.11

[4]朱伯芳,混凝土的弹性模量、徐变与应力松弛系数,水利学报,No.9,1985

[5]Lerch,W.and Bogue.R.H.(1934)J.Res.Natl Bur.Stand.12,p645.

[6]H.F.W.Taylor,Cement and Chemistry,p.231,1990

传热学答案 第2篇

qtf1tfw2AABBh1tf1th2ttf2解：热损失为又tfw50

℃；AB

3联立得A0.078m;B0.039m

2-16 一根直径为3mm的铜导线，每米长的电阻为2.2210。导线外包有厚为1mm导热系数为0.15W/(m.K)的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为65℃，最低温度为0℃。试确定在这种条件下导线中允许通过的最大电流。

Q2lq2l(t1t2)ln(r2/r1)210.15650ln2.5/1.5119.8W解：根据题意有：

119.86IR 解得：I232.36A

-40 试由导热微分方程出发，导出通过有内热源的空心柱体的稳态导热热量计算式及壁中的温度分布。为常数。

解：有内热源空心圆柱体导热系数为常数的导热微分方程式为

1tr0rrr

2经过积分得

tc1lnrc2rr

r3/t0tw0lnr01r3因为所以得 trr0,ttw;r0,tt0r3/t0tw0lnr01lnrt0对其求导得

2-53 过热蒸气在外径为127mm的钢管内流过，测蒸气温度套管的布置如附图所示。已知套管外径d=15mm，壁厚＝0.9mm，导热系数49.1W/(m.K)。蒸气与套管间的表面传热系数h=105有的长度。W/(m.K)2。为使测温误差小于蒸气与钢管壁温度差的0.6％，试确定套管应

h01chmh0.6100, 解：按题意应使h00.6%，chmh166.7，查附录得：mharcch(166.7)5.81，mhU。

3－7 如图所示，一容器中装有质量为m、比热容为c的流体，初始温度为tO。另一流体在管内凝结放热，凝结温度为t。容器外壳绝热良好。容器中的流体因有搅拌器的作用而可认为任一时刻整个流体的温度都是均匀的。管内流体与容器中流体间的总传热系数k及传热面积A均为以知，k为常数。试导出开始加热后任一时刻t时容器中流体温度的计算式。

解：按集总参数处理，容器中流体温度由下面的微分方程式描述 A10549.10.910348.75，H5.8148.750.119mhA(TT1)cvtt1dtd

kA此方程的解为 t0t1exp(c)

0

03－10 一热电偶热接点可近似地看成为球形，初始温度为25C，后被置于温度为200C地气流中。问欲使热电偶的时间常数c1s热接点的直径应为多大？以知热接点与气流间的表面传热系数为35W/(mK)，热接点的物性为：20W/(mk)，c400J/(kgk)，8500kg/m32，如果气流与热接点之间还有辐射换热，对所需的热接点直径有何影响？热电偶引线的影响忽略不计。

解：由于热电偶的直径很小，一般满足集总参数法，时间常数为：V/AR/3tch1350850040010.29105ccvhA

5 故cm

0.617m 热电偶的直径： d2R2310.2910 验证Bi数是否满足集总参数法 Bivh(V/A)35010.2910205 0.00180.0333

故满足集总参数法条件。

若热接点与气流间存在辐射换热，则总表面传热系数h（包括对流和辐射）增加，由ccvhA知，保持c不变，可使V/A增加，即热接点直径增加。

3－12 一块单侧表面积为A、初温为t0的平板，一侧表面突然受到恒定热流密度q0的加热，另一侧表面受到初温为t的气流冷却，表面传热系数为h。试列出物体温度随时间变化的微分方程式并求解之。设内阻可以不计，其他的几何、物性参数均以知。解：由题意，物体内部热阻可以忽略，温度只是时间的函数，一侧的对流换热和另一侧恒热流加热作为内热源处理，根据热平衡方程可得控制方程为: dtcvhA(tt)Aqw0d t/t0t0

引入过余温度tt则: cvddhAAqw0 /t00

hABecvqwh 上述控制方程的解为:B0qw 由初始条件有：

h，故温度分布为: tt0exp(hAcv)qwh(1exp(hAcv))

3－13 一块厚20mm的钢板，加热到5000C后置于200C的空气中冷却。设冷却过程中钢板两侧面的平均表面传热系数为35W/(mK),钢板的导热系数为45W/(mK)，若扩散率为1.37510522m/s。试确定使钢板冷却到空气相差100C时所需的时间。2 解：由题意知BihA0.00780.1

故可采用集总参数法处理。由平板两边对称受热，板内温度分布必以其中心对称，建立微分方程，引入过余温度，则得： dcvhA0d(0)tt0

 解之得：00exp(hAcv)exp(hc(V/A))exp(h)

当10C时，将数据代入得，＝3633s

3－24 一高H＝0.4m的圆柱体，初始温度均匀，然后将其四周曲面完全绝热，而上、下底面暴露于气流中，气流与两端面间的表面传热系数均为50W/(mK)。圆柱体导热系数20W/(mk)，热扩散率5.6106m2/s。试确定圆柱体中心过余温度下降到初值

2一半时间所需的时间。解：因四周表面绝热，这相当于一个厚为20.4m的无限大平壁的非稳态导热问题，m00.5,Bih500.2200.5 F01.7,F0由图3-6查得

2a1.70.2265.61012142s3.37h6－

11、已知：平均温度为100℃、压力为120kPa的空气，以1.5m/s的流速流经内径为25mm电加热管子。均匀热流边界条件下在管内层流充分发展对流换热区Nu=4.36。

求：估计在换热充分发展区的对流换热表面传热系数。

pRT1200002873731.121kg/m3解：空气密度按理想气体公式计算，空气的与压力关系甚小，仍可按一物理大气压下之值取用，100℃时：

21.9106

kg/ms,Re1.1211.521.90.025100.03210.025619192300，故为层流。按给定条件得：

h4.36d4.365.6W/mK2。

6－

13、已知：一直管内径为16cm，流体流速为1.5m/s，平均温度为10℃，换热进入充分发展阶段。管壁平均温度与液体平均温度的差值小于10℃，流体被加热。

求：试比较当流体分别为氟利昂134a及水时对流换热表面传热系数的相对大小。解：由附录10及13，10℃下水及R134a的物性参数各为：

R134a：0.0888W/mK,0.201810水：0.574W/mK,1.30610对R134a：

Re1.50.0160.2018100.86626m/s,Pr3.915；

2m/s,Pr9.52；

1.1893100.45,2531.3W/mKh0.0231189303.9150.08880.0162

对水：

Re1.50.0161.306100.8618376,0.4h0.023183769.520.5740.0165241W/mK2

对此情形，R134a的对流换热系数仅为水的38.2%。

25、已知：冷空气温度为0℃，以6m/s的流速平行的吹过一太阳能集热器的表面。该表面尺寸为1m1m，其中一个边与来流方向垂直。表面平均温度为20℃。

求：由于对流散热而散失的热量。

tf020210解：℃

610℃空气的物性 14.1610Reul61.014.1610112,2.511052,Pr0.705

x64.2372810

Nu0.664RehPr3384.68

2384.682.51101.0

29.655w(mk)2

s111.0m

hs(twt0)9.655(200)193.1

6-27、已知：一个亚音速风洞实验段的最大风速可达40m/s。设来流温度为30℃，平板壁温为70℃，风洞的压力可取1.01310Pa。

求：为了时外掠平板的流动达到510的Rex数，平板需多长。如果平板温度系用低

55压水蒸气在夹层中凝结来维持，平板垂直于流动方向的宽度为20cm时。试确定水蒸气的凝结量。

tm7030250解：℃，查附录8得：

6

0.0283W/mK,17.9510Re40x17.95100.56m/s,Pr0.698，1 x5105,x17.95104050.50.224m，416.5，Nu0.664RePr1/30.6645100.6981/h416.50,0283/0.22452.62W/mK, 2hAt52.620.20.224703094.3W，在t70℃时，气化潜热r2334.110J/kg，凝结水量G94.336002334.11030.1454kg/h。

6-33、已知：直径为0.1mm的电热丝与气流方向垂直的放置，来流温度为20℃，电热丝温度为40℃，加热功率为17.8W/m。略去其它的热损失。

求：此时的流速。

解：

qlhdtwtf,hdtwtf30ql17.80.110540202833W/mK2

定性温度tm20402℃，60.0267W/mK,1610Nu28330.02670.1101/0.4663m/s,Pr0.701

210.61。先按表5-5中的第三种情况计算，10.610.6836NuRe0.683侧u2.1459360，符合第二种情形的适用范围。

57.6m/sd故得：Re161036030.110。

34、已知：可以把人看成是高1.75m、直径为0.35m的圆柱体。表面温度为31℃，一个马拉松运动员在2.5h内跑完全程（41842.8m），空气是静止的，温度为15℃。不计柱体两端面的散热，不计出汗散失的部分。

求：此运动员跑完全程后的散热量。

u41842.842.536004.649m/s

解：平均速度，定性温度

62tm3115223℃，空气的物性为：0.0261W/mK,15.3410Re4.6490.3515.3416m/s,Pr0.702，1060724104，按表5-5.有：

0.02661060720.805 Nu0.0266Re0.805295.5，h295.50.0261/0.3522W/mK, Aht3.14160.351.75223115677.3W

在两个半小时内共散热2.53600677.360959606.09610J6-

37、已知：如图，最小截面处的空气流速为3.8m/s，tf2635℃，肋片的平均表面温度为65℃，98W/mK,肋根温度维持定值:s1/ds2/d2,d10mm,规定肋片的mH值不应大于1.5.在流动方向上排数大于10.求：肋片应多高

解：采用外掠管束的公式来计算肋束与气流间的对流换热，定性温度“

tm3565250℃，0.0283W/mK,17.951021176m/s，Re3.80.0117.95106，由表（5-7）查得C0.482,m0.556，34.050.02830.0196.4W/mKNu0.48221170.55634.05,h

，d980.018-

15、已知材料AB的光谱发射率与波长的关系如附图所示，试估计这两种材料的发射率m4h496.419.83,H1.随温度变化的特性，并说明理由。

解：A随稳定的降低而降低；B随温度的降低而升高。理由：温度升高，热辐射中的短波比例增加。9—30、已知：如图，（1）所有内表面均是500K的黑体；（2）所有内表面均是＝0.6的漫射体，温度均为500K。求：从小孔向外辐射的能量。解：设小孔面积为2A2，内腔总表面壁为

2A1，则：

2A2r13.14160.0168.0410m1，A1r2d1Hr2r12222223.14160.020.040.040.020.016x1,2A2A18.0410436.736103m，42

4x2,11，6.736100.11941,2A20T1T2。，4411/21x2,11/11x1,2211,28.0410（1）1,1,25.6752.85W4；

8.04105.6754（2）21，10.6，10.11941/0.612.64W9-

45、已知：用裸露的热电偶测定圆管气流的温度，热电偶的指示值为t1＝170℃。管壁温度tw＝90℃，气流对热节点的对流换热系数为h＝50W/（m·K），热节点表面发射率为＝0.6。求：气流的真实温度及测温误差。解：htft10T1Tw442

，tft14C0T1h40.65.67Tw441704.433.6350100100

184.41704

热学性能 第3篇

由于我国属于农业大国, 每年稻壳产量很多, 而以往对稻壳的处理方法实属浪费。经过查找资料发现稻壳灰可以在混凝土、水泥、空心砖中应用, 既经济又环保, 具有较大的应用和推广价值[1]。因此研究如何利用废弃稻壳得到新型建筑材料具有十分深远的意义。本文以改性稻壳掺杂水泥砂浆制备墙体材料, 系统地研究了该墙体砂浆的基本性能。这为制备高性能的新型建筑材料奠定一定基础。

2 试验部分

2.1 材料制备

2.1.1 改性稻壳制备

将干燥的稻壳倒入1%硅酸钠溶液中浸泡, 24 h后捞出晾干, 重复以上操作若干次, 则可制得改性稻壳。

2.1.2 墙体材料制备

按《普通混凝土力学性能试验方法》 (GB50081) 的要求进行试样的制作。在砂浆的拌和过程直接掺入改性稻壳制备储能砂浆。并按其要求对试样进行养护。

2.2 测试与表征

2.2.1 抗压强度

参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的检测方法, 将干燥的试样放在电液式压力机的下压板上, 开动试验机进油阀门, 当试样开始变形时, 停止调整油门, 直至破坏, 记录破坏荷载。

2.2.2 抗折强度

参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的检测方法, 将干燥的试样放在试验机的支承圆柱上, 打开电源开始测验, 直至试样折断, 记录破坏荷载。

2.2.3 导热系数

试件尺寸为30 cm×30 cm×2.5 cm试件。通过测定稳定状态下流过计量单元的一维恒定热流量Q, 计量单位的面积A、试件冷、热表面的温度差△T, 可计算出试样的热阻R (R=△T·A/Q) 或热导率Cλ=1/R。

3 结果与讨论

3.1 抗压强度

表1为墙体材料抗压强度试验结果。

由表1可以看出砂浆中掺入改性稻壳后砂浆的抗压强度均有所降低, 而且随着改性稻壳掺量的增加而呈现降低趋势。

3.2 抗折强度

表2为墙体材料抗折强度试验结果。

由表2可以看出改性稻壳的掺入降低了砂浆的抗折强度, 且随着掺量的增加, 抗折强度降低程度越明显。改性稻壳掺量为3%时, 其抗折强度降低达30%左右。

3.3 导热系数

表3为稻壳改性水泥基复合材料导热系数测定结果。

从表3中可以看出, 掺入改性稻壳对水泥基复合材料的导热系数有较明显的影响。稻壳的加入, 使得水泥基复合材料导热系数减小, 且随着稻壳掺量的增大, 复合材料的导热系数减小幅度越大。当改性稻壳掺量为1%时, 复合材料的导热系数较空白样减小21%, 而当稻壳掺量为3%时, 导热系数减小幅度达到42%以上。

3.4 机理分析

随着改性稻壳的加入, 稻壳改性水泥基复合材料力学强度和导热系数呈现规律性变化, 其可能原因与复合材料的孔隙结构有关。通过对干密度和堆积密度测定, 间接反映出水泥基复合材料的孔隙结构。

表4和表5所示为墙体材料干制品密度和堆积密度试验结果。

由表中可以看出, 随着改性稻壳的加入, 水泥基复合材料的干制品密度和堆积密度呈现规律性变化。改性稻壳含量越多, 干制品密度和堆积密度越低。干制品密度和堆积密度与墙体材料孔隙率有很大的关系, 间接反映出了其孔隙率的大小。改性稻壳用量增加, 导致水泥基复合材料孔隙率增大, 力学强度减小, 导热系数减小, 起到一定的保温材料的作用。

4 结论

本文以改性稻壳掺杂水泥砂浆制备水泥基复合材料, 系统研究了该复合材料的力学和热学性能。研究结果表明:改性稻壳的掺入, 复合材料的力学强度呈现下降趋势;且稻壳掺入使得复合材料的导热系数降低, 表明该复合材料能起到一定的保温作用。干密度和堆积密度结果表明稻壳的加入使得复合材料的孔隙率增大, 最终导致复合材料力学强度和导热系数减小。

参考文献

[1]王凯英, 王显利.环境友好型替代性材料稻壳在国内建筑行业的研究进展与应用[J].安徽农业科学, 2015, 43 (4) :249-251

传热学试题 第4篇

（二）本试题分两部分，第一部分为选择题，1 页至 2 页，每二部分为非选择题，3 页至 7 页，共 7 页；选择题 20 分，非选择题 80 分，满分 100 分。考试时间 150 分钟。

第一部分 选择题

一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。

．对于过热器中：高温烟气→外壁→内壁→过热的传热过程次序为（Ａ）A ．复合换热、导热、对流换热 B ．导热、对流换热、复合换热 C ．对流换热、复合换热、导热 D ．复合换热、对流换热、导热

．温度对辐射换热的影响 对对流换热的影响。（Ｂ）

A ．等于

B ．大于

C ．小于

D ．可能大于、小于

．对充换热系数为 1000W/(m 2 · K)、温度为 77 ℃的水流经 27 ℃的壁面，其对流换热的热流密度为（Ｄ）

A ． 8 × 10 4 W/m 2 B ． 6 × 10 4 W/m 2 C ． 7 × 10 4 W/m 2 D ． 5 × 10 4 W/m 2 4 ．流体流过管内进行对流换热时，当 l/d 时，要进行入口效应的修正。（Ｃ）A ．＞ 50 B ．＝ 80 C ．＜ 50 D ．＝ 100 5 ．炉墙内壁到外壁的热传递过程为（Ｄ）A ．热对流 B ．复合换热 C ．对流换热 D ．导热 6 ．下述哪个参数表示传热过程的强烈程度？（Ａ）A ． k B ．λ C ．α c D ．α

．雷诺准则反映了 的对比关系？（Ｂ）A ．重力和惯性力 B ．惯性和粘性力 C ．重力和粘性力 D ．浮升力和粘性力 8 ．下列何种材料表面的法向黑度为最大？ Ｃ A ．磨光的银 B ．无光泽的黄铜 C ．各种颜色的油漆 D ．粗糙的沿

．在热平衡的条件下，任何物体对黑体辐射的吸收率 同温度下该物体的黑度。（Ｃ）A ．大于 B ．小于 C ．恒等于 D ．无法比较

．五种具有实际意义的换热过程为：导热、对流换热、复合换热、传热过程和（Ａ）A ．辐射换热 B ．热辐射 C ．热对流 D ．无法确定

第二部分 非选择题

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

．已知某大平壁的厚度为 10mm，材料导热系数为 45W/(m · K)，则通过该平壁单位导热面积的导热热阻为。

．已知某换热壁面的污垢热阻为 0.0003（m 2 · K），若该换热壁面刚投入运行时的传热系数为 340W（m 2 · K），则该换热壁面有污垢时的传热系数为。13 ．采用小管径的管子是 对流换热的一种措施。14 ．壁温接近换热系数 一侧流体的温度。

．研究对流换热的主要任务是求解，进而确定对流换热的热流量。16 ．热对流时，能量与 同时转移。

．导热系数的大小表征物质 能力的强弱。

．一般情况下气体的对流换热系数 液体的对流换热系数。19 ．在一定的进出口温度条件下，的平均温差最大。20 ． 是在相同温度下辐射能力最强的物体。

三、名词解释（本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分）

．稳态导热 22 ．稳态温度场 23 ．热对流 24 ．传热过程 25 ．肋壁总效率

四、简答题（本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分）

．不凝结气体含量如何影响了蒸汽凝结时的对流换热系数值？其影响程度如何？凝汽器如何解决这个问题？

．写出直角坐标系中导热微分方程的一般表达式，它是根据什么原理建立起来的？它在导热问题的分析计算中有何作用？

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 12 分，共 24 分）

．两块平行放置的平板 1 和 2，相关尺寸如图示。已知： t 1 =177 ℃、t 2 =27 ℃、ε 1 =0.8、ε 2 =0.4、X 1，2 ＝ 0.2。试用网络法求：

• 两平板之间的辐射换热量；

• 若两平板均为黑体表面，辐射换热量又等于多少？

．一台逆流式换热器用水来冷却润滑油。流量为 2.5kg /s 的冷却水在管内流动，其进出口温度分别为 15 ℃ 和 60 ℃，比热为 4174J/(kg · k)；热油进出口温度分别为 110 和 70，比热为 2190 J/(kg · k)。传热系数为 400W（m 2 · k）。试计算所需的传热面积。

传热学

（二）参考答案

一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

1• A 2 ． B 3 ． D 4 ． C 5 ． D 6 ． A 7 ． B 8 ． C 9 ． C 10 ． A

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

． 2.22 × 10 － 4（m 2 · k）/W（若没写单位，扣 0.5 分。）

． 308.5W/（m 2 · k）[ 或 309W/（m 2 · k）或 308W/（m 2 · k）]（若不写单位，扣 0.5 分）13 ．强化 14 ．较大

．对流换热系数（或α c 均可）16 ．质量（或物质）17 ．导热 18 ．小于 19 ．逆流 20 ．黑体

三、名词解释（本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分）

． 【参考答案】

发生在稳态温度场内的导热过程称为稳态导热。

（或：物体中的温度分布不随时间而变化的导热称为稳态导热。）22 ．【参考答案】

温度场内各点的温度不随时间变化。（或温度场不随时间变化。）23 ．【参考答案】

依靠流体各部分之间的宏观运行，把热量由一处带到另一处的热传递现象。24 ．【参考答案】

热量由固体壁面一侧的热流体通过固体壁面传递给另一侧冷流体的过程。25 ．【参考答案】 肋侧表面总的实际散热量与肋壁 测温度均为肋基温度的理想散热量之比。

四、简答题）本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分）

．【参考答案及评分标准】

（1）因在工业凝汽器设备的凝结温度下，蒸汽中所含有的空气等气体是不会凝结的，故称这些气体成分为不凝结气体。当蒸汽凝结时，不凝结气体聚积在液膜附近，形成不凝结气体层，远处的蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过这个气体层，这就使凝结换热过程增加了一个热阻，即气相热阻，所以 α c 降低。（3 分）

（2）在一般冷凝温差下，当不凝结气体含量为 1% 时，换热系数将只达纯净蒸汽的 40% 左右，后果是很严重的。（3 分，答 50% 左右也可）

（3）这是凝汽器必须装设抽气器的主要原因之一。（2 分）27 ． 【参考答案及评分标准】

（1）直角坐标系中导热微分方程的一般表达式为：（3 分）

（2）它是根据导热基本定律（或傅里叶定律）和能量守恒定律建立起来的。（2 分）

（3）作用：确定导热体内的温度分布（或温度场）。（3 分）

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 12，共 24 分）

． 【参考答案及评分标准】

（1）(3 分)(2 分)=1105.65W（1 分）

• 若两表面为黑体表面，则（3 分）

（2 分）

=1492.63W（1 分）

若不写单位，扣 0.5 分若直接把值代入而没写出公式，也可给分。29 ． 【参考答案及评分标准】

已知： q m2 =2.5kg/s

• 计算平均温差

（2）计算水所吸收的热量

（3 分）

（3）计算传热面积

由 得

（5 分）

(4 分)若不写单位，扣 0.5 分若没写公式，直接把值代入，也可给分。

传热学

（三）本试题分两部分，第一部分为选择题，1 页至 2 页，第二部分为非选择题，3 页至 7 页。本试题共 7 页；选择题 20 分，非选择题 80 分，满分 100 分。考试时间 150 分钟。

第一部分 选择题

一、单项选择题（本大题 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确项前的字母填在题后的括号内。1.在锅炉的炉墙中：烟气 内壁 外壁 大气的热过和序为 : 【 】 A.辐射换热 , 导热 , 复合换热 B.导热，对流换热，辐射换热 C.对流换热泪盈眶，复合换热，导热 D.复合换热，对流换热，导热

2.由表面 1 和表面 2 组成的封闭系统中： X 1,2 _____ X 2,1。A.等于 B.小于 C.可能大于，等于，小于 D.大于 3.流体流过短管内进行对流换热时其入口效应修正系数 【 】 A.=1 B.>1 C.<1 D.=0 4.在其他条件相同的情况下 , 下列哪种物质的导热能力最差 ? 【 】 A.空气 B.水 C.氢气 D.油 5.下列哪种物质中不可能产生热对流 ? A.空气 B.水 C.油 D.钢板 6.Gr 准则反映了 ________ 的对比关系。A.重力和惯性力 B.惯性力和粘性力 C.重力和粘性力 D.角系数 7.表面辐射热阻与 ________ 无关。A.表面粗糙度 B.表面温度 C.表面积 D.角系数

8.气体的导热系数随温度的升高而 【 】 A.减小 B.不变

C.套管式换热器 D.无法确定

9.下列哪种设备不属于间壁式换热器 ? 【 】 A.1-2 型管壳式换热器 ? B.2-4 型管壳式换热器 C.套管式换热器 D.回转式空气预热器 10.热传递的三种基本方式为 【 】 A.导热、热对流和传热过热 B.导热、热对流和辐射换热 C.导热、热对流和热辐射 D.导热、辐射换热和对流换热

第二部分 非选择题

二、填空题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

11.在一台顺流式的换热器中，已知热流体的进出口温度分别为 180 和 100，冷流体的进出口温度分别为 40 和 80，则对数平均温差为 ___________。

12.已知一灰体表面的温度为 127，黑度为 0.5，则其车辆射力为 ____________。13.为了达到降低壁温的目的，肋片应装在 ________ 一侧。14.灰体就是吸收率与 ________ 无关的物体。

15.冬季室内暖气壁面与附近空气之间的换热属于 ________ 换热。16.传热系数的物理意义是指 _________ 间温度差为１时的传热热流密度。17.黑度是表明物体 ________ 能力强弱的一个物理量。

18.肋壁总效率为 _______ 与肋壁侧温度均为肋基温度时的理想散热量之比。

19.在一个传热过程中，当壁面两侧换热热阻相差较多时，增大换热热阻 _______ 一侧的换热系数对于提高传热系数最有效。20.１－２型管壳式换热器型号中的“２”表示 _________。

三、名词解释（本大题５小题，每小题４分，共２０分）

21.换热器的效能（有效度）22.大容器沸腾 23.准稳态导热 24.黑体 25.复合换热

四、简答题（本大题共２小题，每小题８分，共１６分）

26.气体辐射有哪些特点？

27.为什么高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式？

五、计算题（本大题２小题，每小题１２分，共２４分）

28.某炉墙由耐火砖和保温板组成，厚度分别为 200mm 和 80mm，导热系数分别为 0.8W/(m.K)和 0.11W/(m.K)，炉墙内外侧壁温分别为 600。C 和 70。C。求炉墙单位面积的热损失和两层材料间的温度。

29.以 0.8m/s 的流速在内径为 2.5cm 的直管内流动，管子内表面温度为 60。C，水的平均温度为 30。管长２ m。试求水所吸收的热量。（已知 30。C 时 , 水的物性参数为： C p =4.17KJ/(kg.K), λ =61.8 × 10-2 W/(m.K), ρ =995.7kg/m 3 , μ =0.805 × 10-6 m 2 /s,）Pr=5.42, 水 60。C 时的 υ =469.9 × 10-6 kg/(m.s))。已知水在管内流动时的准则方程式为

（１）Nu f =0.027Re f 0.8 Pr f 0.4 ε 1 ε R 适用条件： Re f =10 4 — 1.2 × 10 5 , Rr f =0.6-120, 水与壁面间的换热温差 t ≤ 30C °

（２）Nu f =0.027Re f 0.2 Pr f 1/3(μ f / μ w)0.11 ε 1 ε R 适用条件： Re f =10 4 ~ 1.75 × 10 6 , Pr f = 0.6 ~ 700, 水与壁面间的换热温差 t > ３０ 以上两个准则方程式的定性温度均为流体的平均温度（μ w 的定性温度为管内壁温度）, 特性尺度为管内径。

传热学

（三）参考答案

一、单项选择题（本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分）

． A 2.C 3.B 4.A 5.D 6.D 7.D 8.C 9.D 10.C

二、填空题（本大题共 10 小题，每小 2 分，共 20 分）

． 61.7 ° C 或 61.7 ° C(若不写单位 , 扣 0.5 分)12 ． 725.76W/m 2 或 726W/m 2(若不写单位 , 扣 0.5 分)13 ．冷流体

．波长或 “ λ ” 复合 15.复合

．热冷流体(或＂冷热流体＂也可，＂热流体和冷流体)也可)17.辐射 18.肋壁实际散热量

19.较大或 “ 大＂、“较高” 20.管程数

三、名词解释（本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分）

．【参考答案及评分标准】

换热器的实际传热量与最大可能传热量之比。或

．【参考答案及评分标准】

高于液体饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾。

• 【参考答案及评分标准】

物体内各点温升速度不变的导热过程。

• 【参考答案及评分标准】

吸收率等于 1 的物体。

• 【参考答案及评分标准】

对流换热与辐射换热同时存在的综合热传递过程。

四、简答题（本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分）

．【参考答案及评分标准】

（1）气体的辐射（和吸收）对波长有强烈的选择性，即它只能辐射和吸收某些波长范围内的能量。

（2）气体的辐射（和吸收）是在整个容积中进行的。固体和液体不能穿透热射线，所以它们的辐射（和吸收）只在表面进行。

评分标准：（1）答出 4 分：（2）答出 4 分。27 ．【参考答案及评分标准】

（1）因为在一定的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，即采用逆流方式有利于设备的经济运行。

（2）但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。

（3）所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采用逆流布置。

评分标准：（1）答出 2 分；（2）答出 2 分；

（3）答出 3 分。

五、计算题（本大题共 2 小题，每小题 12 分，共 24 分）

热学性能 第5篇

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

无水硫酸钠(分析纯);氯化钠(分析纯);定量滤纸;去离子水。

中温马弗炉(RXL-20/18/30),合肥日新高温技术有限公司;扫描电子显微镜(EVO LS-15),德国蔡司;X-射线粉末衍射仪(D8 ADVANCE),德国布鲁克公司;差示扫描量热仪(DSC200F3),德国耐驰仪器制造有限公司。

1.2 合成及表征

首先将定量滤纸浸入NaCl和Na2SO4的混合溶液中浸泡40min,并于80℃下烘干。其次,将烘干的滤纸放入马弗炉中,以10℃/min的升温速率升温至550℃,恒温煅烧5h。然后,取出样品,自然冷却,即得具有原模板形貌的掺杂NaCl的Na2SO4产品。通过调整溶液中NaCl的摩尔浓度比,我们可得到一系列不同掺杂量的Na2SO4产品。

将上述所得掺杂NaCl的Na2SO4晶体充分吸水,并在低温下冷却结晶,即可获得相变温度可调的掺杂NaCl的相变材料Na2SO4·10H2O。最后,将所合成的产品在低温下保存以备后续检测。

分别借助扫描电子显微镜(SEM)和x-射线粉末衍射仪(XRD)对样品的形貌和衍射图谱进行采集。借助差示扫描量热仪(DSC)在N2气氛保护下,测试最终合成的产品的DSC曲线,从而得到该相变材料的热学性能(相变潜热以及相变温度)。

2 结果与讨论

2.1不同NaCl掺杂量的Na2SO4产物的SEM分析

图1为滤纸模板以及NaCl不同掺杂量下产物Na2SO4的SEM形貌图。由图1a可知,滤纸是由相互交叉的带状纤维组成的网状结构,有大量的孔洞结构。放大后,可明显看到带状纤维表面光滑,每根带状纤维的宽度大约为10~20 μm(图1b)。图1c和图1d是Na2SO4溶液浓度为0.2 mol/L时所得产物的SEM形貌图。由图1c可知,产物很好地遗传了滤纸模板的形貌,也是由带状纤维组成的网状结构,同样也有大量的孔洞结构。放大后,可发现带状纤维表面光滑,只是尺寸明显变小,宽度大约为2~5 μm(图1d)。当NaCl的掺杂量为10 mol%时,产物的形貌如图1e 和图1f。由图可知,产物仍然很好地遗传了滤纸模板的形貌,带状纤维依然清晰可见。放大后,我们可以清楚地发现,每根带状纤维相比而言不再光滑,纤维表面出现了大量的微纳米颗粒,每个颗粒的尺寸大约500 nm-1 μm。我们推测由于NaCl的引入,使得最终产物为NaCl和Na2SO4的混合物。由于这两种晶体(NaCl和Na2SO4)的性质不同,在实验中,又经历了烘干和煅烧等热处理过程,因此就产生了不光滑的表面。继续增加NaCl的掺杂量(20mol%、30mol%和40mol%),所得产物的形貌与NaCl掺杂量为10 mol%时产物的形貌相似(SEM形貌图未给出)。

2.2不同NaCl掺杂量的Na2SO4产物的XRD表征

为了验证掺杂NaCl后产物中是否含有NaCl,我们借助XRD对掺杂后的产物进行了成分分析,图2是不同NaCl 掺杂量下所得产物的XRD衍射图谱。由图可知:虽然NaCl的掺杂量不同,但是所有产物的XRD衍射图谱与Na2SO4的标准XRD衍射图谱(JCPDS file No.37-1465)和NaCl的标准XRD衍射图谱(JCPDS file No.5-628)相吻合。从而证明我们所得的产物为Na2SO4和NaCl的混合物。综合图1和图2,采用本方法我们可以得到具有滤纸形貌的掺杂NaCl的Na2SO4晶体。

2.3不同NaCl掺杂量的Na2SO4·10H2O的DSC表征

图3为不同NaCl掺杂量的Na2SO4·10H2O的DSC曲线,升温速率为3℃/min,其贮能性能见表1。由图3和表1可明显看出,纯的Na2SO4·10H2O的相变潜热高达231.1 J/g;随着NaCl掺杂量的增加,产物Na2SO4·10H2O的相变温度逐渐降低,相变潜热也随之减小。当NaCl掺杂量达到40 mol%时,产物Na2SO4·10H2O的相变温度降低约5 ℃,而相变潜热仍然保留较高值(106.2 J/g)。从而证明该条件下,掺杂的NaCl与Na2SO4·10H2O形成了低熔点的共熔混合物,使最终的相变材料的相变温度更低。同时,不可否认,NaCl的引入降低了最终产品的相变潜热。如果能够寻找到一种掺杂物,既能调整相变温度,同时相变潜热又几乎无变化或减小不多,则能大大提高该类无机水合盐相变材料的应用前景。目前,该工作正在研究中。

3 结论

以定量滤纸为生物模板、硫酸钠和氯化钠的混合溶液为前驱物,仿生合成了具有生物形貌的掺杂NaCl的Na2SO4,借助吸水和低温下的结晶过程,我们获得了相变温度可调的无机水合盐相变材料(掺杂NaCl的Na2SO4·10H2O),该材料具有较高的相变潜热,通过调整NaCl掺杂量的不同,我们可以很好地调节该水合盐相变材料的相变温度,有望大大扩展其应有范围。该方法简单易行,有望为其他相变温度可调的无机水合盐相变材料的制备提供一种帮助。

摘要：以定量滤纸为生物模板制备了具有滤纸形貌的掺杂NaCl的Na2SO4晶体,经过低温下的吸水和结晶过程合成了相变温度可调的水合盐相变材料(掺杂NaCl的Na2SO4.10H2O)。借助扫描电子显微镜(SEM)、X-射线粉末衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)对产物的形貌、晶型以及热学性质进行了表征。结果表明:产物很好地遗传了模板的形貌;最终合成的掺杂NaCl的Na2SO4.10H2O在一定范围内随着NaCl掺杂量的增加,相变温度逐渐降低,当NaCl掺杂量达到40mol%时,相变温度可降低约5℃,而相变热仍然可高达106.2J/g。该方法可用来制备其他相变温度可调的水合盐相变材料。

关键词：相变温度可调,水合盐,仿生合成

参考文献

[1]Sari A,Alkan C,Bicer A,etal.Synthesis and thermal energystorage characteristics of polystyrene-graft-palmitic acid copoly-mers as solid-solid phase change materials[J].Solar Energy Ma-terials&Solar Cells,2011,95:3195-3201.

[2]Phadungphatthanakoon S,Poompradub S,Wanichwecharungru-ang S P.increasing the thermal storage capacity of a phasechange material by encapsulation:preparation and application innatural rubber[J].ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3:3691-3696.

[3]Alkan C,Sari A,Karaipekli A,et al.Preparation,characteriza-tion,and thermal properties of microencapsulated phase changematerial for thermal energy storage[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2009,93:143-147.

[4]葛新石,龚堡,陆维德,等.太阳能工程—原理和应用[M].北京:学术期刊出版社,1988,552-570.

[5]黄保军,何琴,杨风岭,等.微纳米水合盐相变材料Na2SO4.10H2O的仿生合成与表征[J].化工新型材料,2011,39(1):52-54.

[6]黄金,柯秀芳.无机水合盐相变材料Na2SO4.10H2O的研究进展[J].材料导报,2008,22(3):63-67.

热学性能 第6篇

冷却液作为液冷散热器的工作介质,其热学性能参数将直接影响电子设备液冷散热器的结构设计和散热效率[3]。因此,在许多不同样式的液冷散热器涌现的同时,冷却液的合理选择是电子设备散热器设计的关键内容之一。

现在使用较广的冷却液主要为乙二醇型冷却液,经过长时间的使用和改进,乙二醇类冷却液在防冻和缓蚀方面都取得了良好的解决方案,因此,乙二醇类冷却液被广泛应用于汽车、航空、电子等领域。20世纪80年代,美国合成了一种新型的冷却液——合成烃基类冷却液(Poly-Alpha-Olefin fluids,PAO),该冷却液由于其良好的稳定性、安全性和较好的导热性,被广泛应用多种电子设备的散热装置中。

电子设备的散热装置对冷却液的选择使用要求,主要从安全性、流体特性和热学性能3方面去考虑。对于冷却液的安全性方面主要是针对冷却液的腐蚀性、导电性和使用环境的考虑;对于冷却液的流体特性主要是针对冷却液的黏度、比重等方面;对于冷却液的热学性能,将直接影响到电子设备散热效果,文中主要通过对乙二醇类(如65#)冷却液和PAO这两种冷却液的热学性能进行理论和实验性能比较分析,选择在热学性能方面较优的冷却液。

1 热学性能研究

1.1 冷却液热物理参数

PAO与65#冷却液的热物理参数会随温度变化而变化,并根据具体数值拟合了冷却液的参数性能变化曲线,对两种冷却液随温度的变化趋势进行了分析[4]。

如表1所示。并根据具体数值拟合了冷却液的参数性能变化曲线,对两种冷却液随温度的变化趋势进行分析。

通过PAO与65#冷却液的热物理性能参数对比可知:(1)PAO的各项物理参数随温度的变化波动都比65#冷却液小,即PAO的物理特性较65#冷却液更为稳定,并且合成烃基类冷却液PAO具有不导电性。(2)65#冷却液的比热容较PAO高20%以上,且65#冷却液的比热容会随温度升高而上升。由此可知,相同功耗下65#冷却液的温升会较PAO低。(3)在动力黏度方面,65#冷却液和PAO都随温度升高而下降,在0 ℃以上两者动力黏度近乎相同,但由于65#冷却液的密度较PAO大,65#冷却液的运动黏度较PAO小。

1.2 冷却液的热传导系数

在热性能方面,可利用冷却液热传导参数关联式对冷却液进行评价分析。对于冷却液强迫对流中的热传导问题,可以采用以下热传导参数关联式

Nu=CRmeP${}_r^n$ (1)

其中,Nu=hD/k;Re=ρVD/μ;Pr=μCp/k;C待定系数。层流时,m=0.5,n≈0.4;紊流时,m=0.8,n≈0.4,则冷却液的热传导系数为

$h=C\frac{k}{D}\left(\frac{\rho VD}{\mu }\right){}^m\left(\frac{\mu C{}_p}{k}\right){}^n(2)$

由式(2)可知,在相同的冷却系统中,不同冷却液的热传导性能比较,可以通过冷却液热传导性能相关参数密度ρ、热导率k、恒压比热容Cp和动力黏度μ来衡量。

根据冷却液的热传导系数计算公式,定义热传导参数(HTP)作为流体热传导性能参数的评定标准

HTP=ρakbC${}_{{\rm P}}^c$/μd (3)

其中,a=m;b=1-n;c=n;d=m-n。则有,层流时HTPL=ρ0.5k0.6C${}_{{\rm P}}^{0.4}$/μ0.1;紊流时HTPT=ρ0.8k0.6C${}_{{\rm P}}^{0.4}$/μ0.4。

由图5可知,65#冷却液的热传导参数(HTP)在层流和紊流下较PAO大45%以上,特别是在60 ℃以上,是PAO热传导参数的两倍以上。随着温度的升高,65#冷却液的热传导优势更加明显。

1.3 冷却液的温升比较

对电子设备的散热分析工作中,当系统处于热平衡时,冷却液的温升表明该冷却液的吸热能力,也在一定程度上反映了电子设备的表面温度。冷却液的出口温度可由冷却液进口温度与其在管路中所有温升之和来确定。两个相同的电子设备系统里,使用不同的冷却液来进行散热,可以只考虑电子元器件的功耗和表面温度对冷却液的影响,忽略液固交界面和固体内部的温度损耗。电子元器件通过以下两种方式来影响冷却液的温度:

(1)电子元件产生热量传导引起冷却液温升

$\text{Δ}{\rm T}C=\dot{q}/(\rho C{}_{{\rm P}})\dot{Q}(4)$

(2)电子元件通过冷却液对流换热形式来引起温升

$\text{Δ}{\rm T}F=\dot{q}/hA(5)$

相同能耗和流量时,两种冷却液的综合温升比值计算公式为

$\text{Δ}{\rm T}=\text{Δ}{\rm T}C+\text{Δ}{\rm T}F=\dot{q}/(\rho C{}_{{\rm P}})\dot{Q}+\dot{q}/hA(6)$

$\frac{\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}{\text{Δ}{\rm T}{}_{65\#}}=\frac{\frac{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{65\#}}{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}+\left(\frac{\dot{Q}{}_{65\#}}{A}\right)\frac{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{65\#}}{h{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}}{1+\left(\frac{\dot{Q}{}_{65\#}}{A}\right)\frac{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{65\#}}{h{}_{65\#}}}(7)$

对于非常小流量时,式(7)可近似为

$\frac{\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}{\text{Δ}{\rm T}{}_{65\#}}=\frac{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{65\#}}{(\rho C{}_{{\rm P}}){}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}(8)$

对于非常大流量时,式(8)近似为

$\frac{\text{Δ}{\rm T}{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}{\text{Δ}{\rm T}{}_{65\#}}=\frac{h{}_{65\#}}{h{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}=\frac{\text{Η}\text{Τ}\text{Ρ}\text{Τ}{}_{65\#}}{\text{Η}\text{Τ}\text{Ρ}\text{Τ}{}_{\text{Ρ}\text{A}\text{Ο}}}(9)$

由图6可知,层流状态下,在一定功耗热量的环境里,PAO的温升约为65#冷却液的1.8倍。而紊流状态下,PAO的温升与65#冷却液的温升比值不断升高,特别在60 ℃以上,PAO的温升是65#冷却液的2.6倍以上。

2 电子设备的散热比较

在从热力学理论方面对两种冷却液进行了比较分析的基础上,将两种冷却液分别作为同一电子设备系统的液冷散热工作介质,实验通过测定电子设备系统内各芯片的稳定温度来进行两种冷却液的散热工作性能比较,具体的测试系统原理如图7所示,待冷却电子设备的功耗为100 W,冷却液流量大小为7.02 g/s,经过待冷却电子设备后将热量带走,平衡电子设备内各芯片的温度。制冷器主要是保证冷却液回到油箱时的温度为25 ℃,这样循环工作中,每次冷却液进入电子设备的温度都恒定。通过温度传感器测量电子设备系统内各芯片的温度值,由数据采集器采集各路温度数据,当各芯片的温度值曲线趋向水平时,可认为系统内芯片温度达到平衡稳定。进而通过比较各芯片的稳定温度来对比分析冷却液的散热性能。

通过上述实验方法测得,分别以PAO和65#冷却液作为散热装置内的工作介质时,待冷却电子设备的平衡温度值如表2所示。

通过比较待冷却内各芯片的温度值可知,在该实验系统的散热装置中采用65#冷却液作为散热工作介质比采用PAO的散热效果更好,能使待冷却设备内的芯片温度降低10 ℃。实验结果也体现出冷却液的选择直接影响到电子设备散热装置的散热性能。

3 结束语

通过对冷却液在不同温度下的热物理参数比较分析,得到冷却液热物理参数随温度的变化趋势,可以看出PAO的物理性能参数比65#冷却液稳定,并且合成烃基类冷却液具有不导电的优势。在冷却性能满足电子设备工作需求的条件下,这一类冷却液更安全。通过对不同流态下的热传导系数和相同功耗下的冷却液温升这两方面的理论分析,可以看出,由于65#冷却液在比热容和热导率方面较PAO更具优势, 使得它在不同流态下都比PAO具有更好的热传导系数和较低的 温升。通过比较分析在电子设备系统使用不同冷却液后各芯片的平衡温度,使用65#冷却液作为工作介质芯片温度更低。

综上分析,65#冷却液比PAO具有更好的散热性能,但PAO由于其物理参数稳定和不导电性,在电子设备的散热工作中具有更好的安全性。

摘要：从3个方面对液冷散热器中冷却液的热学性能进行分析对比,包括不同温度下的热物理参数变化、不同流态下的热传导系数和相同功耗下的冷却液温升。以65#冷却液和PAO冷却液为例,对比分析表明在-20～70℃区间内65#冷却液在热学性能上较PAO更强,但物理参数的稳定性较PAO差。在同一电子设备系统的液冷散热器中使用这两种不同冷却液介质后,通过实验测量电子设备内各芯片的平衡温度,结果表明,65#冷却液较PAO具有更好的散热效果,芯片温升约可降低10℃。

关键词：冷却液,热物理参数,热传导系数,热学性能

参考文献

[1]GHAJAR A J.Comparison of hydraulic and thermal perform-ance of PAO and coolanol25R liquid coolants[J].Colorado Springs,1994(6):897-905.

[2]周建军,李庆年,冷观俊,等.汽车冷却液[M].北京:化学工业出版社,2003.

[3]陈登科.电子器件冷却技术[J].低温物理学报,2005,27(3):255-261.

热学考点扫描 第7篇

由于高考制度的改革, 在高考理综采用新课标卷的省份, 热学这部分内容变成了选考内容;没有采用新课标卷的省份, 这部分内容也经常会出一道题.相对于力学、电磁学来说, 热学试题的难度小, 容易得分, 所以在高考中有关热学的试题应该拿全分.下面对这部考点进行剖析, 希望对同学们有所帮助.

考点一、物体是由大量分子组成的

【例1】已知地球表面空气的总质量为m, 空气的平均摩尔质量为M, 阿伏加德罗常数为NA, 若把地球表面的空气全部液化后且均匀分布在地球表面, 则地球的半径将增加ΔR.为了估算ΔR, 除上述已知量之外, 还需要下列哪一组物理量 ( )

A.地球半径R

B.液体密度ρ

C.地球半径R, 空气分子的平均体积V

D.液体密度ρ, 空气分子的平均体积V

解析:由数学知识可知, 地球半径是必须获取的物理量, 故在A、C选项中判断:空气气体物质的量为$n=\frac{m}{{\rm M}}$, 空气分子个数为N=nNA, 若已知一个空气分子的平均体积V, 则所有分子 (纯体积, 可理解为不包含空隙) 的总体积为V总=NV=nVNA, 即为液化后的所有液体分子的体积.若已知地球半径R, 则可求取地球体积V地$=\frac{4\text{π}R{}^3}{3}$, 故空气液化并分布在地球表面后地球的新体积为V地+V总, 设地球的新半径为r, 则V地+V总$=\frac{4\text{π}r{}^3}{3}$, 易得地球半径增加量ΔR=r-R, 故需要已知地球的半径和每个空气分子的平均体积, C正确.

考点二、分子的热运动

1.扩散现象:

相互接触的物体互相进入对方的现象.温度越高, 扩散越快.

2.布朗运动

(1) 概念:

在显微镜下看到的悬浮在液体中的固体微小颗粒的永不停息的无规则运动, 叫做布朗运动.

(2) 规律:

颗粒越小, 运动越激烈, 温度越高, 运动越激烈.

3.分子的热运动:

分子永不停息的无规则运动叫做热运动.

4.布朗运动与热运动的关系:

布朗运动是分子永不停息地做无规则运动的间接反映, 是微观分子热运动造成的宏观现象.

考点三、分子间的作用力

1.概念:

分子间同时存在相互作用的引力和斥力, 实际表现出来的是分子引力和斥力的合力, 叫分子力.

2.特点:

分子间的引力和斥力都随分子间距离的增大而减小, 随分子距离的减小而增大, 但斥力比引力变化快.

(1) r=r0时 (约几个埃, 1埃=10-10m) , F引=F斥, 合力F=0.

(2) r<r0时, F引<F斥, 合力F表现为斥力.

(3) r>r0时, F引>F斥, 合力F表现为引力.

(4) r>10r0后, F引、F斥迅速减弱, 几乎为零, 分子力F≈0.

3.分子间作用力与分子距离关系图线如图1所示.

考点四、分子的平均动能、势能和内能

1.分子的平均动能

(1) 定义:

物体内所有分子动能的平均值.

(2) 决定因素:

仅与物体的温度有关, 而与其他任何量无关.

2.分子势能

(1) 概念:

由分子间的相互作用和相对位置决定的能量.

(2) 分子势能大小的相关因素

①微观上:

分子势能的大小与分子间距有关.

当分子间距离改变时, 分子力做功, 分子势能也相应变化.分子力做正功, 分子势能减少;分子力做负功, 分子势能增大.若规定无穷远处分子势能为零, r=r0时, 分子势能最小且为负值;r>r0时, 分子势能随分子间距离的增大而增大;r<r0时, 分子势能随分子间距离的减小而增大.

②宏观上:

与物体的体积有关.大多数物体是体积越大, 分子势能越大, 也有少数物体 (如冰、铸铁等) , 体积变大, 分子势能反而变小.

3.物体的内能

(1) 定义:

物体内所有分子的动能和势能的总和.

(2) 决定因素

①微观上:

分子动能、分子势能、分子数.

②宏观上:

温度、体积、物质的量 (摩尔数) .

特别注意:一定质量的理想气体 (分子势能可以忽略的气体) 的内能只和温度有关.

【例2】如图2所示为两分子间距离与分子势能之间的关系图象, 则下列说法中正确的是 ( )

A.当两分子间距离r=r1时, 分子势能为零, 分子间相互作用的引力和斥力也均为零

B.当两分子间距离r=r2时, 分子势能最小, 分子间相互作用的引力和斥力也最小

C.当两分子间距离r<r1时, 随着r的减小, 分子势能增大, 分子间相互作用的引力和斥力也增大

D.当两分子间距离r>r2时, 随着r的增大, 分子势能增大, 分子间相互作用的引力和斥力也增大

解析:当两分子间距离r=r1时, 分子势能为零, 但r<r0, 分子力表现为斥力, 选项A错误;由于r2=r0, 分子势能最小, 分子间相互作用的引力和斥力相等但不是最小, 选项B错误;当r>r2时, 由图象可以看出分子势能随着r的增大而增大, 而分子间相互作用的引力和斥力逐渐减小, 选项D错误.综合上面分析:本题答案选C.

考点五、热力学定律

1.热力学第一定律

(1) 内容:

一般情况下, 如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程, 外界对物体做的功W与物体从外界吸收的热量Q之和等于物体的内能的增加量ΔU.

(2) 表达式:

ΔU=W+Q.

(3) 对公式ΔU=Q+W符号的规定:

2.热力学第二定律两种表述

(1) 不可能使热量由低温物体传递到高温物体, 而不引起其他变化.

(2) 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来对外做功, 而不引起其他变化.

【例3】关于一定量的气体, 下列叙述正确的是 ( )

A.气体吸收的热量可以完全转化为功

B.气体体积增大时, 其内能一定减少

C.气体从外界吸收热量, 其内能一定增加

D.外界对气体做功, 气体内能可能减少

解析:由热力学第二定律的表述之一:不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功, 而不引起其他变化, 知A选项正确;气体的内能由气体的温度和体积共同决定, 气体体积增大, 内能不一定减少, 故B项错误;由热力学第一定律:ΔU=Q+W, 若物体从外界吸热, 即Q>0但同时对外做功, 即W<0且Q+W<0, 则内能减少, 故C错;若外界对气体做功, 即W<0, 但同时从外界吸热, 即Q>0, 且Q+W<0, D项正确.综合上面分析, 本题答案选AD.

【例4】如图3所示, 水平放置的密封气缸内的气体被一竖直隔板分隔为左右两部分, 隔板可在气缸内无摩擦滑动, 右侧气缸内有一电热丝.气缸壁和隔板均绝热.初始时隔板静止, 左右两边气体温度相等.现给电热丝提供一微弱电流, 通电一段时间后切断电源.当缸内气体再次达到平衡时, 与初始状态相比 ( )

A.右边气体温度升高, 左边气体温度不变

B.左右两边气体温度都升高

C.左边气体压强增大

D.右边气体内能的增加量等于电热丝放出的热量

解析:由于气缸壁和隔板都绝热, 内部气体之间、内部气体与外界气体之间都没有热传递.当电热丝通电后, 右边的气体温度升高、压强增大而左边气体压强不变, 右边气体对隔板的压力大于左边, 将隔板向左推, 压缩左边的气体做功, 根据热力学第一定律, 左边气体的内能增加, 气体的温度升高, 左边的气体压强增大, 选项A错误, B、C正确;由于右边气体通过隔板对左边气体做功要消耗内能, 右边气体内能的增加量为电热丝放出的热量减去对左边气体所做的功, 选项D错.综合上面分析, 本题答案选BC.

考点六、气体

1.描述气体状态的物理量

(1) 体积V.气体分子所能达到的空间的体积, 密闭容器中气体的体积等于容器的容积.

(2) 温度 (T或t) .摄氏温标与热力学温标关系:T= (t+273) K, ΔT=Δt.

(3) 压强p.

①气体的压强:气体作用在器壁单位面积上的压力.

②气体压强的特点:封闭气体压强处处相等.

③单位:国际单位是帕 (Pa) , 常用单位有标准大气压 (atm) 、厘米汞柱 (cmHg) 和毫米汞柱 (mmHg) .换算关系是:1atm=76cmHg=1.013×105Pa.

考点七、理想气体状态方程

1.理想气体的分子模型.

理想气体是一种理想化模型, ①分子本身大小可忽略;②分子间除碰撞外不计分子之间的相互作用力, 无分子势能, 内能只与温度有关;③分子间的碰撞看成弹性碰撞.

实际气体在温度不太低、压强不太大时, 可近似看作理想气体.

2.理想气体状态方程.

①内容:一定质量的理想气体发生状态变化时, 它的压强与体积的乘积跟热力学温度的比值保持不变, 这种关系称为理想气体的状态方程.

②数学表达式:$\frac{pV}{{\rm T}}=$恒量或$\frac{p{}_{1}V{}_1}{{\rm T}{}_1}=\frac{p{}_{2}V{}_2}{{\rm T}{}_2}.$

【例5】 (2011年新课标理综物理33题) 如图4所示, 一上端开口、下端封闭的细长玻璃管, 下部有l1=66cm的水银柱, 中间封有长l2=6.6cm的空气柱, 上部有长l3=44cm的水银柱, 此时水银面恰好与管口平齐.已知大气压强为p0=76cmHg.如果使玻璃管绕低端在竖直平面内缓慢地转动一周, 求在开口向下和转回到原来位置时管中空气柱的长度.封入的气体可视为理想气体, 在转动过程中没有发生漏气.

解析:设玻璃管开口向上时, 空气柱的压强为

P1=P0+ρgl3 ①

式中, ρ和g分别表示水银的密度和重力加速度.

玻璃管开口向下时, 原来上部的水银有一部分会流出, 封闭端会有部分真空.设此时开口端剩下的水银柱长度为x, 则

P2=ρgl1

P2+ρgx=P0 ②

式中, P2为管内空气柱的压强.由玻意耳定律得

P1 (Sl2) =P2 (Sh) ③

式中, h是此时空气柱的长度, S为玻璃管的横截面积.由①②③式和题给条件得

h=12cm ④

从开始转动一周后, 设空气柱的压强为P3, 则

P3=P0+ρgx ⑤

由玻意耳定律得

P1 (Sl2) =P3 (Sh′) ⑥

式中, h′是此时空气柱的长度.由①②③④⑤⑥式得

h′≈9.2cm.

【点拨】本题要特别注意玻璃管开口向下时, 原来上部的水银有一部分会流出, 封闭端会有部分真空.

【例6】如图5所示, 一直立的汽缸用一质量为m的活塞封闭一定量的理想气体, 活塞横截面积为S, 汽缸内壁光滑且缸壁是导热的, 开始活塞被固定, 打开固定螺栓K, 活塞下落, 经过足够长时间后, 活塞停在B点, 已知AB=h, 大气压强为p0, 重力加速度为g.

(1) 求活塞停在B点时缸内封闭气体的压强;

(2) 设周围环境温度保持不变, 求整个过程中通过缸壁传递的热量Q (一定量理想气体的内能仅由温度决定) .

解析:①设封闭气体的压强为p, 活塞受力平衡

P0S+mg=pS

解得$p=p{}_0+\frac{mg}{S}.$

②由于气体的温度不变, 则内能的变化ΔE=0,

由热力学第一定律ΔE=W+Q可得:放热Q= (p0S+mg) h.

考点八、气体热现象的微观意义

1.气体分子运动的特点

①由于气体分子间的距离较大 (约为分子直径的10倍) , 故气体分子可看作质点.

②气体分子间的碰撞十分频繁.

③气体分子运动的统计规律:某任一时刻, 气体分子沿各方向运动的机会均等, 即沿各个方向运动的分子数目相同;大量分子的无规则运动, 其速率按一定规律分布, 即“中间多、两头少”的分布规律 (“中间多”是指处于中间速率的分子数多;“两头少”是指速率很大的和速率很小的分子数少) .

2.分子的平均动能

①意义:物质分子由于热运动而具有的动能的平均值, 叫分子平均动能.

②温度是分子平均动能的标志.物质分子的平均动能取决于温度, 与物质机械运动情况无关.

考点九、晶体的微观结构

1.晶体的微观结构特点:

组成晶体的物质微粒有规则地、周期性地在空间排列.

2.用晶体的微观结构解释晶体的特点.

①晶体有天然的规则几何形状是由于内部微粒有规则地排列;②晶体表现为各向异性是由于从内部任何一点出发, 在不同方向上相等距离内微粒数不同;③晶体的多型性是由于组成晶体的微粒不同的空间排列形成的.

【例7】晶体在熔化过程中所吸收的热量, 主要用于 ( )

A.破坏空间点阵结构, 增加分子动能, 不改变体积

B.破坏空间点阵结构, 增加分子势能, 改变体积

C.重新排列空间点阵结构, 增加分子势能, 同时增加分子动能和改变体积

D.重新排列空间点阵结构, 但不增加分子势能和动能, 也不改变体积

解析:晶体熔化过程中保持温度不变, 所以分子的平均动能不变, 所以选项A、C都不对;晶体分子是有序排列的空间点阵结构, 熔化成液体后分子排列是无序的, 故选项D不对;晶体熔化的过程是破坏空间点阵结构的过程, 空间点阵结构被破坏以后, 分子排列无序, 故体积改变, 分子势能增加, 选项B正确.

考点十、液体的表面张力

1.作用:

液体的表面张力使液面具有收缩的趋势.

2.方向:

表面张力跟液面相切, 跟这部分液面的分界线垂直.

3.大小:

液体的温度越高, 表面张力越小;液体中溶有杂质时, 表面张力变小;液体的密度越大, 表面张力越大.

考点十一、液晶

1.物理性质

(1) 具有液体的流动性;

(2) 具有晶体的光学各向异性;

(3) 在某个方向上看其分子排列比较整齐, 但从另一方向看, 分子的排列是杂乱无章的.

2.应用

(1) 利用液晶上加电压时旋光特性消失, 实现显示功能, 如电子手表、计算器、微电脑等.

(2) 利用温度改变时液晶颜色会发生改变的性质来测温度.

【例8】关于液晶, 下列说法中正确的是 ( )

A.液晶是一种晶体

B.液晶分子的空间排列是稳定的, 具有各向异性

C.液晶的光学性质随温度的变化而变化

D.液晶的光学性质不随温度的变化而变化

解析:液晶的微观结构介于晶体和液体之间, 虽然液晶分子在特定的方向排列比较整齐, 具有各向异性, 但分子的排列是不稳定的, 所以选项A、B错误;外界条件的微小变化都会引起液晶分子排列的变化, 从而改变液晶的某些性质, 如温度、压力、外加电压等因素的变化, 都会引起液晶光学性质的变化.综合上面分析, 本题答案选C.

图象与热学计算题 第8篇

用热量公式Q = cmΔt分析某些问题时, 涉及温度的状态量和变化量较多, 此时, 若将抽象的逻辑推演用直观的图线表示, 将物理量间的代数关系转化为几何关系, 便可化繁为简. 温度随时间的变化, 可反映在坐标图象上, 图象在热学中应用很广泛. 认识图象、绘制图象、分析图象是很有必要的.

一、认识图象, 看懂温度随时间变化的规律

例1将装有热奶的奶瓶放入室温的水中, 温度随时间变化的图象如图1, 问热奶和水的初温各是多少? 它们的温度后来发生了怎样的变化?

分析: 因为热奶的温度高于水的温度, 所以上、下方曲线分别是热奶和水的温度随时间变化曲线. 热奶的初温是90℃ , 水的初温是20℃ . 在最初10 min, 热奶放热, 温度下降, 水吸热, 温度升高. 10 min后, 二者温度相同, 达到平衡状态, 保持40℃不变.

二、绘制图象, 使物理过程清晰

例2向100 g、50℃的水中投入50 g、0℃的冰, 最终得到7℃的水. 求出冰全部溶化成0℃的水时吸收的热量.

分析: 温度随时间变化的图象大致如图2, 包含两种物质 ( 水和冰) 的三种物理过程.

DB段是水的降温过程, 放出的热量

QDB= c水m水 ( 50℃ - 7 ℃) =18060 J

OA段是冰的溶化过程, 吸收的热量为QOA;

AB段是冰全部溶化成水后的升温过程, 吸收的热量.

QAB= c冰m冰 ( 7 ℃ - 0℃) = 1470 J,

由 Q吸= Q放, 得 QOA+ QAB= QDB,

所以, 冰全部溶化成0℃的水时吸收的热量

三、绘制图示, 巧解热学题

例3两个温度和质量都相同的金属球甲和乙, 先把甲球放入盛有热水的杯中, 热平衡后水温降低了Δt, 把甲球取出, 再

将乙球放入杯中, 热平衡后水温又降低了Δt, 则两球比热的大小关系是 ()

( A) c甲> c乙 ( B) c甲< c乙

( C) c甲= c乙 ( D) 无法确定

分析: 前后两过程水温都降低了Δt, 说明两过程中水放出了相同的热量, 甲球放入杯中达到热平衡后水温为 ( t水初- Δt ) , 乙球放入杯中达到热平衡后水温为 ( t水初- 2Δt ) . 根据题意和分析作出图3, 由图3可以看出, Δt甲> Δt乙, 根据Q吸= Q放及Q= cmΔt得, c甲< c乙, 故选 ( B) .

例4甲、乙两杯中分别盛有60℃和20℃的质量相同的水, 现将一温度为20℃的铁球放入甲杯中足够长时间, 取出后再放入乙杯, 停留足够长时间, 如果不计热量损失, 比较甲、乙两杯水的温度变化, 则 ( )

( A) Δt甲> Δt乙 ( B) Δt甲< Δt乙

( C) Δt甲= Δt乙 ( D) 无法确定

分析: 把20℃的球放入60℃的甲杯水中, 达到热平衡后, 水温下降Δt甲, 球的温度升高到 ( 60℃ - Δt甲) , 即球的温度升高了 ( 40℃ - Δt甲) 作出图4; 然后把温度为 ( 60℃ - Δt甲) 的球放入20℃的乙杯水中, 达到热平衡后, 水温升高Δt乙, 球的温度降低到 ( 20℃ + Δt乙) , 即球的温度下降了 ( 40℃ - Δt甲- Δt乙) , 作出图5.

对前一过程, 根据Q球吸= Q水放, 得

c球m球 ( 40℃ - Δt甲) = c水m水Δt甲⑴

对后一过程, Q水吸= Q球放, 即

c水m水Δt乙= c球m球 ( 40℃ - Δt甲- Δt乙) ( 2)

由 ( 1) ( 2) , 得Δt甲Δt乙=40℃ - Δt甲40℃ - Δt甲- Δt乙> 1.

直击高考热学综合题 第9篇

高考试题中热学内容常以选择题出现, 还要尽可能考查更多的内容, 故试题多以综合题型出现, 涉及知识面广泛, 需要综合素质较高, 解决起来并不容易, 因此也要引起足够的重视, 下面笔者结合教学中的经验谈一下解决此类问题的方法.

第一、研究对象常是封闭的气体 (质量一定) , 针对某一热学过程 (发生状态变化) , 应用热力学第一定律:ΔU=Q+W.对于气体来说, 一般情况下不考虑分子引力作用, 即分子势能, 那么内能仅与温度有关, 且温度升高 (或降低) , 内能增加 (或减小) ;而在此过程中, 气体体积的变化, 常伴随着做功而与外界发生能量的转化, 且气体的体积增加时, 气体对外界做功, 相反外界对气体做功;再结合热力学第一定律, 得出此过程中是吸热还是放热.

第二、气体的状态参量 (压强 p、体积V和温度T) 在某一热力学过程中, 当发生状态改变时, 至少要有两个参量发生变化, 或者都要发生变化, 常由气体的状态方程$\frac{{\rm P}V}{{\rm T}}=C$ (常量) 得出状态参量的变化.

例1 一定质量的理想气体, 在温度不变的情况下, 设法使其压强增大, 则在这个过程中 ( )

(A) 气体的密度增加

(B) 气体分子的平均动能增大

(C) 外界对气体做了功

(D) 气体从外界吸收了热量

解析:气体的温度不变, 而压强增大, 由气体的状态方程知, 其体积必减小, 因此密度增加, 外界对气体做功, (A) 、 (C) 正确;温度不变, 分子的平均动能不变, 气体的内能也不变, 而外界对气体做功, 由热力学第一定律知, 此过程中气体放热, (B) 、 (D) 错.答案为 (A) 、 (C) .

例2 一钢筒内装有压缩空气, 当打开阀门后, 气体迅速从阀门冲出, 很快筒内气体的压强与大气压强 p0 相同, 然后立即关闭阀门, 如果钢筒外部环境温度不变, 经较长时间后筒内气体的压强 ( )

(A) 等于 p0 (B) 大于 p0

(C) 小于 p0 (D) 无法确定

解析:当打开阀门时, 气体迅速从钢筒中冲出, 体积膨胀, 对外做功, 此过程时间较短, 可认为不与外界交换热量, 由热力学第一定律知, 气体的内能减小而温度降低, 低于外界温度;当气体的压强与外界相等时, 立即关闭阀门成为封闭气体, 此时比外界温度低, 要从外界吸收热量, 最终达到与外界温度相等, 而在此过程气体的体积不变, 温度升高, 由气体的状态参量方程, 压强大于外界大气压强 p0.选 (B) .

总结:通过例1和例2, 可以体会到第一和第二种方法往往结合起来解决问题.

第三、有时要利用力学知识 (比如平衡条件) 对系统 (如活塞等) 进行受力分析, 判定封闭气体的压强的变化.

例3 如图1所示, 上端开口的绝热气缸直立于地面上, 光滑绝热的活塞把一定质量的气体 (气体分子间的作用力忽略不计) 封闭在气缸中, 活塞上堆放细砂, 并处于静止状态.现在不断取走细砂, 使活塞缓慢上升, 直到细砂全部取走, 则在此过程中 ( )

(A) 气体的压强不变

(B) 气体单位体积内的分子数减少

(C) 气体的内能不变

(D) 气体分子的平均动能减小

解析:当不断取走细砂, 而使活塞缓慢上升 (可认为始终处于平衡状态) , 对活塞受力分析可知, 封闭气体的压强减小, (A) 错;气体的体积增大, 因此单位体积内的分子数减少, (B) 正确;气体的体积增加, 对外做功, 而气缸绝热与外界没有热交换, 由热力学第一定律知, 内能减小, 温度降低, 分子平均动能减小, (C) 错、 (D) 正确.答案选 (B) 、 (D) .

例4 如图2所示, 导热气缸开口向下, 内有理想气体, 缸内活塞可以自由滑动且不漏气, 活塞下挂一个砂桶, 桶内装满砂子时, 活塞恰好静止.现在降低气缸外部环境温度, 则 ( )

(A) 气体的压强增大, 内能可能不变, 气体一定对外界做功

(B) 气体压强减小, 内能一定减小, 外界一定对气体做功

(C) 气体的体积减小, 压强不变, 放出的热量大于内能减小

(D) 气体的体积增大, 压强减小, 放出的热量等于内能减小

解析:对活塞受力分析, 活塞静止处于平衡状态, 可得封闭气体的压强不变, (A) 、 (B) 错;现在气缸外部的温度降低, 因气缸导热因此封闭气体放热, 而使温度总等于外界温度, 由气体的状态方程可知, 压强不变, 而温度降低, 其体积必减小, 外界对气体做功, 再由热力学第一定律, 放出的热量等于做功的多少和内能的减小量之和, 选 (C) .答案选 (C) .

例5 如图3所示, 绝热隔板K把绝热的气缸分隔成体积相等的两部分, K与气缸壁的接触是光滑的.两部分中分别盛有相同质量、相同温度的同种气体 a 和 b.气体分子之间相互作用势能可忽略.现通过电热丝对气体 a 加热一段时间后, a、b 各自达到新的平衡 ( )

(A) a 的体积增大了, 压强变小了

(B) b 的温度升高了

(C) 加热后 a 的分子热运动比 b 分子热运动更激烈

(D) a 增加的内能大于 b 增加的内能

解析:最初气体的温度、体积和压强都相同, 当气体 a 的温度升高, 假设其体积不变, 由气体的状态方程知, 其压强必增大, 而大于右侧气体 b 的压强, 使活塞向右运动而达到新的平衡, 平衡时气体的体积有Va>V0>Vb (V0是最初的体积) , 且压强仍然相等.对于气体 b, 活塞 (实际是气体 a) 对它做功, 且绝热而不与外界热交换, 由热力学第一定律知, 内能增加, 温度升高, 又知其体积减小, 由气体的状态方程知, 压强增加, 因此气体 a 的压强也增大, (A) 错、 (B) 正确;再对气体 a 分析, 压强与体积同时增大, 由气体状态方程知, 温度必升高;综合考虑气体 a、b, 因最初状态相同, 即$\frac{{\rm P}V}{{\rm T}}=c$相等, 气体的内能相等, 加热后气体的压强也相等, 但它们体积有Va>V0>Vb, 由气体的状态方程知其温度关系有Ta>Tb>T0 (T0为最初的温度) , 因此它们的内能有气体 a 大于气体 b, (C) 、 (D) 正确.答案: (B) 、 (C) 、 (D) .

第四, 气体状态参量的微观解释, 温度是分子的平均动能的标志;体积的变化使分子平均间距变化, 同时单位体积内分子数 (分子数密度) 也变化;而气体的压强与分子数密度和分子的平均动能有关.

例6 (2008年全国Ⅱ卷14题) 对一定量的气体, 下列说法正确的是 ( )

(A) 气体的体积是所有气体分子的体积之和

(B) 气体分子的热运动越剧烈, 气体温度就越高

(C) 气体对器壁的压强是由大量气体分子对器壁不断碰撞而产生的

(D) 当气体膨胀时, 气体分子之间的势能减小, 因而气体的内能减少

解析:气体的体积是所有气体分子所占空间体积之和, (A) 错.气体分子热运动越剧烈, 分子的平均动能越大, 则气体温度越高, (B) 对.据压强产生原因是大量气体分子不断地撞击器壁而产生的, (C) 对.气体膨胀时, 分子之间距离增大, 分子力表现为引力做负功, 分子势能增加, 气体内能如何变化不知, (D) 错.正确答案 (B) 、 (C) .

强化练习:1.游泳馆的恒温游泳池中, 有一空气泡从水池底部缓慢上升.在上升过程中, 空气泡内的气体质量不变, 且可视为理想气体, 则下列说法正确的是 ( )

(A) 气体对外做功

(B) 气体的密度不断增大

(C) 气体不断放热

(D) 气体的压强不断增大

答案: (A) .

2.如图4所示, 用金属材料制成的气缸中封闭着一定质量的理想气体.活塞与气缸间无摩擦也不漏气.现对气缺加热, 使缸内气体温度缓慢升高, 则 ( )

(A) 缸内气体的压强增大

(B) 缸内气体的体积增大

(C) 缸内气体的内能增加

(D) 缸内气体对外做功, 内能可能不变化

答案: (B) 、 (C) .

3.如图5所示的密闭容器与外界没有热交换, 容器内有一个可以自由移动但不漏气的不导热活塞M, 将容器分成相等的 a、b 两部分, 并盛有质量相等、温度相同的同种理想气体, 开始时将活塞M固定, a 中容器两侧固定着压缩弹簧.现在将活塞放开弹簧开始伸长, 从放开活塞M到活塞运动到最右端的这一过程中, 下列说法正确的是 ( )

(A) a 中气体温度不变, b 中气体的温度升高

(B) a、b 中气体内能均增加

(C) a 中气体内能减少量比 b 中气体的增加少

(D) a 中气体的压强减少, b 中气体的压强增大

答案: (C) 、 (D) .