环境工程原理-思考题参考答案

1007环境工程原理复习1_Fang-1-第二章质量衡算与能量衡算第一节第一节第一节第一节常用物理量常用物理量常用物理量常用物理量（1）什么是换算因数？英尺和米的换算因数是多少？同一物理量采用不同单位制的单位度量时，其数值比称为换算因数。例如1m长的管用英尺度量时为3.2808ft，则英尺与米的换算因数为3.2808。（2）什么是量纲和无量纲准数？单位和量纲的区别是什么？用来描述物体或系统物理状态的可测量性质称为它的量纲（MLtTMLtTMLtTMLtT量纲体系）。由各种变量和参数组合而成的没有单位的群数，称为无量纲准数（ReReReRe，PrPrPrPr），无量纲准数既无量纲，又无单位，其数值大小与所选单位制无关。量纲与单位的区别：量纲是可测量的性质；单位是测量的标准，用这些标准和确定的数值可以定量地描述量纲。（3）质量分数和质量比的区别和关系如何？试举出质量比的应用实例。质量分数xmA：mg/kg，氨的质量/溶液的质量；质量比XmA：mg/kg，氨的质量/水的质量。质量比与质量分数的关系：mAmAmAxxX−=1在水处理中，污水中的污染物浓度一般较低，1L污水的质量可以近似认为等于1000g，所以实际应用中，常常将质量浓度和质量分数加以换算，即1mg/L相当于1mg/1000g＝1×10-6（质量分数）=1ppm；1μg/L相当于1μg/1000g＝1×10-9（质量分数）=1ppb（4）大气污染控制工程中经常用体积分数表示污染物的浓度，试说明该单位的优点，并阐述与质量浓度的关系。在大气污染控制工程中，常用体积分数表示污染物质的浓度。例如mL/mmL/mmL/mmL/m3333，则此气态污染物质浓度为10101010-6-6-6-6。1摩尔任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积，因此可以用体积分数表示污染物质的浓度，在实际应用中非常方便；同时，该单位的最大优点是与温度、压力无关。例如，10-6（体积分数）表示每106体积空气中有1体积的污染物，这等价于每106摩尔空气中有1摩尔污染物质。又因为任何单位摩尔的物质有着相同数量的分子，10-6（体积分数）也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子。对于气体，体积分数和质量浓度之间的关系和压力、温度以及污染物质的分子量有关。对于理想气体，可以用理想气体状态方程表示，即：RTnpVAA=。现推导体积分数VA/V和质量浓度Aρ之间的关系：331010−−×=⇒×==AAAAAAAMnVVMnVmρρ，pRTnVAA=1007环境工程原理复习1_Fang-2-所以可得：AAApMRTVVρ310×=（5）平均速度的涵义是什么？用管道输送水和空气时，较为经济的流速范围为多少？（主体）平均流速mu按体积流量相等的原则定义：AqAudAuVAm==∫。流速影响流动阻力和管径，因此直接影响系统的操作费用和基建费用。一般地，液体的流速取0.5~3.0m/s,0.5~3.0m/s,0.5~3.0m/s,0.5~3.0m/s,气体则为10~30m/s10~30m/s10~30m/s10~30m/s。第二节第二节第二节第二节质量衡算质量衡算质量衡算质量衡算（1）进行质量衡算的三个要素是什么？输入物料质量－输出物料质量=内部积累物料质量mmm∆=−21（2）简述稳态系统和非稳态系统的特征。稳态系统：内部物质浓度恒定，不随时间变化，0=dtdm，021=+−mrmmqqq非稳态系统：内部物质质量和浓度随时间变化，dtdmqqqmrmm=+−21（3）质量衡算的基本关系是什么？输入量－输出量＋反应量=累计量dtdmqqqmrmm=+−21，Vkqmrρ−=组分不发生反应时，0=mrq（4）以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？全部组分不考虑内部反应变化，dtdmqqmm=−21（5）对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则Vkqmrρ−=，负号表示污染物随时间的增加而减少，k反应速率常数，s-1或d-1，ρ物质浓度，V体积。第三节第三节第三节第三节能量衡算能量衡算能量衡算能量衡算（1）物质的总能量由哪几部分组成？系统内部能量的变化与环境的关系如何？1007环境工程原理复习1_Fang-3-物料所具有的各种能量之和，即总能量静压能位能动能内能EEEEE+++=系统内能量的变化E∆＝（输出系统的物料的总能量）－（输入系统的物料的总能量）＋（系统内物料能量的积累）。任何系统经过某一过程时，其内部能量的变化等于该系统从环境吸收的热量与它对外所作的功之差，即WQE−=∆（2）什么是封闭系统和开放系统？开放系统：流体携带能量进出系统（同时有物质和能量交换）封闭系统：系统与外界没有物质交换，只有能量交换（热量，作功）（3）简述热量衡算方程的涵义。单位时间系统物料总能量的变化：qFPEHHE+−=∆∑∑'，物质的焓：pVEH+=（焓值是温度与物态的函数，因此进行衡算时除选取时间基准外，还需要选取物态与温度基准，通常以273K273K273K273K物质的液态为基准）由此可推出系统能量衡算方程：qEHHqFP=+−∑∑单位时间输出系统的物料的焓值总和，即物料带出的能量总和单位时间输入系统的物料的焓值总和，即物料带入的能量总和单位时间系统内能量的积累单位时间环境输入系统的热量，即系统的吸热量（4）对于不对外做功的封闭系统，其内部能量的变化如何表现？封闭系统－与环境没有物质交换的系统，0,0==∑∑FPHH，所以qEq=，系统从外界吸收的热量等于内部能量的积累，内部能量无相变情况下表现为温度的变化：a.恒压过程中，体系所吸收的热量全部用于焓的增加，即HmQ∆⋅=，TcHp∆⋅=∆b.恒容、不做非体积功的条件下，体系所吸收的热量全部用于增加体系的内能，即emQ∆⋅=，TceV∆⋅=∆对于固体或液体：Vpcc=，有相变情况下吸收或放出的潜热mrQ=（5）对于不对外做功的开放系统，系统能量能量变化率可如何表示？开放系统－与环境既有物质交换又有能量交换的系统，对于稳态过程，0=qE，所以qHHFP=−∑∑。当只有一种物料流经系统输入或输出热量时，因物料进入系统而输入的能量为2HqHmP=∑，因物料离开系统所输出的能量为1HqHmF=∑，则系统的能量变化率为()12HHqHHmFP−=−∑∑a.当物料无相变时，若定压比热容不随温度变化，或取物料平均温度下的定压比热容时：1007环境工程原理复习1_Fang-4-()TcqHHqHHpmmFP∆=−=−∑∑12b.当物料有相变时，如热流体为饱和蒸汽，放出热量后变为冷凝液。1。冷凝液以饱和温度离开系统：()rqHHqHHmmFP=−=−∑∑122。物料离开系统的温度低于饱和温度：()TcqrqHHqHHpmmmFP∆+=−=−∑∑12物料经过系统放出潜热时，r为负值！第四章热量传递第一节第一节第一节第一节热量传递的方式热量传递的方式热量传递的方式热量传递的方式（1）什么是热传导？定义：热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。特点：导热是静止物体的一种传热方式，不依靠物质的宏观位移，传热速率相对较慢。必要条件：温度差是热传导的必要条件（2）什么是对流传热？分别举出一个强制对流传热和自然对流传热的实例。定义：依靠流体的宏观位移，将热量由一处带到另一处的传递现象。类型：1）自然对流：温度差引起密度差异2）强制对流：泵、风机、搅拌等外力所致工程常见形式：流体与固体壁面之间的传热——对流传热。对流传热过程伴随着流体质点间的热传导。（3）简述辐射传热的过程及其特点定义：因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，物体将热能变为辐射能，以电磁波的形式在空中传播，当遇到另一物体时，又被全部或部分地吸收而变为热能。辐射传热是高温情况下主要传热方式特点：1)不需要介质；2)Ea∝T4（4）试分析在居室内人体所发生的传热过程，设室内空气处于流动状态。人体的四种传热方式：1）辐射传热：热量由人体表面通过电磁波的形式传至另一个与它不接触物体表面，在居室内人体与环境的热量辐射是相互的。辐射传热量要受两方面因素的影响：皮肤与环境间的温度差与机体有效辐射面积。2）热传导：传导是机体的热量直接传给同它接触的温度较低的物体的一种传热方式。传导热量取决于所接触物体的导热性能。3）对流传热：对流是指通过气体或液体的流动来交换热量的一种热量传递方式。对流传热量受气体或液体流动速度的影响，它们之间呈正比关系。4）蒸发散热：水分由液态转变为气态，同时带走大量热量的一种传热方式。蒸发传热过程要借助对流实现。（5）若冬季和夏季的室温均为18°C，人对冷暖的感觉是否相同？在哪种情况下觉得更暖和？为什么？1007环境工程原理复习1_Fang-5-不相同，在冬季会觉得更暖和。人对温度的感觉是相对于当时地面环境的温度而言的，夏季室外温度可以达到30°C，所以18°C的室内温度感觉凉爽，而冬季室外可达到10°C以下，相比来说18°C就会觉得更温暖。（待定）第二节第二节第二节第二节热传导热传导热传导热传导（1）简述傅立叶定律的意义和适用条件。dydTAQqλ−==y方向上热量通量，即单位时间内通过单位面积传递的热量，又称为热流密度，W/m2垂直于热流方向的面积，m2导热系数W/(m·K)y方向上的温度梯度K/my方向上的热量流量，也称为传热速率，W或J/S负号表示热量通量方向与温度梯度的方向相反，即热量是沿着温度降低的方向传递的。热量通量与温度梯度成正比，热量传递的推动力。在热传导发生的情况下，傅立叶定律对于稳定导热和不稳定导热均适用（物体各点的温度不随时间而变化的导热叫做稳定导热....。火电厂中大多数热力设备在稳定运行时其壁面间的传热都属于稳定导热；相对应的，物体内温度场随时间改变的导热叫做不稳定导热.....。）（2）分析导温系数和导热系数的涵义及影响因素。对傅立叶公式变形：()dyTcddydTccqpppραρρλ⋅−=−=←热量浓度，单位体积流体所具有的热量，J/m3式中pcρλα=即为导温系数，或称热量扩散系数，m2/s.导温系数是物质的性质，反映温度变化在物体中的传播能力，其主要影响因素有导热系数λ，物质密度ρ，热容pc：←导热系数，物质单位面积、单位温度梯度下的导热速率↓↑=↑pcρλα←单位体积物质温度升高1°C时所需要的热量，代表物质的蓄热能力（3）为什么多孔材料具有保温性能？保温材料为什么需要防潮？工程中常用材料的导热系数：金属液体隔热材料液体金属50～415W/(m·K)，合金12～120W/(m·K)0.17～0.7W/(m·K)0.03～0.17W/(m·K)0.007～0.17W/(m·K)保温材料受潮后隔热性能将大幅度下降——防潮多孔材料作为保温材料1）在液体中，水的导热系数最大，20°C时为0.6W/(m·K)。因此，水是工程上最常用1007环境工程原理复习1_Fang-6-的导热介质。2）气体的导热系数很小，对导热不利，但利于绝热、保温。工业上常用多孔材料作为保温材料，就是利用了空隙中存在的气体，使导热系数变小。水比空气的导热系数大得多，隔热材料受潮后其隔热性能将大幅度下降。因此，露天保温管道必须注意防潮。3）非金属中，石墨的导热系数最高，可达100～200W/(m·K)，高于一般金属；同时，由于其具有耐腐蚀性能，因此石墨是制作耐腐蚀换热器的理想材料。（4）当平壁面的导热系数随温度变化时，若分别按变量和平均导热系数计算，导热热通量和平壁内的温度分布有何差异。【例题4.2.1】某平壁厚度b为400mm，内表面温度T1＝950°C，外表面温度T2＝300°C，导热系数λ=1.0+0.001TW/(m·K)，T的单位为°C。若将导热系数分别按常量（取平均导热系数）和变量计算，试求导热热通量和平壁内的温度分布。解：1）导热系数按平壁的平均温度（λ常量计算）CTTTm°=+=625221)/(62