题目
一碳质量分数约 0.5% 的曲轴[1],加热到 600^circmathrm(C) 后置于 20^circmathrm(C) 的空气中回火[2]。曲轴的质量为 7.84, mathrm(kg),表面积为 870, mathrm(cm)^2,比热容为 418.7, mathrm(J) / (mathrm(kg) cdot mathrm(K)),密度为 7840, mathrm(kg) / mathrm(m)^3,导热系数可按 300^circmathrm(C) 查取,冷却过程的平均表面传热系数取为 29.1, mathrm(W) / (mathrm(m)^2 cdot mathrm(K))。问经多长时间后曲轴可冷却到与空气相差 10^circmathrm(C)。
一碳质量分数约 $0.5\%$ 的曲轴[1],加热到 $600^{\circ}\mathrm{C}$ 后置于 $20^{\circ}\mathrm{C}$ 的空气中回火[2]。曲轴的质量为 $7.84\, \mathrm{kg}$,表面积为 $870\, \mathrm{cm}^2$,比热容为 $418.7\, \mathrm{J} / (\mathrm{kg} \cdot \mathrm{K})$,密度为 $7840\, \mathrm{kg} / \mathrm{m}^3$,导热系数可按 $300^{\circ}\mathrm{C}$ 查取,冷却过程的平均表面传热系数取为 $29.1\, \mathrm{W} / (\mathrm{m}^2 \cdot \mathrm{K})$。问经多长时间后曲轴可冷却到与空气相差 $10^{\circ}\mathrm{C}$。
题目解答
答案
根据集总热容法,$ Bi = \frac{h L_c}{k} = \frac{29.1 \times 0.0115}{45} \approx 0.0074 < 0.1 $,适用该方法。
由公式 $ t = \frac{\rho c V \ln(58)}{h A} $,代入数据:
\[
t = \frac{7840 \times 418.7 \times 0.001 \times \ln(58)}{29.1 \times 0.087} = \frac{13,333.33}{2.5317} \approx 5,266 \, \text{s} \approx 1.46 \, \text{h}
\]
最终结果:曲轴冷却到与空气相差10℃所需时间为约1.46小时。
答案:约1.46小时。