题目
将初始温度为t0的小铜球放入温度t∞的水槽中,如果用集总参数法来分析,则在经过的时间等于时间常数τr=ρcV/(hA)时,铜球的温度应为______。A. 0.368t∞+0.632t0B. 0.618t∞+0.382t0C. 0.5t∞+0.5t0D. 0.632t∞+0.368t0
将初始温度为t0的小铜球放入温度t∞的水槽中,如果用集总参数法来分析,则在经过的时间等于时间常数τr=ρcV/(hA)时,铜球的温度应为______。
A. 0.368t∞+0.632t0
B. 0.618t∞+0.382t0
C. 0.5t∞+0.5t0
D. 0.632t∞+0.368t0
题目解答
答案
D. 0.632t∞+0.368t0
解析
考查要点:本题主要考查集总参数法在非稳态导热问题中的应用,重点在于理解温度随时间变化的指数规律。
解题核心思路:
- 集总参数法适用于物体内部温度均匀分布的情况,此时温度变化仅与时间相关,可用一阶微分方程描述。
- 温度变化遵循公式:
$t(t) = t_\infty + (t_0 - t_\infty)e^{-t/\tau}$
其中 $\tau = \frac{\rho c V}{h A}$ 是时间常数。 - 当时间 $t = \tau$ 时,代入公式即可求得温度。
破题关键点:
- 明确公式中指数项的值:$e^{-1} \approx 0.368$,对应温度变化的衰减比例。
根据集总参数法的温度变化公式:
$t(t) = t_\infty + (t_0 - t_\infty)e^{-t/\tau}$
当时间 $t = \tau$ 时,代入公式得:
$t(\tau) = t_\infty + (t_0 - t_\infty)e^{-1}$
进一步展开:
$t(\tau) = t_\infty(1 - e^{-1}) + t_0 e^{-1}$
由于 $e^{-1} \approx 0.368$,因此:
$t(\tau) \approx 0.632 t_\infty + 0.368 t_0$
对应选项 D。