工程热力学课后作业答案第五版[1].doc

2-2.已知的M28，求（1）的气体常数；（2）标准状态下的比容和密度；（3），时的摩尔容积。解：（1）的气体常数296.9（2）标准状态下的比容和密度0.81.25（3），时的摩尔容积64.272-3把CO2压送到容积3m3的储气罐里，起始表压力kPa，终了表压力Mpa，温度由t145增加到t270。试求被压入的CO2的质量。当地大气压B101.325 kPa。解：热力系：储气罐。应用理想气体状态方程。压送前储气罐中CO2的质量压送后储气罐中CO2的质量根据题意容积体积不变；R188.9（1）（2）（3）（4）压入的CO2的质量（5）将（1）、(2)、(3)、(4)代入（5）式得m=12.02kg2-5当外界为标准状态时，一鼓风机每小时可送300 m3的空气，如外界的温度增高到27，大气压降低到99.3kPa，而鼓风机每小时的送风量仍为300 m3，问鼓风机送风量的质量改变多少？解：同上题41.97kg2-6 空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15、压力为0.1MPa的空气3 m3，充入容积8.5 m3的储气罐内。设开始时罐内的温度和压力与外界相同，问在多长时间内空气压缩机才能将气罐的表压力提高到0.7MPa？设充气过程中气罐内温度不变。解：热力系：储气罐。使用理想气体状态方程。第一种解法：首先求终态时需要充入的空气质量kg压缩机每分钟充入空气量kg所需时间19.83min第二种解法将空气充入储气罐中，实际上就是等温情况下把初压为0.1MPa一定量的空气压缩为0.7MPa的空气；或者说0.7MPa、8.5 m3的空气在0.1MPa下占体积为多少的问题。根据等温状态方程0.7MPa、8.5 m3的空气在0.1MPa下占体积为 m3压缩机每分钟可以压缩0.1MPa的空气3 m3，则要压缩59.5 m3的空气需要的时间19.83min28 在一直径为400mm的活塞上置有质量为3000kg的物体，气缸中空气的温度为18，质量为2.12kg。加热后其容积增大为原来的两倍。大气压力B101kPa，问：（1）气缸中空气的终温是多少？（2）终态的比容是多少？（3）初态和终态的密度各是多少？解：热力系：气缸和活塞构成的区间。使用理想气体状态方程。（1）空气终态温度582K（2）空气的初容积p=30009.8/(r2)+101000=335.7kPa0.527 m3空气的终态比容0.5 m3/kg或者0.5 m3/kg（3）初态密度4 kg /m32 kg /m32-9 解：（1）氮气质量7.69kg（2）熔化温度361K214 如果忽略空气中的稀有气体，则可以认为其质量成分为，。试求空气的折合分子量、气体常数、容积成分及在标准状态下的比容和密度。解：折合分子量28.86气体常数288容积成分20.9120.979.1标准状态下的比容和密度1.288 kg /m30.776 m3/kg2-15 已知天然气的容积成分，。试求：（1） 天然气在标准状态下的密度；（2） 各组成气体在标准状态下的分压力。解：（1）密度16.48（2）各组成气体在标准状态下分压力因为：98.285kPa同理其他成分分压力分别为：（略）31 安静状态下的人对环境的散热量大约为400KJ/h，假设能容纳2000人的大礼堂的通风系统坏了：（1）在通风系统出现故障后的最初20min内礼堂中的空气内能增加多少？（2）把礼堂空气和所有的人考虑为一个系统，假设对外界没有传热，系统内能变化多少？如何解释空气温度的升高。解：（1）热力系：礼堂中的空气。闭口系统根据闭口系统能量方程因为没有作功故W=0；热量来源于人体散热；内能的增加等于人体散热。2.67105kJ（1）热力系：礼堂中的空气和人。闭口系统根据闭口系统能量方程因为没有作功故W=0；对整个礼堂的空气和人来说没有外来热量，所以内能的增加为0。空气温度的升高是人体的散热量由空气吸收，导致的空气内能增加。35，有一闭口系统，从状态1经a变化到状态2，如图，又从状态2经b回到状态1；再从状态1经过c变化到状态2。在这个过程中，热量和功的某些值已知，如表，试确定未知量。过程热量Q（kJ）膨胀功W（kJ）1-a-210x12-b-1-7-41-c-2x22解：闭口系统。使用闭口系统能量方程(1)对1-a-2和2-b-1组成一个闭口循环，有即10（7）x1+（4）x1=7 kJ(2)对1-c-2和2-b-1也组成一个闭口循环x2（7）2+（4）x2=5 kJ(3)对过程2-b-1，根据3 kJ3-6 一闭口系统经历了一个由四个过程组成的循环，试填充表中所缺数据。过程Q（kJ）W（kJ）E（kJ）12110001100230100-10034-9500-95045050-50解：同上题3-7解：热力系：1.5kg质量气体闭口系统，状态方程：90kJ由状态方程得1000a*0.2+b200=a*1.2+b解上两式得：a=-800b=1160则功量为900kJ过程中传热量990 kJ38 容积由隔板分成两部分，左边盛有压力为600kPa，温度为27的空气，右边为真空，容积为左边5倍。将隔板抽出后，空气迅速膨胀充满整个容器。试求容器内最终压力和温度。设膨胀是在绝热下进行的。解：热力系：左边的空气系统：整个容器为闭口系统过程特征：绝热，自由膨胀根据闭口系统能量方程绝热自由膨胀W0因此U=0对空气可以看作理想气体，其内能是温度的单值函数，得根据理想气体状态方程100kPa3-9一个储气罐从压缩空气总管充气，总管内压缩空气参数恒定，为500 kPa，25。充气开始时，罐内空气参数为100 kPa，25。求充气终了时罐内空气的温度。设充气过程是在绝热条件下进行的。解：开口系统特征：绝热充气过程工质：空气（理想气体）根据开口系统能量方程，忽略动能和未能，同时没有轴功，没有热量传递。没有流出工质m2=0dE=dU=(mu)cv2-(mu)cv1终态工质为流入的工质和原有工质和m0= mcv2-mcv1mcv2 ucv2- mcv1ucv1=m0h0(1)h0=cpT0ucv2=cvT2ucv1=cvT1mcv1=mcv2 =代入上式(1)整理得=398.3K310供暖用风机连同加热器，把温度为的冷空气加热到温度为，然后送入建筑物的风道内，送风量为0.56kg/s，风机轴上的输入功率为1kW，设整个装置与外界绝热。试计算：（1）风机出口处空气温度；（2）空气在加热器中的吸热量；（3）若加热器中有阻力，空气通过它时产生不可逆的摩擦扰动并带来压力降，以上计算结果是否正确？解：开口稳态稳流系统（1）风机入口为0则出口为1.78空气在加热器中的吸热量138.84kW(3)若加热有阻力，结果1仍正确；但在加热器中的吸热量减少。加热器中，p2减小故吸热减小。311一只0.06m3的罐，与温度为27、压力为7MPa的压缩空气干管相连接，当阀门打开，空气流进罐内，压力达到5MPa时，把阀门关闭。这一过程进行很迅速，可认为绝热。储罐的阀门关闭后放置较长时间，最后罐内温度回复到室温。问储罐内最后压力是多少？解：热力系：充入罐内的气体由于对真空罐充气时，是焓变内能的过程罐内温度回复到室温过程是定容过程3.57MPa312压力为1MPa和温度为200的空气在一主管道中稳定流动。现以一绝热容器用带阀门的管道与它相连，慢慢开启阀门使空气从主管道流入容器。设（1）容器开始时是真空的；（2）容器装有一个用弹簧控制的活塞，活塞的位移与施加在活塞上的压力成正比，而活塞上面的空间是真空，假定弹簧的最初长度是自由长度；（3）容器装在一个活塞，其上有重物，需要1MPa的压力举起它。求每种情况下容器内空气的最终温度？解:（1）同上题662K=389（2）h=cpT0L=kpT=552K=279同（2）只是W不同T=473K200313解：对理想气体314解：（1）理想气体状态方程586K（2）吸热：2500kJ3-15解：烟气放热等于空气吸热1m3空气吸取1.09 m3的烟气的热267kJ205t2=10+205=2153-16解：代入得：582K309317解：等容过程1.437.5kJ3-18解：定压过程T1=216.2KT2=432.4K内能变化：156.3kJ焓变化：218.8 kJ功量交换： 62.05kJ热量交换： =218.35 kJ7-1当水的温度t=80，压力分别为0.01、0.05、0.1、0.5及1MPa时，各处于什么状态并求出该状态下的焓值。解：查表知道 t=80时饱和压力为0.047359MPa。因此在0.01、0.05、0.1、0.5及1MPa时状态分别为过热、未饱和、未饱和，未饱和、未饱和。焓值分别为2649.3kJ/kg，334.9 kJ/kg，335 kJ/kg，335.3 kJ/kg，335.7 kJ/kg。72已知湿蒸汽的压力p=1MPa干度x=0.9。试分别用水蒸气表和h-s图求出hx，vx，ux，sx。解：查表得：h2777kJ/kgh=762.6 kJ/kgv0.1943m3/kgv0.0011274 m3/kgu= hpv=2582.7 kJ/kguhpv=761.47 kJ/kgs=6.5847 kJ/(kg.K)s2.1382 kJ/(kg.K)hxxh+(1-x)h=2575.6 kJ/kgvxxv+(1-x)v=0.1749 m3/kguxxu+(1-x)u=2400 kJ/kgsxxs+(1-x)s=6.14 kJ/(kg.K)7-3在V60L的容器中装有湿饱和蒸汽，经测定其温度t210，干饱和蒸汽的含量mv=0.57kg，试求此湿蒸汽的干度、比容及焓值。解：t210的饱和汽和饱和水的比容分别为：v0.10422m3/kgv0.0011726 m3/kgh2796.4kJ/kgh=897.8 kJ/kg湿饱和蒸汽的质量：解之得：x=0.53比容：vxxv+(1-x)v=0.0558 m3/kg焓：hxxh+(1-x)h=1904kJ/kg74将2kg水盛于容积为0.2m3的抽空了的密闭刚性容器中，然后加热至200试求容器中（1）压力；（2）焓；（3）蒸汽的质量和体积。解：（1）查200的饱和参数h2791.4kJ/kgh=852.4 kJ/kgv0.12714m3/kgv0.0011565m3/kg饱和压力1.5551MPa。刚性容器中水的比容：0.1 m3/kg0.2 MPa采用渐缩喷管。c1=20m/s较小忽略。因此2-2截面处是临界点421K0.6m3/kg323m/s0.00185m39-3渐缩喷管进口空气的压力p1= 2.53MPa，t180，c1=50m/s。喷管背压pb= 1.5MPa。求喷管出口的气流速度c2，状态参数v2、t2。如喷管出口截面积f2=1cm2，求质量流量。解: 2.53=1.33pb所以渐缩喷管进口截面压力p2pc1.33 MPa由定熵过程方程可得：（按c10处理）294Kc2a344 m/s0.0634 m3/kg0.543 m3/s9-5空气流经喷管作定熵流动，已知进口截面上空气参数p1= 0.7MPa，t1947，c1=0m/s。喷管出口处的压力p2分别为0.5 MPa及0.12 MPa，质量流量均为kg/s。试选择喷管类型，计算喷管出口截面处的流速及出口截面积。解：（1）p20.5MPa0.7=0.37 MPa pb选缩放喷管。737K985 m/s1.76 m3/kg8.9cm29-6空气流经一断面为0.1m2的等截面通道，在截面1-1处测得c1=100m/s，p1= 0.15MPa，t1100；在截面2-2处，测得 c2=171.4m/s，p20.14MPa。若流动无摩擦损失，求（1）质量流量；（2）截面2-2处的空气温度；（3）截面1-1与截面2-2之间的传热量。解：（1）质量流量0.71 m3/kg14.08 kg /s（2）1.22 m3/kg595K（3）3141kJ/s9-7有p1= 0.18MPa，t1300的氧气通过渐缩喷管，已知背压pb= 0.1MPa。喷管出口直径d2=10mm。如不考虑进口流速的影响，求氧气通过喷管的出口流速及质量流量。解： p20.1 MPa0.18=0.1 MPa =pb出口为临界流速416.7 m/s质量流量484K1.26 m3/kg0.026 kg /s98空气通过一喷管，进口压力p1= 0.5MPa，t1600K，质量流量为1.5kg/s。如该喷管的出口处压力为p2= 0.1MPa，问应采用什么型式的喷管？如不考虑进口流速影响，求定熵膨胀过程中喷管出口气流流速及出口截面积。如为不可逆绝热流动，喷管效率0.95，则喷管气体出口速度及出口截面积各为多少？解：0.5=0.264 MPa p2所以应采用缩放喷管。(1)出口流速：0.6314378.8K1.09 m3/kg667m/s24.5cm2(2)650 m/s390 K1.12 m3/kg25.8cm29-9某燃气p1= 1MPa，t11000K，流经渐缩渐扩喷管。已知喷管出口截面上的压力p2=0. 1MPa，进口流速c1200m/s，喷管效率0.95，燃气的质量流量50kg/s，燃气的比热k1.36，定压质量比热cp1kJ/(kg.K)。求喷管的喉部截面积和出口截面积。解：进口流速c1200m/s20 kJ/kg远小于燃气的进口焓1000 kJ/kg忽略。出口流速：0.5436543.6K955m/s931 m/s566 K264.7 kJ/(kg.K)1.5 m3/kg出口截面积805cm2(2)喉部流速：0.535 MPa847.4K552m/s0.4193 m3/kg喉部截面积380cm29-10水蒸气压力p1= 0.1MPa，t1120以500m/s的速度流动，求其滞止焓、滞止温度和滞止压力。解：p1= 0.1MPa，t1120时水蒸气焓h1=2716.8 kJ/kg，s1=7.4681 kJ/(kg.K)滞止焓h0= h1+c2/2=2841.8 kJ/kg查表得p0=0.19 MPat0=185.79-11水蒸气的初参数p1= 2MPa，t1300，经过缩放喷管流入背压pb= 0.1MPa的环境中，喷管喉部截面积20cm2。求临界流速、出口速度、质量流量及出口截面积。解：h1=3023 kJ/kg，s1=6.765 kJ/(kg.K)pc= 0.5462=1.092 MPahc=2881 kJ/kg，vc=2.0 m3/kgh2=2454 kJ/kg，v2=1.53 m3/kgcc=532.9 m/sc2=1066.7 m/s质量流量0.533 kg /s76.4cm29-12解：h1=3231 kJ/kg，节流后s=7.203 kJ/(kg.K)h2=3148 kJ/kg，v2=0.2335 m3/kgpb/p0.546渐缩喷管c2=407.4 m/s0.35 kg /s9-13解：查表得h2=2736 kJ/kg由p1= 2MPa等焓过程查表得x10.97t1=212.443.4K/MPa9-14解:查表得：h1=3222 kJ/kgh2=3066 kJ/kgc2=558.6 m/s519 m/s动能损失：21 kJ/kg9-15解：0.199 kJ/(kg.K)（理想气体的绝热节流过程温度相等）用损59.7 kJ/kg9-16解：由得355K337m/s10-1蒸汽朗肯循环的初参数为16.5MPa、550，试计算在不同背压p2=4、6、8、10及12kPa时的热效率。解：朗肯循环的热效率h1为主蒸汽参数由初参数16.5MPa、550定查表得：h1=3433kJ/kgs1=6.461kJ/(kg.K)h2由背压和s1定查h-s图得：p2=4、6、8、10、12kPa时分别为h2=1946、1989、2020、2045、2066 kJ/kgh3是背压对应的饱和水的焓查表得。p2=4、6、8、10、12kPa时饱和水分别为h3=121.41、151.5、173.87、191.84、205.29 kJ/kg故热效率分别为：44.9、44、43.35、42.8%、42.3510-2某朗肯循环的蒸汽参数为：t1500、p21kPa，试计算当p1分别为4、9、14MPa时；（1）初态焓值及循环加热量；（2）凝结水泵消耗功量及进出口水的温差；（3）汽轮机作功量及循环净功；（4）汽轮机的排汽干度；（5）循环热效率。解：（1）当t1500，p1分别为4、9、14MPa时初焓值分别为：h1=3445、3386、3323 kJ/kg熵为s1=7.09、6.658、6.39 kJ/(kg.K)p21kPa(s2=s1)对应的排汽焓h2：1986、1865、1790 kJ/kg3点的温度对应于2点的饱和温度t3=6.98、焓为29.33 kJ/kgs3=0.106 kJ/(kg.K)3点压力等于p1，s3=s3，t3=6.9986、7.047、7.072则焓h3分别为：33.33、38.4、43.2 kJ/kg循环加热量分别为：q1=h1-h3=3411、3347、3279.8 kJ/kg（2）凝结水泵消耗功量： h3-h3进出口水的温差t3-t3（3）汽轮机作功量h1-h2循环净功h1-h2-( h3-h3)（4）汽轮机的排汽干度s2=s1=7.09、6.658、6.39 kJ/(kg.K)p21kPa对应的排汽干度0.79、0.74、0.71（5）循环热效率初焓值h1排汽焓h2焓h3焓h3循环加热量q1=h1-h3凝结水泵消耗功量h3-h3进出口水的温差t3-t3汽轮机作功量h1-h2循环净功循环热效率（）3445198633.3329.33341140.01861459145542.783386186538.429.3333479.070.0671521151245.173323179043.229.333279.813.870.0921533151946.7410-3一理想朗肯循环，以水作为工质，在循环最高压力为14MPa、循环最高温度540和循环最低压力7 kPa下运行。若忽略泵功，试求：（1）平均加热温度；（2）平均放热温度；（3）利用平均加热温度和平均放热温度计算循环热效率。解：1点焓和熵分别为：3433kJ/kg、6.529 kJ/(kg.K)2点焓和熵分别为：2027kJ/kg、6.529 kJ/(kg.K)3点焓和熵分别查饱和压力下的饱和水表为：163.38kJ/kg、0.5591 kJ/(kg.K)（1） 平均加热温度547.7K（2） 平均放热温度312.17K（3） 循环热效率4310-4一理想再热循环，用水作为工质，在汽轮机入口处蒸汽的状态为14 MPa、540，再热状态为3 MPa、540和排汽压力7 kPa下运行。如忽略泵功，试求：（1）平均加热温度；（2）平均放热温度；（3）利用平均加热温度和平均放热温度计算循环热效率。解：1点焓和熵分别为：3433kJ/kg、6.529 kJ/(kg.K)3点焓和熵分别查饱和压力下的饱和水表为：163.38kJ/kg、0.5591 kJ/(kg.K)再热入口焓B：压力为3 MPa，熵为6.529 kJ/(kg.K)，hB=2988 kJ/kg再热出口焓A：hA=3547 kJ/kg，sA=7.347 kJ/(kg.K)2点焓和熵分别为：2282kJ/kg、7.347 kJ/(kg.K)（4） 平均加热温度564K（5） 平均放热温度312K（6） 循环热效率44.710-5某回热循环，新汽压力为10 MPa，温度为400，凝汽压力50kPa，凝结水在混合式回热器中被2 MPa的抽汽加热到抽汽压力下的饱和温度后经给水泵回到锅炉。不考虑水泵消耗的功及其他损失，计算循环热效率及每千克工质的轴功。解：1点焓和熵分别为：h1=3096kJ/kg、s1=6.211 kJ/(kg.K)排汽2点焓为：h2=2155kJ/kg3点焓和熵分别查饱和压力下的饱和水表为：h3=340.57kJ/kg抽汽点4的焓（查2 MPa和s4=s1）：h4=2736 kJ/kg2 MPa对应的饱和温度212.37，h5=908.6 kJ/kg求抽汽率0.237循环功量：794 kJ/kg热效率：36.210-6某厂的热电站功率12MW，使用背压式汽轮机p13.5MPa ，t1435、p20.8 MPa，排汽全部用于供热。假设煤的发热值为20000kJ/kg，计算电厂的循环热效率及耗煤量。设锅炉效率为85。如果热、电分开生产，电能由p27kPa的凝汽式汽轮机生产，热能（0.8 MPa的230的蒸汽）由单独的锅炉供应，其他条件相同，试比较耗煤量。设锅炉效率同上。解：1点的焓h1=3303 kJ/kg、s1= 6.957kJ/(kg.K)排汽点焓（s2=s1）h2=2908 kJ/kg锅炉进口水焓（0.8 MPa对应的饱和水焓）h3=720.9 kJ/kg热效率：15.3总耗煤量：4.61kg/s=16.6t/h有15.3的热能发电，发电煤耗为：m1=m=0.705 kg/s2.54 t/hp27kPa对应的排汽焓和锅炉进口水焓：h2=2161 kJ/kg h3=163.38 kJ/kg电的耗煤量：1.96 kg/s7.06 t/h供热煤耗量相同14.06 t/h。总煤耗：m=7.06+14.06=21.12 t/h10-7小型供热、供电联合电站，进入汽轮机新蒸汽的压力为1 MPa、温度为200，汽轮机供热抽汽压力为0.3 MPa，抽汽通过热交换器后变成0.3 MPa的饱和液体，返回动力循环系统。汽轮机乏汽压力为40kPa。汽轮机需要输出1MW的总功率，而热交换器要求提供500kW的供热率。设汽轮机两段（即抽汽前后）的相对内效率都为0.8。试计算进入汽轮机的总蒸汽量和进入热交换器的抽汽量。解：0.3 MPa的饱和液体、饱和汽、汽化潜热的焓：561.4 kJ/kg，2725.5 kJ/kg、