工程热力学习题及答案

1、习题一刚性容器中贮有空气2kg，初态参数Pi=0.1MPa, Ti=293K，内装搅拌器， 输入轴功率 Ws=0.2kW，而通过容器壁向环境放热速率为 Q=0.1kW。求：工作 1小时后由容器和外环境所构成的孤立系统的熵增。（已知空气定容比热为0.7175 kJ/kg.K，气体常数为 0.287 kJ/kg.K）解：取刚性容器中空气为系统，由闭系能量方程：Ws=Q亠；U经 1 小时，3600Ws =3600Q mCv T2 -T13600 W-Q T2 1 +mCv=293 3600 0.2 01 二 544K2x0.7175由定容过程:P2 J P 一F2 =RT2 =0.1 544 =0.

2、186MPaT1293取以上系统及相关外界构成孤立系统:Siso=-：Ssy -Ssur ：SsurQ _ 3600 0.1T0 _293= 1.2287kJ/ K5Sis。=0.89061.2287 =2.12kJ/K习题二压气机空气由P1 = 100 kPa, T1 = 400 K，定温压缩到终态P2 = 1000 kPa,过 程中实际消耗功比可逆定温压缩消耗轴功多 25%。设环境温度为T0 = 300 Ko 求: 压缩每kg气体的总熵变。（已知空气气体常数为0.287 kJ/kg.K）解：取压气机为控制体。按可逆定温压缩消耗轴功：v2R100WSO 二 RT In二 RT In=0.28

3、7 400 In264.3kJ / kgv1F21000实际消耗轴功：WS =1.25 -264.-330.4 kJ/kg由开口系统能量方程，忽略动能、位能变化：WS h q h2因为理想气体定温过程：h1 =h2故：q 二WS =-330.4kJ / kg孤立系统熵增：.iSjso = J：Ssys亠、Ssur稳态稳流：ASsys =0sur弋宀 T0.Rinp2 t100330.4=0.287 In0.44kJ / kg k1000300习题三如果室外温度为-10C，为保持车间内最低温度为 20C，需要每小时向车间 供热36000kJ,求：1）如采用电热器供暖，需要消耗电功率多少。2）如采

4、用热泵 供暖，供给热泵的功率至少是多少。3）如果采用热机带动热泵进行供暖，向热 机的供热率至少为多少。图1为热机带动热泵联合工作的示意图。假设：向热机的供热温度为600K，热机在大气温度下放热。图1解：1）用电热器供暖，所需的功率即等于供热率，故电功率为W -Q360003600=10kW2）如果热泵按逆向卡诺循环运行,而所需的功最少。则逆向卡诺循环的供暖系数T1 T2=9.77Q热泵所需的最小功率为 W = =1.02kWW3）按题意，只有当热泵按逆卡诺循环运行时，所需功率为最小。只有当热机按卡 诺循环运行时，输出功率为W时所需的供热率为最小 由 c=1诗燼巾56 热机按所需的最小供热率为Q

5、min =W / tc J.02 =1.82kW0.56习题四求出下述情况下，由于不可逆性引起的作功能力损失。已知大气Ta=400KjQ=200kJT0Q=200kJTb=200K,|Q=200kJpo=1O13215Pa 温度 To 为 300K。(1) 将200kJ的热直接从pA=po、温度为400K的恒温热 源传给大气。(2) 200kJ的热直接从大气传向pB=p。、温度为200K的 恒温热源Bo(3) 200kJ的热直接从热源A传给热源Bo解：由题意画出示意图 5.4 o(1 )将200kJ的热直接从400K恒温热源A传给300K的大气时，图2-Q-200 Sa0.5 kJ/KTa40

6、0Q2000.667 kJ/KT0300热源A与大气组成的系统熵变为 ：S1= usA =s0-0.5 0.667= 0.167kJ/K此传热过程中不可逆性引起的作功能力损失为-二 T。-300 0.167= 50.1kJ(2) 200kJ的热直接从大气传向 200K的恒温热源 B时,QTb200 工 1 kJ/K200T0-2000.667 kJ/K300：S2二：S0：SB 二0.667 1= 0.333kJ/K此过程不可逆引起的作功能力损失-二T。屯 =300 0.333= 100 kJ(3) 200kJ直接从恒温热源A传给恒温热源B,则-Q-200小.：Sa0.5 kJ/KTa400Q2