工程热力学和传热学课后答案(前五章)

1、第一篇工程热力学一.基本概念系统： 状态参数: 可逆过程： 循环:第一章基本概念可逆循环：不可逆循环:热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程:、习题1 .有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2 .牛顿温标，用符号°“表示其温度单位，并规定水的冰点和沸点分别为100。“和200 °N,且线性分布。(1) 试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；(2)绝对零度为牛顿温标上的多少度 ？3. 某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917MPa,而当地大气压力为 0.1013MPa,当航行至另一海域，其真空度变化为0

2、.0874MPa,而当地大气压力变化为0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化？图1-14 .如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热 水。试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。(1) 取水为系统；(2)取电阻丝、容器和水为系统；(3)取虚线内空间为系统。(1 )不考虑水的蒸发，闭口系统。(2 )绝热系统。注：不是封闭系统，有电荷的交换(3)绝热系统。5.判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。(1) 在大气压力为0.1013MPa时，将两块0C的冰互相缓慢摩擦，使之化为0C的水。 耗散效应(2) 在大气压力为 0.1

3、013MPa时，用(0 + dt) C的热源(dt宀0给0C的冰加热使之变为 0C的水。 可逆(3) 一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩(不计摩擦)。 可逆(4) 100 C的水和15C的水混合。有限温差热传递6 .如图1-2所示的一圆筒容器，表 A的读数为 360kPa ;表B的读数为170kPa,表示室I压力高于 室II的压力。大气压力为 760mmHg。试求：(1) 真空室以及I室和II室的绝对压力；表C的读数；36(2) 圆筒顶面所受的作用力。图1-2第二章热力学第一定律一.基本概念功：热量：体积功：节流：.习题1.膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？2 .

4、下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。q = du 亠g zWs3 .一活塞、气缸组成的密闭空间，内充50g气体，用叶轮搅拌器搅动气体。活塞、气缸、搅拌器均用完全绝热的材料制成。搅拌期间，活塞可移动以保持压力不变，但绝对严密不漏气。已测得搅 拌前气体处于状态-搅拌停止后处于状态 2,如下表所示。状态p ( MPa)3v (m /kg)u (kJ/kg)h(kJ/kg)13.50.0071122.7547.6423.50.0191697.63164.69活塞与气缸壁间有一些摩擦。求搅拌器上输入的能量为多少? 耗散效应将输入能量转化为热量q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h

5、2-h14. 1kg 空气由 pi=5MPa,ti=500C，膨胀到 p2=0.5MPa,t2=500 C,得到热量 506kJ,对外做膨胀功 506kJ。 接着又从终态被压缩到初态，放出热量390kJ,试求：(1) 膨胀过程空气热力学能的增量；(2)压缩过程空气热力学能的增量；(3)压缩过程外界消耗了多少功？5 .一活塞气缸装置中的气体经历了2个过程。从状态1到状态2，气体吸热500kJ，活塞对外作功800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压缩过程，压力为p=400kPa，气体向外散热450kJ。并且已知U1=2000kJ, U3=3500kJ，试计算2-3过程中气体体积的变化。A 3=O.

6、 Sm2巧=7/囲 Aj- 0, 15” =3? °C ,-10s Pa500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=6 .现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图 示的设备进行绝热混合，以形成第三股所需温度的空气流。各股空气的已知参数如图中所示。设空 气可按理想气体计，其焓仅是温度的函数，按h j/kg=1.004T k计算，理想气体的状态方程为 pv=RT, R=287J/(kg K)。若进出口截面处的动、位能变化可忽略，试求出口截面的空气温度和流速。m3=m1+m2h3=h1+h2图2-17 某气体从初态p1=0.1MPa ,

7、V1=0.3mW1=100kg/s*(h2-h1) m*43960=100kg/s*(h2-h1)2 2 0.5w 3' -0.5W2 =h3'-h2可逆压缩到终态P2=0.4MPa，设压缩过程中p=aV-2，式中a为 常数。试求压缩过程所必须消耗的功。P1=aVf2p2=aV22/ pdV= / aV-2dV=-aV 2-1+aV2-18 如图2-2所示，p-v图上表示由三个可逆过程所组成的一个循环。1-2是绝热过程；2-3是定压过程；33-1是定容过程。如绝热过程 1-2中工质比热力学能的变化量为-50kJ/kg, p1=1.6MPa , V1=0.025m /kg ,P2

8、=0.1MPa, V2=0.2m3/kg。(1)试问这是一个输出净功的循环还是消耗净功的循环？(2) 计算循环的净热。(1) 顺时针循环，输出净功;(2) Q=W=W12+W23+W31W12=50W23=W31=09 .某燃气轮机装置如图 2-3所示。已知压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg，经压缩后，空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处与燃料混合，以W2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使 工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3'扣800kJ/kg ,流速增至W3'燃气再进入动叶片，推动转轮回转做功。若燃气在动叶片

9、中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为W4=100m/s。求：(1) 若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？(2) 若燃料发热量q=43960kJ/kg，燃料消耗量为多少？ru图2-3(3) 燃气在喷管出口处的流速 W3,是多少？(4) 燃气涡轮(3'-4过程)的功率为多少？(5) 燃气轮机装置的总功率为多少？2 2（4）Ws=0.5*100kg/s*（w 4 -W3'）Ws-W1第三章热力学第二定律一. 基本概念克劳修斯说法：开尔文说法： 卡诺定理： 熵流： 熵产：熵增原理：二. 习题1 .热力学第二定律可否表述为：功可以完全变为热，但热不能完全变为功”，为什么

10、？等温膨胀过程热完全转化为功2 .下列说法是否正确，为什么？1）熵增大的过程为不可逆过程； 只适用于孤立系统2） 工质经不可逆循环，S 0;.S =03）可逆绝热过程为定熵过程，定熵过程就是可逆绝热过程；定熵过程就是工质状态沿可逆绝热线变化的过程4）加热过程，熵一定增大；放热过程，熵一定减小。根据ds淤q/T，前半句绝对正确，后半句未必，比如摩擦导致工质温度升高的放热过程。 对于可逆过程，都正确。3 .某封闭系统经历了一不可逆过程，系统向外界放热为10kJ，同时外界对系统作功为20kJ。1）按热力学第一定律计算系统热力学能的变化量；2） 按热力学第二定律判断系统熵的变化（为正、为负、可正可负亦

11、可为零）。4 .判断是非（对画，错画X）1） 在任何情况下，对工质加热，其熵必增加。（）2） 在任何情况下，工质放热，其熵必减少。（）3） 根据熵增原理，熵减少的过程是不可能实现的。（）4） 卡诺循环是理想循环，一切循环的热效率都比卡诺循环的热效率低。（）5） 不可逆循环的熵变化大于零。（）5 .若封闭系统经历一过程，熵增为25kJ/ K，从300K的恒温热源吸热 8000kJ，此过程可逆?不可逆？还是不可能？25<=8000/300不可能6 .空气在某压气机中被绝热压缩，压缩前：p1=0.1MPa , t1=25C ;压缩后：p2=0.6MPa , t2=240 C。设空气比热为定值，

12、问：1)此压缩过程是否可逆？为什么？2)压缩1kg空气所消耗的轴功是多少？2)若可逆，W=Cv*(240-25)7 气体在气缸中被压缩，压缩功为186kJ/kg，气体的热力学能变化为56kJ/kg，熵变化为-0.293kJ/(kg K)。温度为20 C的环境可与气体发生热交换，试确定每压缩1kg气体时的熵产。SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 设一可逆卡诺热机工作于 1600K和300K的两个热源之间，工质从高温热源吸热400kJ，试求：(1)循环热效率；(2)工质对外作的净功；(3)工质向低温热源放出的热量。(1) 1-300/1600=13/16(2) 4

13、00*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A、B、C3个热源的温度分别为 500K , 400K和300K，有可逆机在这3个热源间工作。若可逆 机从热源A吸入3000kJ热量，输出净功400kJ，试求可逆机与B , C两热源的换热量，并指明方向。3000/500+QB/400+QC/300=03000+QB+QC=400QB=-3200QC=60010. 试论证如违反热力学第二定律的克劳修斯说法，则必然违反开尔文说法以及违反开尔文说法必 然导致违反克劳修斯说法。11. 有A , B两物体，其初温Ta>Tb,两物体的质量相等 mA=mB=m，其比热容亦相等Ca=Cb=c

14、,且为 常数。可逆热机在其间工作，从A吸热，向B放热，直至两物体温度相等时为止。(1 )试证明平衡时的温度为Tm = .Ta Tb ; (2)求可逆热机对外输出的净功。SA-SM=l nTA/TMSM-SB=l nTM/TBSA-SM= SM-SB12. 如图3-1所示，用热机E带动热泵P工作，热机在热源和冷源T。之间工作，而热泵则在冷源 T。 和另一热源T之间工作。已知T1=1000K、T1' =310KTo=250K。如果热机从热源吸收热量Q1=1kJ , 而热泵向另一热源放出的热量Qh供冬天室内取暖用。(1) 如热机的热效率为t=0.50 ,热泵的供热系数 h=4，求Qh ；(2

15、) 如热机和热泵均按可逆循环工作，求Qh ；(3) 如上述两次计算结果均为 Qh>Q1，表示冷源To中有一部分热量传入了温度 T的热源，而又不 消耗(除热机E所提供的功之外的)其他机械功，这是否违反热力学第二定律的克劳修斯说法？(1) W= Q 1*2 =1*0.5=0.5kJQh=W* h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kT QH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不违反，T1>T1 'To图3-1第四章理想气体的热力性质与过程一.基本概念理想气体：比热容:.习题21.热力学第一定律的数学表达式可写成q二山 w

16、 或 q二4 pdv 两者有何不同？1q= u+w热力学第一定律的数学表达，普适的表达式q=Cv* AT+/pdv内能等于定容比热乘以温度变化，适用于理想气体；体积功等于压力对比容的积分,适用于准静态过程。所以该式适用于理想气体的准静态过程v2 .图4-1所示，1-2和4-3各为定容过程，1-4和2-3各为定压过程，试判断qi43与qi23哪个大？q123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以4-2所示。试问 口伐与山3谁3 .有两个任意过程1-2和1-3，点2和点3在同一条绝热线上，如图大谁小？又如2和3在同一条等温线上呢?2->3为

17、绝热膨胀过程，内能下降。所以u2>u3。4 .讨论1<n<k的多变膨胀过程中气体温度的变化以及气体与外界热传递的方向，并用热力学第一 定律加以解释。内能增加，吸热5. 理想气体分子量 M=16 , k=1.3,若此气体稳定地流过一管道，进出管道时气体的温度分别为30C和90C，试求对每公斤气体所需的加热量（气体的动能和位能变化可以忽略）。R=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)40C下降到40C,过程中气6 某理想气体在气缸内进行可逆绝热膨胀，当容积为二倍时，温度由 体做了 60kJ/kg的功。若比热为定值，试求Cp与c的值。q= u+w

18、0=Cv(-40-40)+60 p1*v k= p1*(2v) kp1*v=R(273+40) p2*2v=R(273-40) w=R*T1/(k-1)*(1-T2/T1)Cp=Cv+R7 .某理想气体初温 Ti=470K，质量为2.5kg，经可逆定容过程，其热力学能变化为.：U=295.4kJ,求过程功、过程热量以及熵的变化。设该气体R=0.4kJ/(kg K), k=1.35，并假定比热容为定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q= U, . ：T ：U/(2.5kg*Cv), . S=8在一具有可移动活塞的封闭气缸中，储有温度t1=45 C,表压力pg1=10kPa的氧气0.3m3

19、。在定压下对氧气加热，加热量为40kJ;再经过多变过程膨胀到初温45 C,压力为18kPa。设环境大气压力为0.1MPa，氧气的比热容为定值，试求：(1)两过程的焓变量及所作的功；(2)多变膨胀过程中气体与外界交换的热量。(1)过程1为定压过程，焓变于加热量40kJ;过程2的终了状态和过程 1的初始状态比较，温度相同， 理想气体的焓为温度的函数，所以过程2的焓变为-40kJ。9. 1kg空气，初态p1=1.0MPa, 11=500 C,在气缸中可逆定容放热到p2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t3=500 C,再经可逆定温过程回到初态。求各过程的 u, h, s及w和q各为多少？并在 p-v

20、图和T-s图上画出这3个过程。10 一封闭的气缸如图4-3所示，有一无摩擦的绝热活塞位于中间，两边分别充以氮气和氧气，初图4-3态均为p1=2MPa, t1=27 C。若气缸总容积为1000cm3,活塞体积忽略不计，缸壁是绝热的，仅在氧气一端面上可以交换热量。现向氧气加热使其压力升高到4MPa，试求所需热量及终态温度，并将过程表示在p-v图及T-s图上。绝热系数k=1.4V1=0.0005m4*10 6*V o2/To2=2*10 6*0.0005/(273+27)6 64*10 *Vn2/Tn2=2*10 *0.0005/(273+27)V O2+ V N2=0.0016k6k2*10 *0.0005 =4*10 *V N211.如图4-4所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为ti=400C,流量m!=120kg/h ;另一股的它们相互混合形成压力相同的空气流。温度为t2=150 C,流量m2=210kg/h ;在与外界绝热的条件下，已知比热为定值，试计算混合气流的温度，并计算混合过程前后空气的熵的变化量是增加、减小或45#不变？为什么？(400+273)*120+(150+273)*2