工程热力学与传热学第3章习题

工程热力学与传热学工程热力学第三章理想气体的性质和热力过程习题习题课理想气体状态方程的应用

启动柴油机用的空气瓶,体积V=0.3m3,

装有p1=8MPa，Tl=303K的压缩空气。

启动后,瓶中空气压力降低为p2=4.6MPa,

这时T2=303K。

求用去空气的量(mol)及相当的质量(kg)。2.某活塞式压气机向容积为9.5m3的储气箱中

充入空气。压气机每分钟从压力为p0=750mmHg,

温度为t0=15℃的大气中吸入0.2m3的空气。

若充气前储气箱压力表读数为0.5bar,

温度为t1=17℃。

问经过多少分钟后压气机才能使储气箱内气体的

压力提高到p2=7bar，温度升为t2=50℃。习题课理想气体状态方程的应用3.某电厂有三台锅炉合用一个烟囱，每台锅炉

每秒产生烟气73m3（已折算成标准状态下的

体积），烟囱出口处的烟气温度为100℃，

压力近似为101.33kPa，烟气流速为30m/s。

求烟囱的出口直径。习题课理想气体状态方程的应用习题课理想气体的性质和计算4.为了提高进人空气预热器的冷空气温度,采用再循环管,

如图所示。己知冷空气的初始温度为t1=20℃,空气容积流量为V01=90000m3/h（标准状态下）。从再循环管引来的热空气温度t3=350℃。（1）若将冷空气温度提升至t2=40℃，求引出的热空气量。设过程进行时的压力不变。（2）又若热空气再循环管内空气表压力为150mmH20，流速为20m/s，当地的大气压为Pb=750mmHg,

求再循环管的直径。空气预热器烟气再循环管

40℃热空气350℃冷空气20℃习题课理想气体的性质和计算5.

一绝热刚性气缸,被一导热的无摩擦活塞分成两部分。

最初活塞被固定在某一位置上,

气缸的一侧储有压力为

0.2MPa，温度为300K的0.01m3的空气，另一侧储有

同容积，同温度的空气，其压力为0.1MPa。去除销钉,

放松活塞任其自由移动,最后两侧达到平衡。设空气的

比热容为定值。试计算

（1）平衡时的温度为多少？（2）平衡时的压力为多少？（3）两侧空气的熵变值及整个气体的熵变值为多少？

A0.2MPa300K0.01m3

B0.1MPa300K0.01m3习题课理想气体的性质和计算6.某绝热的刚性容器，若用一隔板将其分为A和

B两个不相等的部分，其内各装有不同数量的同一种理想气体，如图所示。气体状态参数初始值是已知的。试推导隔板抽出后气体的平衡温度和平衡压力表达式。BPBTBVBAPATAVA绝热A+BPTV绝热习题课理想气体的热力过程7.在一个承受一定重量的活塞下有27℃的空气

0.4kg，占据容积0.25m3。试问（1）当加入25kJ热量后,其温度上升到多少?

并作了多少功?

（2）若活塞到达最后位置后予以固定，此后

再继续加入25kJ热量,

则其压力上至多少?习题课理想气体的热力过程8.空气以qm=0.012kg/s的流量流过散热良好的压缩机，入口参数P1=0.102MPa，T1=305K，可逆压缩到出口压力P2=0.51MPa，然后进入储气罐。

求1kg空气的焓变量Δh和熵变量Δs，以及压缩机消耗的功率P和每小时的散热量qQ。（1）设空气按定温压缩；（2）设空气按可逆绝热压缩；（3）设空气按N=1.28的多变过程压缩。比热容取定值。习题课理想气体的热力过程9.1kg空气在多变过程中吸取41.87kJ的热量时,

将使其容积增大10倍,压力降低8倍。求：（1）过程中空气的热力学能变化量；（2）空气对外所作的膨胀功及技术功。

设空气cv=0.716kJ/(kg·K)，k=1.4。

习题课理想气体的热力过程10.在一具有可移动活塞的封闭气缸中,储有温度

t1=45℃,表压力为pgl=10KPa的氧气0.3m3。

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℃,压力为18KPa。

设环境大气压力为0.1MPa,氧气比热容为定值。

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。习题课理想气体的热力过程11.有一汽缸和活塞组成的系统，汽缸壁和活塞均由绝热材料制成，活塞可在汽缸中无摩擦地自由移动。初始时活塞位于汽缸中间，A,B两侧各有1kg空气,压力均为

0.45MPa，温度同为900K。现对A侧冷却水管通水冷却，A侧压力逐渐降低。求：（1）压力降低到0.3MPa时，

A，B两侧的体积是多少？（2）冷却水从系统带走的热量是多少？（3）整个气体组成的系统熵变是多少？（4）在p-v图、T-s

图上大致表示两侧气体进行的过程。

设定值比热容计算。且k=1.4,cv=0.717k]/(kg·K)。习题课理想气体状态方程的应用12.Acylinderwithacapacityof2.0m3containedoxygengasatapressureof500KPaand25℃initially.Thenaleakdevelopedandwasnotdiscovereduntilthepressuredroppedto300KPawhilethetemperaturestayedthesame.Assumingideal-gasbehavior.

Determinehowmuchoxygenhadleakedoutofthecylinderbythetimetheleakwasdiscovered.习题课理想气体状态方程的应用13.Anidealgashasamolecularweightof20.ifitsspecificheatratioatagiventemperatureisobservedtobe1.25,determinecpandcVforthegasatthesametemperature.习题课理想气体状态方程的应用14.Fivegramsofargongasundergoesachangeofstateatconstantinternalenergy.Initialpressureandtemperatureare6.0atmand300K,respectively.Thefinalvolumeoccupiedbythegasisthreetimesthatoccupiedinitially.Assumingideal-gasbehavior,determine

(a)thefinaltemperatureofthegas.(b)thefinalpressureofthegas.(c)theentropychangeofthegasduetothechangeofstate.习题课理想气体状态方程的应用15.Theelectricheatingsystemusedinmanyhousesconsistofasimpleductwithresistancewires.Airisheatedasitflowsoverresistancewires.Considera15KWelectricsystem.Airenterstheheatingsectionat100KPaand17ºCwithavolumeflowrateof150m3/min.Ifheatislostfromtheairintheducttothesurroundingsatarateof200W.determinetheexittemperatureofair.cP=1.005kJ/(kg·K)Q=200WWe,in=15kW习题课理想气体状态方程的应用16.Apiston-cylinderdeviceinitiallycontains0.5m3ofnitrogengasat400kPaand27℃.Anelectricheaterwithinthedeviceisturnedonandisallowedtopassacurrentof2Afor5minfroma120-Vsource.Nitrogenexpandsatconstantpressure,andaheatlossof2800Joccursduringtheprocess.Determinethefinaltemperatureofnitrogen.习题课理想气体状态方程的应用17.Twotanksareconnectedbyavalve.Onetankcontains2kgofcarbonmonoxidegasat77ºCand0.7bar.Theothertankholds8kgofthesamegasat27ºCand1.2bar.Thevalveisopenedandthegasesareallowedtomixwhilereceivingenergybyheattransferfromthesurrounding.Thefinalequilibriumtemperatureis42ºC.Usingtheidealgasmodel.Determine(a)thefinalequilibriumpressure,inbar;(b)theheattransferfortheprocess,inkJ.CarbonMonoxide2kg,77ºC0.7barCarbonMonoxide8kg,27ºC1.2barvalveTank1Tank2习题课理想气体状态方程的应用18.Agashasadensityof1.875kg/m3atapressureof1barandwithatemperatureof15ºC.Amassof0.9kgofthegasrequiresaheattransferof175kJtoraiseitstemperaturefrom15ºCto250ºCwhilethepressureofthegasremainsconstant.Determine(1)thecharacteristicgasconstantofthegas,(2)thespecificheatcapacityofthegasatconstantpressure,(3)thespecificheatcapacityofthegasatconstantvolume,(4)thechangeofinternalenergy,(5)theworktransfer.习题课理想气体的性质和计算19.ArigidtankwhichactsasaperfectheatinsulatorandwhichhasanegligibleheatcapacityisdividedintotwounequalpartsAandBbyapartition.Differentamountsofthesameidealgasarecontainedinthetwopartsofthetank.TheinitialconditionsoftemperatureT,pressurep,andtotalvolumeVareknownforbothpartsofthetank.FindexpressionsfortheequilibriumtemperatureTandpressurePreachedafterremovalofthepartition.CalculatetheentropychangeforAandBandthetotalentropychangeofthetank.AssumethatCv,misconstant,0.2MPa300K0.01m3A0.1MPa300K0.01m3

B习题课理想气体的热力过程20.Airiscompressedsteadilybyareversiblecompressorfromaninletstateof100KPaand300Ktoanexitpressureof900KPa.DeterminethecompressorworkperunitmassforIsentropiccompressionwithk=1.4,polytropiccompressionwithn=1.3,isothermalcompression,andidealtwo-stagecompressionwithintercoolingwithapolytropicexponentof1.3.习题课理想气体的热力过程21.Anairreceiverhasacapacityof0.85m3andcontainsairatatemperatureof15℃andapressureof275kN/m3.Anadditionalmassof1.7kgispumpedintothereceiver.Itisthenleftuntilthetemperaturees15℃onceagain.Determine(1)thenewpressureoftheairinthereceiver,(2)thespecificenthalpyoftheairat15℃ifitisassumedthatthespecificenthalpyoftheairiszeroat0℃.Takecp=1.005kJ/kg.K,cc=0.715kJ/kg.K.习题课理想气体的热力过程22.Arigidcylindercontainsa“floating”piston,freetomovewithinthecylinderwithoutfriction.Initially,itdividedthecylinderinhalf,andoneachsideofthepistonthecylinderholds1kgofthesameidealgasat20ºC,and0.2MPa.AnelectricalresistanceheaterisinstalledonsideAofthecylinder,anditisenergizedslowlytoPA2=PB2=0.4MPa.Ifthetankandthepistonareperfectheatinsulatorsandareofnegligibleheatcapacity,cv=0.72kJ/(kg·K)Calculate（1）thefinaltemperatures,volumesofA,Bsides（2）theamountofheataddedtothesystembytheresistor.（3）theentropychangesofA,Bsides（4）thetotalentropychangeofthecylinder.习题课理想气体的热力过程22.如图所示,两端封闭而且具有绝热壁的气缸,被可移动

的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相等的A,B两部分,

其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、

温度都相同,分别为0.2MPa，20ºC。