工程热力学(第五版)课后习题答案(全章节)廉乐明谭羽非等编

第三章热力学第一定律3－5，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-210-7x1-422-b-11-c-2x2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QW即10＋（－x1=7kJ(2)对1-c-2和2-b-1也组成一个闭口循环x2＋（－7）＝2+（－4）x2=5kJ7）＝x1+（－4）QUW(3)对过程2-b-1，根据UQW7(4)－3kJ3－8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QUWQ0绝热自由膨胀W＝0因此ΔU=0对空气可以看作理想气体，其内能是温度的单值函数，得mc(T2T1)0T2T1300Kv根据理想气体状态方程p2RT2p1V11p1V2V26＝100kPa3－10供暖用风机连同加热器，把温度为t10℃的冷空气加热到温度为t2250℃，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1000mCpTQTQmCp0.561.006103（1）风机入口为0℃则出口为1.78℃t2t1t1.78℃空气在加热器中的吸热量QmCpT0.561.006(2501.78)＝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Qh2h1u2P2v2(u1P1v1)，p2减小故吸热减小。3－13解：WhhcT对理想气体pucTv3－17解：等容过程ckpcR1.4pQmcTmRT2RT1p2vp1vk1k1v＝37.5kJ3-18解：定压过程p1V2068.41030.031287T1=mR=216.2KT2=432.4K内能变化：Umct1(1.010.287)216.2v＝156.3kJ焓变化：HkU1.4156.3218.8kJ功量交换：V22V10.06m3WpdVp(V2V1)2068.40.03＝62.05kJQUW156.362.05热量交换：=218.35kJ第四章理想气体的热力过程及气体压缩4-11kg空气在可逆多变过程中吸热40kJ，其容积增大为v210v1，压力降低为p2p1/8，设比热为定值，求过程中内能的变化、膨胀功、轴功以及焓和熵的变化。解：热力系是1kg空气nln(p2/p1)ln(1/8)ln(v1/v2)ln(1/10)过程特征：多变过程＝0.9因为qcTn内能变化为c5RJ/(kg•K)2v＝717.5c7R7cJ/(kg•K)25vp＝1004.5nk5cccnJ/(kg•K)n1vv＝3587.5ucTqc/cvvn＝8×103Jwqu膨胀功：＝32×103Jwnws轴功：28.8×103JhcTkup焓变：＝1.4×8＝11.2×103Jv2sclnclnv1p2J/(kg•K)p1＝0.82×103pv熵变：4－7已知空气的初态为p1＝0.6MPa，v1=0.236m3/kg。经过一个多变过程后终态变化为p2＝0.12MPa，v2=0.815m3/kg。试求该过程的多变指数，以及每千克气体所作的功、所吸收的热量以及内能、焓和熵的变化。nln(p2/p1)ln(0.12/0.6)ln(v1/v2)ln(0.236/0.815)解：（1）求多变指数1千克气体所作的功1＝1.301wn1[p1v1p2v2]1.31*(0.6*0.2360.12*0.815)146kJ/kg吸收的热量qc(T2T1)nnk1kR1(T2T1)nnk1k11(p2v2p1v1)n1.31.411.311.41(0.12*0.8250.6*0.236)=36.5kJ/kg内能：uqw146-36.5＝－109.5kJ/kgkhc(T2T1)k1(p2v2p1v1)p焓：－153.3kJ/kgsclncln1004.5*ln0.815717.4*lnv2p20.120.6v1p10.236pv熵：＝90J/(kg.k)4-9将空气从初态1，t1=20℃,定熵压缩到它开始时容积的1/3，然后定温膨胀，经过两个过程，空气的容积和开始时的容积相等。求1kg空气所作的功。w1RT1k1[1()k]kRT11[1(v1)k1]287*293[131.41]p2k1p1v21.41解：＝-116kJ/kgT2T1(v1)k1v2＝454.7Kw2RT2lnv3287*454.7*ln(1/3)v2＝143.4kJ/kgw=w1+w2=27.4kJ/kg4-101kg氮气从初态1定压膨胀到终态2，然后定熵膨胀到终态3。设已知以下各参数：t1=500℃，v2=0.25m3/kg，p3＝0.1MPa，v3=1.73m3/kg。求（1）1、2、3三点的温度、比容和压力的值。（2）在定压膨胀和定熵膨胀过程中内能的变化和所作的功。p2p3()k0.1*(1.73)1.4v3v20.25解：(1)＝1.5MPaT2P2v21.5*0.25*106R296.8＝1263Kp1=p2=1.5MPaT1v2v1=T2=0.15m3/kgT3P3v30.1*1.73*106R296.8=583K(2)定压膨胀uc(T2T1)v364kJ/kgwR(T2T1)145.4kJ/kg定熵膨胀uc(T3T2)v505kJ/kgRwk1[T2T3]-505kJ/kg或者：其q=0,wu=-505kJ/kg4-13活塞式压气机吸入温度t1=20℃和压力p1＝0.1MPa的空气，压缩到p2＝0.8MPa，压气机每小时吸气量为600标准m3。如压缩按定温过程进行，问压气机所需的理论功率为多少千瓦？若压缩按定熵过程进行，则所需的理论功率又为多少千瓦？解：定温：100000600mpVRT287*273*36000.215kg/sWmRT1lnp1p2s－37.8KW定熵W1mkkRT11[1()k]0.215*1.4*287*293[1()]p20.81.411.4k1p11.410.1s＝－51.3KW4－15实验室需要压力为6MPa的压缩空气，应采用一级压缩还是二级压缩？若采用二级压缩，最佳中间压力应等于多少？设大气压力为0.1，大气温度为20，压缩过程多变指数n=1.25，采用中间冷却器能将压缩气体冷却到初温。试计算压缩终了空气的温度。解：压缩比为60，故应采用二级压缩。p2p1p30.775MPa中间压力：p3n1T3T2()p2n=441K第五章热力学第二定律5-3qcTT1.011000300707kJ/kgp1211qRTlnpRTlnpRTln3T3p133233p2T21.41.41362.8kJ/kg3000.287300ln1000wqq707362.8344.2kJ/kg12w344.248.68%707q1TT100030070%12T11000t,c5-4wq0.7707495kJ/kgt,c1263QT2Q10000089765kJ/h2T129315-5⑴TTT2932632932,c9.771⑵12Q2,c100000P9.7736002.84kW1100000P100000kJ/h27.78kW3600⑶TTT2932732932,c14.651125-6⑴Q2,c2010009.7736000.455kWP1TT1200TTTP由1236002t202℃12T313K401得℃5-13qcTT，qcTT11v212p3cTTTT1113cTTTT1vv131w1q21q11pp13p1q1v2121215-14qRTlnp1qcTTRTlnp4p311p2，2v122TTcTTRTlnp4p31112Tlnp431q211222pvppqRTln11Tln111p2p25-16pV114000.10.445kgm1RT0.2873131pV222000.10.238kgm2RT0.2872932UmcTTmcTT01v12v2TmTmT0.4453130.238293306K1122mm0.4450.23812mmRT0.4450.2380.2873060.3MPap12VV0.10.112Smsms2112pmclnTRlnpmclnTRlnp11pT12pT2p23060.30.40.4451.01ln0.287ln3130.2381.01ln3060.287ln0.30.0093kJ/K2930.2pTT24002.51000K21p15-17⑴qcTT0.7231000400433.8kJ/kgv121qRTlnv10.287400ln1264.3kJ/kg1023v3wqq433.8264.3169.5kJ/kg⑵121q21264.339.0%q433.815-19n1qncTTv1.31.40.287515.53031.311.412150.8kJ/kgq50.80.175kJ/kgKsT2901环境熵变：空气熵变：0sclnT2Rlnp2p12pT1515.53030.287ln10.127kJ/kgK1.005ln0.1孤立系统熵变：sss0.1750.1270.048kJ/kgKiso12第七章水蒸气7-3在V＝60L的容器中装有湿饱和蒸汽，经测定其温度的含量mv=0.57kg，试求此湿蒸汽的、比容及焓值。解：t＝210℃的饱和汽和饱和水的比容分别为：v`＝0.0011726m3/kgt＝210℃，干饱和蒸汽干度v``＝0.10422m3/kgh``＝2796.4kJ/kgh`=897.8kJ/kgmmvx湿饱和蒸汽的质量：Vxv``(1x)v`m解之得：x=0.53比容：vx＝xv``+(1-x)v`=0.0558m3/kg焓：hx＝xh``+(1-x)h`=1904kJ/kg7－9有一刚性容器，用一薄板将它分隔为A、B两部分。在B中盛有2kgpB＝1MPa，x＝0.80的湿蒸汽过一段时间容器中的压力稳定在p3＝0.7MPa。求（1）容器A中盛有1kg、压力pA＝0.5MPa的干饱和蒸汽，。当隔板抽去后，经的总容解：（1）容器的pA＝0.5MPa的干饱和蒸汽参数积及终了时蒸汽的干度；（2）由蒸汽传给环境的热量。总容积v``＝0.37481m3/kgh``＝2748.5kJ/kguA＝2561.1kJ/kgA占容积：VA=mAv``=0.37481m3pB＝1MPa的饱和蒸汽参数v``＝0.1943m3/kgh``＝2777kJ/kgv`＝0.0011274m3/kgh`＝762.6kJ/kgvB=xv``+(1-x)v`=0.155m3/kghB＝xh``+(1-x)h`=2374kJ/kguB＝2219kJ/kgB占容积：VA=mBv=0.31m3总容积:V=VA+VB=0.685m30.7MPa的饱和蒸汽参数v``＝0.27274m3/kgv`＝0.0011082m3/kgh``＝2762.9kJ/kgvV蒸汽比容：m0.228m3/kgh`＝697.1kJ/kgxvv`x蒸汽干度：v``v`＝0.84（2）由蒸汽传给环境的热量终了时的焓：hx＝xh``+(1-x)h`=2502kJ/kgux＝2342.4kJ/kgqmumu(mm)uAABBABx＝-193.7kJ7-12有一台工业锅炉，每小时能生产压力已知给水的温度25℃；从锅筒引出的湿蒸汽的干度中再加热至300℃；煤的发热值为29400kJ/kg。试求（1）若锅炉的耗煤量1430kg/h，求锅炉效率；（2）湿蒸汽在过热器中所吸收的热量及内能的变化量。Q14302940042.042MkJ/hp1=1.4MPa，t1=300℃的过热蒸汽10t。x＝0.96；湿蒸汽在过热蒸汽B＝解：（1）煤的总发热量p1=1.4MPa，t1=300℃的过热蒸汽的参数：v1＝0.1823m3/kgh0＝25×4.1868＝104kJ/kgq=h1-h0=2936kJ/kg总吸热量：Q2mq29.36MkJ/hQ2h1=3040kJ/kg取水为定值比热，其的焓值：单位蒸汽吸热量：锅炉效率：Q69.84％（2）湿蒸汽的参数v2＝0.136m3/kgh2＝2708kJ/kg定压过程吸收的热量q=m(h1-hx)=3.32MkJ内能的变化:um(hpv)=2.65MkJ7-13有一可产生ts=100℃的干效率为60％。（1）求每小时烟气量；（将锅炉中烟气的t-s图上。废热锅炉，进入该锅炉的烟气温度为ty1=600℃排烟温度为ty2=200℃。饱和蒸汽200kg，锅炉进水温度为20℃，锅炉2）试放热过程与此锅炉每小时通过的蒸汽的吸热过程定性的表示在同一解：ts=100℃的干饱和蒸汽的焓：h=2676.3kJ/kg20℃水的焓：h0=20*4.186=83.7kJ/kg水的吸热量：q1=200*(2676.3-83.7)=518520kJ/h烟气的放热量：q1q=0.6864200kJ/h烟气量：qct1.01400＝2139kg/h864200myvRT287*673p100000=1.93m3/kgmvyV=4128m3/h第八章湿空气V1＝15m3/min，t1＝8－5有两股湿空气进行绝热混合，已知第一股气流的V2＝20m3/min，t2＝35℃，2＝80％。如两20℃，1＝30％；第二股气流的股气流的压力均为1013×102Pa，试分别用图解法及计算法求混合量、温度、相对湿后的焓、含湿度。解：图解法略。计算法：查饱和空气状态参数pt1202.337kPah1=31.14kJ/kg(a)＝℃，＝，s,1pt2355.622kPah2=109.4kJ/kg(a)＝℃，＝，s,21pB1pd1622s14.37g/kg(a)s12pB2pd2622s228.9g/kg(a)s2(1013002337)15287293mpVa1RTa117.65kg21.75kga(1013005322)20287308mpVa2RTa2ahmh1mh2a1a2mmc焓：＝74.34kJ/kg(a)a1a2dmd1md2a1a2mmc=17.9g/kg(a)a1a2t查图得：28.5℃c＝73％c8-7在容积V＝60℃的房间内，空气的温度和相对湿度分别为21℃及70％。问B＝0.1013MPa。空气的总质量及焓kg值各为多少？设当地大气压为p解：空气21℃对应的饱和压力：2.485kPaspp水蒸气的分压力：s＝1.7295kPav温度21℃和相对湿度分别为70％的空气焓：48.77kJ/kg(a)(1013001729.5)60287294mpVaRTa干空气的质量：70.8kgapBpd622空气的含湿量：v10.8g/kg(a)vmm(10.001d)空气的总质量：a＝71.5kgmh空气的焓值：70.8×48.77＝3452.9kJa8-11某空调系统每小时需要t2＝21℃，2＝60％的湿空气若干（其中干空气质ma量4500kg/h）。现将室外温度＝℃，＝％的空气t135170经处理后达到上述要求。（1）求在处理过程中所除去的水分及放热量；（2）如将35℃的纯干空气4500kg冷却到21℃，应放出多少热量。设大气压力B＝101325Pa。解：（1）查h-d图t221＝℃，＝％260t135＝℃，＝％170得h1=99.78kJ/kg(a)h2=44.76kJ/kg(a)d1=25.17g/kg(a)d2=9.3g/kg(a)mm(d1d2)处理过程除去的水分=71.4kg/hwaqm(h1h2)a放热量：＝247.6kJ/h（2）将35℃的qmc(t1t2)＝63630kJ纯干空气4500kg冷却到21℃，放出热量ap8-13冷却塔中水的温度流量100×103kg/h。从塔底进由38℃被冷却至23℃，水是温度为30℃的饱和空求需要送入冷却塔的湿空气质量流量和蒸发的水量。若欲将热水（38℃）冷入的湿空气参数为温度15℃，相对湿度50％,塔顶排出的气。却到进口空气的湿球温度，其他参数不变，则送入的湿空气质量流量又为多少？设大气压力B＝101325Pa。解：查h-d图t115＝℃，＝％150t230＝℃，＝％得2100h1=28.45kJ/kg(a)d1=5.28g/kg(a)d2=27.2g/kg(a)h2=99.75kJ/kg(a)c由t3＝38℃和t4＝23℃，取水的平均定压比热＝4.1868kJ/(kg.K)pm水的焓值：hw3＝159.1kJ/kghw4＝96.3kJ/kg干空气的质量：m(hh)maw3w3w4(h2h1)h(d2d1)10w43＝90.7×103kg(a)/h送入湿空气的质量mm(10.001d1)a＝91.2×103kg/h蒸发的水量mm(d2d1)103＝1988kg/hwah（2）查图湿球温度为9.7℃，＝40.6kJ/kgw4m(hh)maw3w3w4(h2h1)h(d2d1)10w43＝168.3×103kg(a)/h送入湿空气的质量mm(10.001d1)a＝169.2×103kg/h8－14某厂房产生余热16500kJ/h，热湿比＝7000。为保持室内温度t2＝27℃及相对湿度2＝40％的要求，t119向厂房送入湿空气的温度＝℃，求每小时的送风量为多少千克及厂房的产湿量。大气压力B＝101325Pa。d1000h1000165007000解：厂房的余湿：＝2.357kg/h查图得h2=49.84kJ/kg,h1=35kJ/kg，d1=6.3g/kg(a)Qh2h11112kg/hm送干空气量amm(10.001d1)a送风量＝1.12×103kg/h第九章气体和蒸汽的流动m1kg/s的空气在喷管内作定熵流动，在截面1-1处测得参数值p1=9-2质量流量0.3MPa，t1＝200℃，c1=20m/s。在截面2-2处测得参数值p2＝0.2MPa。求2-2截面处的喷管截面积。pp10.5280.3c解：0.1584>0.2MPa采用渐缩喷管。c1=20m/s较小忽略。因此2-2截面处是临界点p2k1TT1()kp12421Kv2RT2P20.6m3/kgc22kkRT11[1()k]p1p2k1323m/sf2v2mc20.00185m39-3渐缩喷管进口空气的压力p1=2.53MPa，t1＝80℃，c1=50m/s。喷管背压pb=v2、t2。如喷管积f2=1cm2，1.5MPa。求喷管出口的气流速度c2，状态参数出口截面求质量流量。pp10.528c解:2.53=1.33<1.5MPa没有到临界。滞止温度：T0T1c122cp＝354.24KT0p0p1()T1kk1滞止压力：＝2.56MPac22kkRT10[1()k]p0p2k1317.5m/sp2k1T2T1()kp1＝304Kv2RT2P20.058m3/kgmf2c2v20.55m3/s9-6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=0.1