工程热力学和传热学课后答案(前五章)

1、第一篇 工程热力学第一章 基本概念一基本概念系统： 状态参数： 热力学平衡态： 温度： 热平衡定律： 温标： 准平衡过程： 可逆过程： 循环： 可逆循环 ： 不可逆循环：二、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，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0.0917，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0.0874MPa，而当地大气压力变化为

2、0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4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。图 1-15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0的冰互相缓慢摩擦，使之化为0的水。耗散效应（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0dt)的热源(dt0)给0的冰加热使之变

3、为0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的水和15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；（2） 表C的读数；（3） 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：二习题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。3一活塞、气缸组成的密闭空间，内充50g气体

4、，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1，搅拌停止后处于状态2，如下表所示。状 态p（MPa）v（m3/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) =h2-h141kg空气由p1=5MPa,t1=500，膨胀到p2=0.5MPa,t2=500，得到热量506kJ，对外做膨胀功506kJ。接着

5、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。500= 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2-1所示的设备进行绝热混合，以形成第三股

6、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hkJ/kg=1.004TK计算，理想气体的状态方程为pv=RT, R=287J/(kgK)。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，V1=0.3m3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=aV1-2p2=aV2-2pdV=aV-2dV=-aV2-1+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

7、程；2-3是定压过程；3-1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=0.025m3/kg，p2=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=0图2-29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=670

8、kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3,h3=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？（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？图2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)(3)0.5w32-0.5w22=h3-h2(4)Ws=0.5

9、*100kg/s*(w42-w32)(5)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？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，DS 0；DS =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dsq/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

10、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、可正可负亦可为零）。4判断是非（对画，错画）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25kJK，从300K的恒温热源吸热8000kJ，此过

11、程可逆?不可逆?还是不可能?25TB，两物体的质量相等mA=mB=m，其比热容亦相等cA=cB=c，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；（2）求可逆热机对外输出的净功。SA-SM=lnTA/TMSM-SB=lnTM/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T1和冷源T0之间工作，而热泵则在冷源T0和另一热源T1之间工作。已知T1=1000K、T1=310K、T0=250K。如果热机从热源T1吸收热量Q1=1kJ，而热泵向另一热源T1放出的热量QH供冬天室内取暖用。（1）如热机的热效率为

12、ht=0.50，热泵的供热系数eh=4，求QH； （2）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QHQ1，表示冷源T0中有一部分热量传入了温度T1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= Q1*ht =1*0.5=0.5kJQH=W*eh=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ(3) 不违反，T1T1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：二习题1热力学第一定律的数学表达式

13、可写成 或 两者有何不同？q=u+w 热力学第一定律的数学表达，普适的表达式q=Cv*T+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2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q143与q123哪个大？P4321vq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143w123w143所以 图4-13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4-2所示。试问u12与u13谁大谁小？又如2和3在同一条等温线上呢？P绝热线v3212-3为绝热膨

14、胀过程，内能下降。所以u2u3。 图4-24讨论1nk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30和90，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)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40下降到40，过程中气体做了60kJ/kg的功。若比热为定值，试求cp与cv的值。q=u+w0=Cv(-40-40)+60p1*vk= p1*

15、(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T1=470K，质量为2.5kg，经可逆定容过程，其热力学能变化为DU=295.4kJ,求过程功、过程热量以及熵的变化。设该气体R=0.4kJ/(kgK)，k=1.35,并假定比热容为定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q=DU, DT=DU/(2.5kg*Cv), DS=8在一具有可移动活塞的封闭气缸中，储有温度t1=45C，表压力pg1=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45C，压力为1

16、8kPa。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。91kg空气，初态p1=1.0MPa, t1=500C，在气缸中可逆定容放热到p2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t3=500C，再经可逆定温过程回到初态。求各过程的Du，Dh，Ds及w和q各为多少？并在p-v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

17、分别充以氮气和氧气，初态均为p1=2MPa，t1=27C。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=1.4 图4-3V1=0.0005m34*106*VO2/TO2=2*106*0.0005/(273+27)4*106*VN2/TN2=2*106*0.0005/(273+27)VO2+ VN2=0.0012*106*0.0005k=4*106*VN2k11如图4-4所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为t1=400，流量=120kg/h

18、；另一股的温度为t2=150，流量=210kg/h；在与外界绝热的条件下，它们相互混合形成压力相同的空气流。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、减小或不变？为什么？(400+273)*120+(150+273)*210=(120+210)*TT=熵增过程图4-4S=Q(1/423-1/673)12如图4-5所示，理想气体进行了一可逆循环1-2-3-1，已知1-3为定压过程，v3=2v1；2-3为定容过程，p2=2p3；1-2为直线线段，即p/v=常数。(1)试论证；(2)画出该循环的T-s图，并证明；(3)若该理想气体的cp=1.013kJ/(kgK)，cv=0.724kJ/(kgK)，试求该循环的热效率。(1)一个循环，内能不变，输出正功，总的吸热量为正；(3)T2=2*T3=4*T1Q12=Cv(T2-T1)+(p1+p2)*(V3-V1)/2= Cv(T2-T1)+Cp(T3-T1)/2+Cp(T3-T1)=Cv*3T1+Cp*T1/2+Cp*(2T1)/2（T1为压力p2以及容积v1在p-v图对应的温度） 图4-5Q2