工程的热力学和传热学课后问题详解(前五章)

1、实用标准文案第一篇 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：、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°N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0.0917 MPa，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，

2、其真空度变化为0.0874MPa，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。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0C的冰互相缓慢摩擦，使之化为0C的水。 耗散效应(2) 在

3、大气压力为 0.1013MPa时，用(0 + dt) C的热源(dt宀0)给0 C的冰加热使之变为 0 C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；(2) 表C的读数；精彩文档(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：.习题1.膨胀功、流动功、轴功和技术功

4、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。q = u w q = du 亠 <wg 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( MPav (mi/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

5、量转化为热量q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h2-h14.1kg 空气由 pi=5MPa,ti=500C,膨胀到 p2=0.5MPa,t 2=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U=2000kJ, U

6、3=3500kJ，试计算2-3过程中气体体积的变化。备Aji=0T lnz/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，稳定地流过如图精彩文档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 kj/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+m

7、2h3=h1+h2图2-17 某气体从初态p1=0.1MPa, V=0.3m3可逆压缩到终态p2=0.4MPa,设压缩过程中p=aV2，式中a为常 数。试求压缩过程所必须消耗的功。p1=aV2p2=aV-2/ pdV=/ aV2dV=-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)

8、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 w=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' ,h3' =800kJ/kg，流速增至w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1UW4=100m/s。求：(1) 若空气流量为100kg/

9、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)22(3) 0.5w 3' -0.5w 2 =h3' -h22 2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w4 -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

10、第二定律可否表述为: 等温膨胀过程热完全转化为功"功可以完全变为热，但热不能完全变为功”，为什么?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> 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

11、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的恒温热源吸热逆?还是不可能？（）8000kJ，此过程可逆25<=8000/300不可能6 .空气在某压气机中被绝热压缩，压缩前: 精彩文档p1=0.1MPa,

12、t1=25C ;压缩后：p2=0.6MPa, 12=240 C。实用标准文案设空气比热为定值，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

13、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) 400*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

14、，其初温Ta>Tb,两物体的质量相等nm=m=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To之间工作，而热泵则在冷源To和 另一热源T1之间工作。已知 T1=1000K、=310K、T°=250K。如果热机从热源吸收热量Q=1kJ, 而热泵向另一热源T1 '放出的热量Q供

15、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 庐4,求Q;(2) 如热机和热泵均按可逆循环工作，求Q;(3) 如上述两次计算结果均为 Q>Q,表示冷源T。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= Q 1* q =1*0.5=0.5kJj:pQ=W*a>=4=0.5*4=2kJ1 (2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQ=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不违反，T1>T1'第四章一.基本概念理想

16、气体：比热容：图3-1理想气体的热力性质与过程.习题21.热力学第一定律的数学表达式可写成q = u w 或 q =.吐 pdv 两者有何不同？1q=A u+w热力学第一定律的数学表达，普适的表达式q=Cv*A 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 qi43与qi23哪个大?vq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以3 .有两个任意过程 1-2和1-3，

17、点2和点3在同一条绝热线上，如图4-2所示。试问 52与厶山3谁大谁小？又如 2和3在同一条等温线上呢？ 2->3为绝热膨胀过程，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30 C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下降到一40 C,过程中6 某理想气体

18、在气缸内进行可逆绝热膨胀，当容积为二倍时，温度由 气体做了 60kJ/kg的功。若比热为定值，试求Cp与cv的值。q= A u+w0=Cv(-40-40)+60kkp1*v = p1*(2v)p1*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 AU=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

19、.5kg*Cv),. ：S=8 在一具有可移动活塞的封闭气缸中，储有温度11=45 C,表压力pg1=10kPa的氧气0.3mV1=0.0005m 6 6 4*10 *Vo2To=2*10 *0.0005/(273+27) 4*10 6*Vn2T n2=2*10 6*0.0005/(273+27) Voz+ V N2=0.001。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

20、;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, t 1=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13=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 11=27心若气缸总容积为1000CR1，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=1.411=400C，流量 mi =120kg/h ;另一股11 如图4-4所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为 的温度为t2=150C，流量m2 =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