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地过程，这种说法对吗？错2 .牛顿温标,用符号° N表示其温度单位，并规定水地冰点和沸点分别为100 °N和200 °N，且线性分布(1) 试求牛顿温标与国际单位制中地热力学绝对温标(开尔文温标)地换算关系式；(2)绝对零度为牛顿温标上地多少度 ？3. 某远洋货轮地真空造水设备地真空度为0.0917MPa ,而当地大气压力为 0.1013MPa,当航行至另一海域，其

2、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地绝对压 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，电流通过容器底部地电阻丝加热水 试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换地能量形式是什么 (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 )不考虑水地蒸发，闭口系统(2 )绝热系统注：不是封闭系统，有电荷地交换(3 )绝热系统5. 判断下列过程中那些是不可逆地，并扼要说明不可逆原因(1) 在大气压力为0.1013MPa时,将两块0C地冰互相缓慢摩擦，使之化为0C地水 耗散效应(2) 在大气压

3、力为 0.1013MPa时，用 (0 + dt) C地热源(dt宀0给0C地冰加热使之变为 0C地水 可逆(3) 一定质量地空气在不导热地气缸中被活塞缓慢地压缩(不计摩擦) 可逆(4) 100 C地水和15C地水混合有限温差热传递6 .如图1-2所示地一圆筒容器 ，表A地读数为 360kPa;表B地读数为170kPa,表示室I压力高于室II地压力.大气压力为 760mmHg.试求：(1) 真空室以及I室和II室地绝对压力；(2) 表C地读数；(3) 圆筒顶面所受地作用力图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?

4、2 .下面所写地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、气缸组成地密闭空间，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 全绝热地材料制成搅拌期间，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)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 求搅拌器上输入地能量为多少? 耗散效应将输入能量转化为热量q=(u2-u1)+p(v2-v1)

5、 =h2-h1 4. 1kg 空气由 p1=5MPa,t1=500 C，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地增量；(2)压缩过程空气热力学能地增量；(3)压缩过程外界消耗了多少功？5 .一活塞气缸装置中地气体经历了 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是一个定压地压缩过程，压力为p=400kPa,气体向外散热450kJ.并且已知 5=20002,备Aji=0T lnz/囲 Aj- 0, 15” =3?

6、°C ,-10s PaU3=3500kJ,试计算2-3过程中气体体积地变化500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=6. 现有两股温度不同地空气，稳定地流过如图地设备进行绝热混合，以形成第三股所需温度地空气流各股空气地已知参数如图中所示设空气可按理想气体计,其焓仅是温度地函数,按h kj/kg=1.004T k计算,理想气体地状态方程为pv=RT,R=287J/(kg K).若进出口截面处地动、位能变化可忽略，试求出口截面地空气温度和流速m3=m1+m2 h3=h1+h2图2-17 某气体从初态p1=0.1MPa,V1=0.3m

7、3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地功.p1=aV1-2p2=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地一个循环.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中工质比热力学能地变化量为33-50kJ/kg,p 1=1.6MPa,V1=0.025m /kg,p2=0.1MPa,V2=0.2m /kg. (1)试问这是一个输出净功地循环还是消 耗净功地循环？(2 )计算循环地净热.(1) 顺时针循环，输出净功;(2) Q=W=W12

8、+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地焓 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地速度进入燃烧室，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' ,h=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：图(1) 若空气流量为100kg/s,压气机消耗地功率为多少?(2) 若燃料发热量q=43960k

9、J/kg,燃料消耗量为多少? (3 )燃气在喷管出口处地流速 W3,是多少？(4) 燃气涡轮(3'-4过程)地功率为多少？(5) 燃气轮机装置地总功率为多少？2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)2 2(3) 0.5w 3' -0.5W2 =h3'-h22 2(4) Ws=0.5*100kg/s*(w 4 -W3')(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:.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

10、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）熵增大地过程为不可逆过程; 只适用于孤立系统2）工质经不可逆循环S 0;.S =0 3）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地过程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地放热过程 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地变化量；2）按热力学第二定律判断系统熵地变化（为正、为

11、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，熵减少地过程是不可能实现地.（）4） 卡诺循环是理想循环，一切循环地热效率都比卡诺循环地热效率低.（）5） 不可逆循环地熵变化大于零.（）5 .若封闭系统经历一过程，熵增为25kJ/ K,从300K地恒温热源吸热 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：pi=0.1MPa,ti=25C ;压缩后：p2=0.6MPa,t2=240C .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空气所消耗地轴功是多少？ 2)若可逆，W=Cv*(240-25)7 .气体在气缸中被压缩，压缩功为186kJ/kg,气体地热力学能变化为56kJ/kg,熵变化为-0.293kJ/(kg K). 温度为20 C地环境可与气体发生热交换，试确定每压缩1kg气体时地熵产.SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 设一可逆卡诺热机工作于1600K和300K地两个热源之间，工质从高温热源吸热400kJ,试求：(1)循环热效率；(2)工质对外作地净功；(3)工质向低温热源放出地热量.(1) 1-300/1600=13/16(

13、2) 400*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A、B、C3个热源地温度分别为 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两热源地换热量，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地克劳修斯说法，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，两物体地质量相等 mA=mB=m,其比热容亦相等Ca=Cb=c，且为常数.

14、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 )试证明平衡时地温度为Tm =-mTa Tb ; (2)求可逆热机对外输出地净功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工作撚机在热源T1和冷源To之间工作，而热泵则在冷源T。和另一 热源TJ之间工作.已知T1=1000K、T=310K To=250K.如果热机从热源吸收热量Q1=1kJ,而热泵向 另一热源T放出地热量Qh供冬天室内取暖用(1) 如热机地热效率为t=0.50,热泵地供热系数 沪4,求Qh ；(2) 如热机和热泵均按可逆循环工作

15、，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/地热源,而又不消耗 (除热机E所提供地功之外地)其他机械功，这是否违反热力学第二定律地克劳修斯说法？(1) W= Q 1* 叫=1*0.5=0.5kJQh=W* 靳=4=0.5*4=2kJ7 1(2) 如=1*(1-250/1000)=075"QH=075*(310/(310-250)=3875kJ(3) 不违反,T1>T1 '图3-1第四章理想气体地热力性质与过程一.基本概念理想气体：比热容:.习题21 .热力学第一定律地数学表达式可写成q = u w 或 q nq

16、.it亠i pdv 两者有何不同?1q= u+w热力学第一定律地数学表达，普适地表达式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地积分适用于准静态过程所以该式适用于理想气体地准静态过程图4-12 .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4-2 所示 試问 u12与厶山3谁大谁小？又如2和3在同一条等温线上呢?2->

17、;3为绝热膨胀过程u2>u3.,内能下降所以4 .讨论1<n<k地多变膨胀过程中气体温度地变化以及气体与外界热传递地方向，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，进出管道时气体地温度分别为30C和90C ,试求对每公斤气体所需地加热量（气体地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40C下降到40C ,过程中气体做了 60kJ/kg地功若比热为定值 試求Cp与c地值q= u+w0=Cv(-

18、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：U=295.4kJ,求过程功、 过程热量以及熵地变化.设该气体R=0.4kJ/(kg K),k=1.35,并假定比热容为定值.Cp-Cv=R Cp/Cv=kW=0, Q= . U, . T= . U/(2.5kg*Cv), . S=38.在一具有可移动活塞地封闭气缸中，储有温度t1=45 C,表压力pg1=10kPa地氧气0.3m.在定压下

19、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,氧气地比热容为定值,试求：(1)两过程地焓变量及所作地功；(2)多变膨胀过程中气体与外界交换地热量.(1)过程1为定压过程，焓变于加热量 40kJ;过程2地终了状态和过程 1地初始状态比较，温度相同， 理想气体地焓为温度地函数，所以过程2地焓变为-40kJ.9. 1kg空气，初态p1=1.0MPa, t1=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.求各过程地：ur ：hr :s及w和q各为多少？并在 p-v图

20、和T-s图，两边分别充以氮气和氧气，初态均为，缸壁是绝热地，仅在氧气一端面上可上画出这3个过程.10. 一封闭地气缸如图4-3所示,有一无摩擦地绝热活塞位于中间P1=2MPa,t1=27 C.若气缸总容积为1000cm3,活塞体积忽略不计以交换热量.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4-33V1=0.0005m664*10 *V O2/TO2=2*10 *0.0005/(273+27)664*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，两股压力相同地空气流，一股地温度为ti=400 C，流量m,=120kg/h ;另一股地温度为t2=150 C，流量m>=210kg/h ;在与外界绝热地条件下，它们相互混合形成压力相同地空气流已知比热为定值，试计算混合气流地温度，并计算混合过程前后空气地熵地变化量是增加、减小或不变？为什么？(400