工程热力学第四版习题提示及答案03章习题提示与答案

1、习题提示与答案第三章 理想气体热力学能、焓、比热容和熵的计算3-1 有1 kg氮气，若在定容条件下受热，温度由 100 C升高到500 C,试求过程中氮所吸收的热量。 提示：qv=cvoAT, cvo可取定值。答案： qV =296.4 kJ/kg 。3-2 有1 mol二氧化碳，在定压条件下受热，其温度由800 K升高到1 000 K，试求按定值比热容计算所引起的误差并分析其原因。提示： 依据真实比热容或热力性质表计算求得的热量为“准确”的热量值。答案： %= 29.37% ;原因：计算状态偏离定值比热容的状态(25 C )较远，且过程温差较大。3-3 有一个小气瓶，内装压力为 20 MPa

2、、温度为20 C的氮气10 cm3。该气瓶放置在一个 0.01 m3的绝 热容器中，设容器内为真空。试求当小瓶破裂而气体充满容器时气体的压力及温度，并分析小瓶破裂时气 体变化经历的过程。提示： 取全部气体为研究对象；理想气体，过程能量方程：Q=AU+W;理想气体的热力学能为温度的单值函数。答案：t2= 20 C, p2=20 kPa。3-4 有一储气罐，罐中压缩空气的压力为1.5 MPa、温度为37 C，现用去部分压缩空气，罐内压力降为1 MPa，温度降为3.1 C。假设耗气时储气罐和环境的热交换可忽略不计，试说明罐内所剩空气在储气罐 耗气过程中所进行的能量转换过程及其输出能量的数量。提示：取

3、罐内1 kg剩余空气为研究对象；过程能量方程：Q=AU+W。答案： w1-2=24.3 kJ/kg 。3-5 内燃机用增压器的进气压力为0.1 MPa、进气温度为27 C，而供给内燃机的气体压力为 0.2 MPa、温度为92.7 C。设增压器中空气的压缩过程可视为绝热的稳定流动过程，且进、出口流速及位置高度的变 化可忽略不计,试求增压器消耗的功。提示： 增压器所消耗的功转变为工质焓的增加。第三章理想气体的热力学能、焓、比热容和熵的计算-12 答案：Ws - 66 kJ/kg 。3-6 有一输气管断裂，管中压缩空气以高速喷出。设压缩空气的压力为0.15 MPa、温度为30 C,当喷至压力等于0.

4、1 MPa的环境中时，气流的温度降至0 C。试求喷出气流的流速并说明必要的假设条件。2提示：以1 kg压缩空气为研究对象；管内流动空气的总比能量h1 Cfl gz1等于喷出管外时空气的2 12总比能量 h2 字 gz2 ； 依题意 Cf1<<Cf2, Z1=Z2。2答案：Cf2 =245.4 m/s。3-7 有1 mol氧，设其温度为300 K，因受热而升温至520 K，设比热容按经验公式变化，试计算氧的 热力学能变化。提示：qm,V；Cv0,mdT，AU=qm,Vo11答案： u =4 977.1 kJ/mol。3-8 设在定压条件下加热1 mol氧，使其温度升高220 C,若初

5、始温度分别为 300 K及800 K，试求后 者所需热量为前者的几倍并说明其原因。提示：qp=h2-h1,焓值可由热力性质表确定。答案：q800oC 102°oc1.136 ；原因：随温度升高，比定压热容数值增加的幅度大。q300oC 520oC3-9根据氮的热力性质表中Cpm327 C25 C的数值。25 C及327 C时氮的焓值，试求25 C到327 C间氮的平均比定压热容提示：Cpm t2h2 m，焓值由热力性质表确定。t1AtAt答案：Cp,m 357CC =1.051 kJ/ ( kg K )。3-10 有0.2 kg空气，其压力为 0.1 MPa、温度为27 C，若在定温

6、下压缩使其压力增加到0.15 MPa , 试求其熵的变化。第三章 理想气体的热力学能、焓、比热容和熵的计算 12提示：空气看做理想气体，比热容看作定值。答案：S - 0.023 28 kJ/K。3-11 有1 mol氧，其温度由300K升高至600 K，且压力由0.2 MPa降低到0.15 MPa，试求其熵的变化：(1)按氧的热力性质表计算；(2)按定值比热容计算。提示：(1) As s0 s0 Rln P2 ,标准状态熵由热力性质表查取；(2)比热容为定值时，熵变为P1T 2P2As cp0ln 一 Rln 一。T1p1答案：(1) s 2352 J/(mol K) ; (2) s 2273

7、 J/(mol K)。3-12 有一空储气罐自输气总管充气，若总管中空气的压力为0.6 Mpa、温度为27 C，试求：(1)当罐内压力达到0.6 MPa时罐内空气的温度；(2)罐内温度和输气总管内空气温度的关系。提示：储气罐能量方程：Q=U2-U1 + He-Hi+Ws ( He为流出工质的焓,Hi为流入工质的焓)；过程特点：Q 0 ； U1=0 ； He=0 ； Ws=0 ； m1=m2；理想气体的热力学能与焓仅为温度的函数。答案：t2=147 C。3-13 图3-3所示气缸中气体为氢气。设气体受热膨胀推动重物及活塞上升，至销钉处 后活塞受阻，但仍继续对气体受热一段时间。已知该过程中气体接受

8、的热量为4 000气体温度由27 C升高到327 C。试求过程中气体所作的功及活塞达到销钉时气体的温度。提示：缸内气为理想气体，活塞受阻前，缸内气体进行的是定压膨胀过程，受阻后， 缸内气体进行的是定容吸热过程。答案：w=934 kJ/kg , t 526.5 K3-14 如图3-4所示自输气总管向气缸送气，设输气总管中空气压力为0.6 MPa，温度为27 C,而气缸中活塞及重物产生的压力为0.2 MPa。试求送气过程中气缸内空气的温度。提示： 气缸 内气体 的能量 方程：Q=mehe-mihi+m2U2-m1U1+W , 功 量W=mip(v2-w)=(m2-m1)Rg(T2-T1);过程特点

9、：Q=0 ； me=0 ； m1=0 ； (T1=0)，理想气体热力学能和焓为温度的单值函数。第三章理想气体的热力学能、焓、比热容和熵的计算-14 答案：t2=ti=27 C。图3-53-15 如图3-5所示为自输气总管向气缸充气，设输气总管中空气的压力为0.6 MPa、温度为27 C,而弹簧变形正比于压缩力。试求充气终了时气缸内空气的温度。提示： 气缸内气体的能量方程：Q = mehe- mihi+m2U2- miui+W;过程特点：Q=0;2me=0； mi=0； m2-mi； p av ；功量 W pdvv2avdv。1vi答案：T2=350.65 K。3-16 有50 kg废气，其质量

10、分数为：Wg = 0.14, Wo2 = 0.06, wHzO = 0.05, wN2=0.75。又有75 kg空气，其质量分数为：wo2 = 0.232, wn2 = 0.768。试求两者混合物的：（1）质量分数;摩尔质量；（3）折合气体常数。提示：mi wi m答案：(1) w°20.1632, wC°2 0.056, w0.7608, wO0.02； (2) M=28.8 g/mol ； (3) Rg=2887 kJ/(kg K)。3-17 汽油发动机吸入气缸的是空气和汽油蒸气的混合物，其中汽油的质量分数wg= 0.06。若汽油的相对分子质量为114,混合气的压力为0

11、.095 MPa，试求：（1）空气和汽油蒸气的分压力； 混合气的摩尔质 量；（3）混合气的折合气体常数。提示：nnWi 1 ；yii彳Mi1 ； wiyiMnPiip ； pipViV ； iyi 。答案：(1) pg=0.001 52 MPa ,pA =0.093 5 MPa ;(2)M=30.33 g/mol ；(3) Rg=0.274 J/(g K)。3-18已知空气的质量分数为w°2 = 0.23、 wn2 =0.77,空气的温度为25C。试求：（1）按氧及氮的热力性质表求取空气的热力学能及焓；按氧和氮的定值比热容计算空气的定值比热容。提示：略。答案：（1） u=214.7

12、kJ/kg , h=300.7 kJ/kg ； （2） cw=0.721 kJ/（kg K） , cp0=1.01 kJ/（kg K）。3-19燃烧气体的分数为：wco2 = 0.12, wh2o = 0.03, wo2 = 0.07, wn2 = 0.78。设比热容为定值,试求燃烧气体的定值比热容的数值。提示：组成气体的比热容由热力性质表确定。答案：C/00.745 kJ/(kg K) , cp0 =1.032 kJ/(kg K)。3-20有一密土寸容器，用隔板分成A、B两部分，并各充有压缩空气。 已知：VA 2.5 m , Pa 6.86 bar,tA= 80 C； VB= 1 m3, pB= 9.8 bar, tB= 30 C。现抽去隔板使两部分混合。 若混合过程中容器向外散热 41900J, 设比热容为定值，试求混合后空气的温度及压力。提示：容器内空气作为理想气体处理；取容器内全部气体作为分析对象，过程能量方程Q = AU+W;过程特点：W=0 , m=mA+mB;理想气体热力学能为温度的单值函数。答案：T2330.93 K , p2=765 kPa。3-21 在密闭的绝热气缸中，活塞把气缸分成 A、B两部分，设A