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，而当地大气压力为，当航行至另一海域，其真空度变化为，而当地大气压力变化为。试问

2、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。1-1 5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）在大气压力为时，用 （0dt）的热源（dt 0）给0的冰加热使之变为 0的水。 可逆（3）一定质量的

3、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：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。duc2g z wspdV

4、3 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 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)12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=,t2=500 ，得到热量 506kJ，对外做膨胀功 506kJ。接 着又从终态被压缩到初

5、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

6、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 hkJ/kg=TK 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=，V1=0.3m3 可逆压缩到终态 p2=，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。p 1=aV1-2p 2=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

7、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=，v1=0.025m3/kg，p2=， 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+W31 W12=50 W23= 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 w2=20m/s 的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使

8、 工质吸入热量 q=670kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3'3,'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图2-3w 4=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(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=

9、100kg/s*(h2-h1)第三章 （3）3'3'100kg3' 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：二习题功可以完全变为热，但热不能完全变为功 ”，为什么1热力学第二定律可否表述为：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， 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 dsq/T ，前半句绝对正确，后半

10、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

11、系统经历一过程，熵增为25kJK，从 300K 的恒温热源吸热 8000kJ，此过程可逆不可逆还是不可能25<=8000/3006 空气在某压气机中被绝热压缩，压缩前： 定值，问： 1）此压缩过程是否可逆为什么不可能p1=， t1=25 ；压缩后： p2=，t2=240 。设空气比热为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 (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)/(

12、273+20)=S2-S1=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+

13、QC=400QB=-3200QC=600 10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，其初温 TA>TB，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 TmTA TB ；( 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

14、热泵则在冷源 T0和 另一热源 T1'之间工作。已知 T1=1000K、T1'=310、KT0=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 t=，热泵的供热系数 h=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 QH>Q1，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*t =1*=QH=W* h=4=

15、*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)= QH=*(310/(310-250)=(3) 不违反， T1>T1'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：习题21 热力学第一定律的数学表达式可写成 q u w 或 q cv t pdv 两者有何不同1q= 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v2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

16、，试判断 q143 与 q123 哪个大q123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143 所以3 在同一条绝热线上，如图 4-2 所示。试问 u12 与 u133 有两个任意过程 1-2 和 1-3，点 2 和点 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=，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

17、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=k q=Cp(T2-T1)40 下降到 40 ，过程中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 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)+60 p1*v k= p1*(2v) k 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=

18、,求过程功、过程热量以及熵的变化。设该气体R=(kg·K)， k=,并假定比热容为定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q=U, T=U/(2.5kg*Cv), S=8在一具有可移动活塞的封闭气缸中，储有温度t1=45?C，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45?C，压力为 18kPa。设环境大气压力为，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

19、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=, t1=500?C，在气缸中可逆定容放热到 p2=，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。图 4-310一封闭的气缸如图 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 态均为 p1=2MPa， t1=27?C。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

20、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=V1=0.0005m 34*10 6*VO2/T O2=2*10 6*(273+27)4*10 6*VN2/TN2=2*10 6*(273+27)VO2+ VN2=2*10 6*=4*10 6*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 m1 =120kg/h ；另一股的温度为 t2=150，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=(120+210)*TT=图 4-4熵增过程S=Q(1/423-1/673)12如