工程热力学和传热学课后答案前五章

1、页眉内容第一篇工程热力学第一章基本概念一i.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°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0.0917MPa,而当地大气压力为0.1013MPa,当航行至另一海域，其真空度

2、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？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nn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。二二Z二二(1)不考虑水的蒸发，闭口系统。I(2)绝热系统。注：不是封闭系统，有电荷的交换二|(3)绝热系统。亡二22221II_二二二I一图1-1并扼要说明不可逆原因。0.1013MPa时，将两块0c的冰互相缓慢摩擦，使之化为0.1013MPa时，用(0+dt)C的热源(dt5

3、 .判断下列过程中那些是不可逆的，0c的水。一0给0C的冰加热使之变为0C的水。(不计摩擦)。图1-2(1)在大气压力为耗散效应(2)在大气压力为可逆(3) 一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩可逆(4) 100c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；(3) 圆筒顶面所受的作用力。35页脚内容页眉内容第二章热力学第一定律一i.基本概念功：热量：体积功:节流:二.习题1 .膨胀功、流

4、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，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)/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-v

5、1)=h2-h14.1kg空气由p1=5MPa,t1=500C,膨胀至ijp2=0.5MPa,t2=500C,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U1=2000kJ,U3=3500kJ,试计算2-3过程中气体体积的变化。500=U2-U1+

6、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，其烙仅是温度的函数，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4i=10u/%Aji=O,la23既,pt，绝热心盘-1E/afAt2=37oC,p£=105Pa能变化可忽略，试求出口截面的空气温度和流速。m3=m1+m2h3=h1+h22-17 .某气体从初态p1=0.1MPa,V1

7、=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。-2p1=aV1-2p2=aV2/pdV=faV-2dV=-aV2-1+aV2-136页脚内容页眉内容8.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,pi=1.6MPa,vi=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。I(1)顺时针循环，输出净功；K(2)

8、Q=W=W12+W23+W3112-2W12=509.某燃气W的装置如图2-3所示。已知压气机进口处空气的燃、h1=290kJ/W31=0压缩后，空气升温使比次含增为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I工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态1cl'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3,314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？J:-(2)若

9、燃料发热量q=43960kJ/kg,燃料消耗量为多少？J(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)0.5w3,-0.5w22=h3'-h2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w42-W32)(5)Ws-W1第三章热力学第二定律一i.基本概念克劳修斯说法：开尔文说法：卡诺定理：嫡流：嫡产：嫡增原理：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

10、胀过程热完全转化为功2 .下列说法是否正确，为什么？1)嫡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，As>0;.S=03)可逆绝热过程为定嫡过程，定嫡过程就是可逆绝热过程；定嫡过程就是工质状态沿可逆绝热线变化的过程4)加热过程，嫡一定增大；放热过程，嫡一定减小。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的放热过程。37页脚内容页眉内容对于可逆过程，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嫡的变化（为正、为负、可

11、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，其嫡必增加。（）2）在任何情况下，工质放热，其嫡必减少。（）3）根据嫡增原理，嫡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）不可逆循环的嫡变化大于零。（）5 .若封闭系统经历一过程，嫡增为25kJ/K,从300K的恒温热源吸热8000kJ,此过程可逆？不可逆？还是不可能？25<=8000/300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，问：1）此压缩过程

12、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,嫡变化为-0.293kJ/（kgK）。温度为20C的环境可与气体发生热交换，试确定每压缩1kg气体时的嫡产。SF=-（186-56）/（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=32

13、5（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，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，

14、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=JTaTb;（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Ti和冷源To之间工作，而热泵则在冷源To和另一热源Ti'之间工作。已知Ti=1000K、Ti'=310KTo=250K。如果热机从热源Ti吸收热量Q1=1kJ,38页脚内容页眉内容而热泵向另一热源放出的热量Qh供冬天室内取暖用。(1)如热机的热效率为%=0.50,热泵的供热系数5=4,求Qh；(2)如热机和热泵均按可逆循环工作，求Qh;

15、(3)如上述两次计算结果均为Qh>Qi,表示冷源To中有一部分热量传入了温度T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=Qi*t=1*0.5=0.5kJQh=W*h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不违反，T1>T1'第四章“T；理想气体的热力性质与让程口一i.基本概念理想气体：比热容:二.习题21 .热力学第一定律的数学表达式可写成q=Au+w或q=cvAt+Jpdv两者有何不同？1q=Au+w热力学第

16、一定律的数学表达，普适的表达式q=Cv*ZT+/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，试判断中43与q123哪个大？P2>3q123=(u3-u1)+w123T图fq143=(u3-u1)+w1433.有两个任匕过程I1-2和1-3,点2和1力初稿行家绝热线上，如图4-2所示。试问452与453谁大谁小!?况如2琏3在同一条等温线上呢所以4.讨论定律加以内能增加1<n<解和,吸热2->3为绝热膨胀过程，

17、内能下降。所以u2>u3。变膨胀过程惬翔缅度的变化以及气体与外界热传递的方向，并用热力学第5.理想气体分了量M-16,k-1上,芍此气体稳定地流过一管道，进出管道时气体的温度分别为和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)。30CR=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)39页脚内容页眉内容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的功。若比热为定值，试求Cp与Cv的值。q=Au+w0=Cv(-40-40)+60p1*vk=p1*(2v)kp1*v=R(2

18、73+40)p2*2v=R(273-40)w=R*T1/(k-1)*(1-T2/T1)Cp=Cv+R7 .某理想气体初温Ti=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、过程热量以及嫡的变化。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=.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=45七，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45七，压力为18kPa。设环境大气压力

19、为0.1MPa,氧气的比热容为定值，试求：(1)两过程的始变量及所作的功；(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，始变于加热量40kJ;过程2的终了状态和过程1的初始状态比较，温度相同，理想气体的始为温度的函数，所以过程2的始变为-40kJo9 .1kg空气，初态p1=1.0MPa,t1=500七，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Au,Ah,公及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，

20、初态均为p=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/产产“斤一尸,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/肌o7Q图上。绝热系数k=1.41二图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=400C,流量m(=120kg/h;另一股的温度为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嫡的变化量是增加、减小或不变？为什么？(400+273)*120+(150+273)*210=