工程熱力學和傳熱學課后答案(前五章)

1、第一篇工程熱力學一.基本概念系統(tǒng)： 狀態(tài)參數(shù): 可逆過程： 循環(huán):第一章基本概念可逆循環(huán)：不可逆循環(huán):熱力學平衡態(tài)：溫度：熱平衡定律：溫標：準平衡過程:、習題1 .有人說，不可逆過程是無法恢復到起始狀態(tài)的過程，這種說法對嗎？錯2 .牛頓溫標，用符號°“表示其溫度單位，并規(guī)定水的冰點和沸點分別為100。“和200 °N,且線性分布。(1) 試求牛頓溫標與國際單位制中的熱力學絕對溫標(開爾文溫標)的換算關系式；(2)絕對零度為牛頓溫標上的多少度 ？3. 某遠洋貨輪的真空造水設備的真空度為0.0917MPa,而當?shù)卮髿鈮毫?0.1013MPa,當航行至另一海域，其真空度變化為0

2、.0874MPa,而當?shù)卮髿鈮毫ψ兓癁?.097MPa。試問該真空造水設備的絕對壓力有無變化？圖1-14 .如圖1-1所示，一剛性絕熱容器內(nèi)盛有水，電流通過容器底部的電阻絲加熱 水。試述按下列三種方式取系統(tǒng)時，系統(tǒng)與外界交換的能量形式是什么。(1) 取水為系統(tǒng)；(2)取電阻絲、容器和水為系統(tǒng)；(3)取虛線內(nèi)空間為系統(tǒng)。(1 )不考慮水的蒸發(fā)，閉口系統(tǒng)。(2 )絕熱系統(tǒng)。注：不是封閉系統(tǒng)，有電荷的交換(3)絕熱系統(tǒng)。5.判斷下列過程中那些是不可逆的，并扼要說明不可逆原因。(1) 在大氣壓力為0.1013MPa時，將兩塊0C的冰互相緩慢摩擦，使之化為0C的水。 耗散效應(2) 在大氣壓力為 0.1

3、013MPa時，用(0 + dt) C的熱源(dt宀0給0C的冰加熱使之變?yōu)?0C的水。 可逆(3) 一定質(zhì)量的空氣在不導熱的氣缸中被活塞緩慢地壓縮(不計摩擦)。 可逆(4) 100 C的水和15C的水混合。有限溫差熱傳遞6 .如圖1-2所示的一圓筒容器，表 A的讀數(shù)為 360kPa ;表B的讀數(shù)為170kPa,表示室I壓力高于 室II的壓力。大氣壓力為 760mmHg。試求：(1) 真空室以及I室和II室的絕對壓力；表C的讀數(shù)；36(2) 圓筒頂面所受的作用力。圖1-2第二章熱力學第一定律一.基本概念功：熱量：體積功：節(jié)流：.習題1.膨脹功、流動功、軸功和技術(shù)功四者之間有何聯(lián)系與區(qū)別？2 .

4、下面所寫的熱力學第一定律表達是否正確？若不正確，請更正。q = du 亠g zWs3 .一活塞、氣缸組成的密閉空間，內(nèi)充50g氣體，用葉輪攪拌器攪動氣體?；钊飧?、攪拌器均用完全絕熱的材料制成。攪拌期間，活塞可移動以保持壓力不變，但絕對嚴密不漏氣。已測得攪 拌前氣體處于狀態(tài)-攪拌停止后處于狀態(tài) 2,如下表所示。狀態(tài)p ( MPa)3v (m /kg)u (kJ/kg)h(kJ/kg)13.50.0071122.7547.6423.50.0191697.63164.69活塞與氣缸壁間有一些摩擦。求攪拌器上輸入的能量為多少? 耗散效應將輸入能量轉(zhuǎn)化為熱量q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h

5、2-h14. 1kg 空氣由 pi=5MPa,ti=500C，膨脹到 p2=0.5MPa,t2=500 C,得到熱量 506kJ,對外做膨脹功 506kJ。 接著又從終態(tài)被壓縮到初態(tài)，放出熱量390kJ,試求：(1) 膨脹過程空氣熱力學能的增量；(2)壓縮過程空氣熱力學能的增量；(3)壓縮過程外界消耗了多少功？5 .一活塞氣缸裝置中的氣體經(jīng)歷了2個過程。從狀態(tài)1到狀態(tài)2，氣體吸熱500kJ，活塞對外作功800kJ。從狀態(tài)2到狀態(tài)3是一個定壓的壓縮過程，壓力為p=400kPa，氣體向外散熱450kJ。并且已知U1=2000kJ, U3=3500kJ，試計算2-3過程中氣體體積的變化。A 3=O.

6、 Sm2巧=7/囲 Aj- 0, 15” =3? °C ,-10s Pa500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=6 .現(xiàn)有兩股溫度不同的空氣，穩(wěn)定地流過如圖 示的設備進行絕熱混合，以形成第三股所需溫度的空氣流。各股空氣的已知參數(shù)如圖中所示。設空 氣可按理想氣體計，其焓僅是溫度的函數(shù)，按h j/kg=1.004T k計算，理想氣體的狀態(tài)方程為 pv=RT, R=287J/(kg K)。若進出口截面處的動、位能變化可忽略，試求出口截面的空氣溫度和流速。m3=m1+m2h3=h1+h2圖2-17 某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa ,

7、V1=0.3mW1=100kg/s*(h2-h1) m*43960=100kg/s*(h2-h1)2 2 0.5w 3' -0.5W2 =h3'-h2可逆壓縮到終態(tài)P2=0.4MPa，設壓縮過程中p=aV-2，式中a為 常數(shù)。試求壓縮過程所必須消耗的功。P1=aVf2p2=aV22/ pdV= / aV-2dV=-aV 2-1+aV2-18 如圖2-2所示，p-v圖上表示由三個可逆過程所組成的一個循環(huán)。1-2是絕熱過程；2-3是定壓過程；33-1是定容過程。如絕熱過程 1-2中工質(zhì)比熱力學能的變化量為-50kJ/kg, p1=1.6MPa , V1=0.025m /kg ,P2

8、=0.1MPa, V2=0.2m3/kg。(1)試問這是一個輸出凈功的循環(huán)還是消耗凈功的循環(huán)？(2) 計算循環(huán)的凈熱。(1) 順時針循環(huán)，輸出凈功;(2) Q=W=W12+W23+W31W12=50W23=W31=09 .某燃氣輪機裝置如圖 2-3所示。已知壓氣機進口處空氣的焓h1=290kJ/kg，經(jīng)壓縮后，空氣升溫使比焓增為h2=580kJ/kg，在截面2處與燃料混合，以W2=20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，使 工質(zhì)吸入熱量q=670kJ/kg。燃燒后燃氣經(jīng)噴管絕熱膨脹到狀態(tài)3'扣800kJ/kg ,流速增至W3'燃氣再進入動葉片，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)做功。若燃氣在動葉片

9、中熱力狀態(tài)不變，最后離開燃氣輪機速度為W4=100m/s。求：(1) 若空氣流量為100kg/s，壓氣機消耗的功率為多少？(2) 若燃料發(fā)熱量q=43960kJ/kg，燃料消耗量為多少？ru圖2-3(3) 燃氣在噴管出口處的流速 W3,是多少？(4) 燃氣渦輪(3'-4過程)的功率為多少？(5) 燃氣輪機裝置的總功率為多少？2 2（4）Ws=0.5*100kg/s*（w 4 -W3'）Ws-W1第三章熱力學第二定律一. 基本概念克勞修斯說法：開爾文說法： 卡諾定理： 熵流： 熵產(chǎn)：熵增原理：二. 習題1 .熱力學第二定律可否表述為：功可以完全變?yōu)闊?，但熱不能完全變?yōu)楣Α?，為什?/p>

10、？等溫膨脹過程熱完全轉(zhuǎn)化為功2 .下列說法是否正確，為什么？1）熵增大的過程為不可逆過程； 只適用于孤立系統(tǒng)2） 工質(zhì)經(jīng)不可逆循環(huán)，S 0;.S =03）可逆絕熱過程為定熵過程，定熵過程就是可逆絕熱過程；定熵過程就是工質(zhì)狀態(tài)沿可逆絕熱線變化的過程4）加熱過程，熵一定增大；放熱過程，熵一定減小。根據(jù)ds淤q/T，前半句絕對正確，后半句未必，比如摩擦導致工質(zhì)溫度升高的放熱過程。 對于可逆過程，都正確。3 .某封閉系統(tǒng)經(jīng)歷了一不可逆過程，系統(tǒng)向外界放熱為10kJ，同時外界對系統(tǒng)作功為20kJ。1）按熱力學第一定律計算系統(tǒng)熱力學能的變化量；2） 按熱力學第二定律判斷系統(tǒng)熵的變化（為正、為負、可正可負亦

11、可為零）。4 .判斷是非（對畫，錯畫X）1） 在任何情況下，對工質(zhì)加熱，其熵必增加。（）2） 在任何情況下，工質(zhì)放熱，其熵必減少。（）3） 根據(jù)熵增原理，熵減少的過程是不可能實現(xiàn)的。（）4） 卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，一切循環(huán)的熱效率都比卡諾循環(huán)的熱效率低。（）5） 不可逆循環(huán)的熵變化大于零。（）5 .若封閉系統(tǒng)經(jīng)歷一過程，熵增為25kJ/ K，從300K的恒溫熱源吸熱 8000kJ，此過程可逆?不可逆？還是不可能？25<=8000/300不可能6 .空氣在某壓氣機中被絕熱壓縮，壓縮前：p1=0.1MPa , t1=25C ;壓縮后：p2=0.6MPa , t2=240 C。設空氣比熱為定值，

12、問：1)此壓縮過程是否可逆？為什么？2)壓縮1kg空氣所消耗的軸功是多少？2)若可逆，W=Cv*(240-25)7 氣體在氣缸中被壓縮，壓縮功為186kJ/kg，氣體的熱力學能變化為56kJ/kg，熵變化為-0.293kJ/(kg K)。溫度為20 C的環(huán)境可與氣體發(fā)生熱交換，試確定每壓縮1kg氣體時的熵產(chǎn)。SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 設一可逆卡諾熱機工作于 1600K和300K的兩個熱源之間，工質(zhì)從高溫熱源吸熱400kJ，試求：(1)循環(huán)熱效率；(2)工質(zhì)對外作的凈功；(3)工質(zhì)向低溫熱源放出的熱量。(1) 1-300/1600=13/16(2) 4

13、00*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A、B、C3個熱源的溫度分別為 500K , 400K和300K，有可逆機在這3個熱源間工作。若可逆 機從熱源A吸入3000kJ熱量，輸出凈功400kJ，試求可逆機與B , C兩熱源的換熱量，并指明方向。3000/500+QB/400+QC/300=03000+QB+QC=400QB=-3200QC=60010. 試論證如違反熱力學第二定律的克勞修斯說法，則必然違反開爾文說法以及違反開爾文說法必 然導致違反克勞修斯說法。11. 有A , B兩物體，其初溫Ta>Tb,兩物體的質(zhì)量相等 mA=mB=m，其比熱容亦相等Ca=Cb=c

14、,且為 常數(shù)。可逆熱機在其間工作，從A吸熱，向B放熱，直至兩物體溫度相等時為止。(1 )試證明平衡時的溫度為Tm = .Ta Tb ; (2)求可逆熱機對外輸出的凈功。SA-SM=l nTA/TMSM-SB=l nTM/TBSA-SM= SM-SB12. 如圖3-1所示，用熱機E帶動熱泵P工作，熱機在熱源和冷源T。之間工作，而熱泵則在冷源 T。 和另一熱源T之間工作。已知T1=1000K、T1' =310KTo=250K。如果熱機從熱源吸收熱量Q1=1kJ , 而熱泵向另一熱源放出的熱量Qh供冬天室內(nèi)取暖用。(1) 如熱機的熱效率為t=0.50 ,熱泵的供熱系數(shù) h=4，求Qh ；(2

15、) 如熱機和熱泵均按可逆循環(huán)工作，求Qh ；(3) 如上述兩次計算結(jié)果均為 Qh>Q1，表示冷源To中有一部分熱量傳入了溫度 T的熱源，而又不 消耗(除熱機E所提供的功之外的)其他機械功，這是否違反熱力學第二定律的克勞修斯說法？(1) W= Q 1*2 =1*0.5=0.5kJQh=W* h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kT QH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不違反，T1>T1 'To圖3-1第四章理想氣體的熱力性質(zhì)與過程一.基本概念理想氣體：比熱容:.習題21.熱力學第一定律的數(shù)學表達式可寫成q二山 w

16、 或 q二4 pdv 兩者有何不同？1q= u+w熱力學第一定律的數(shù)學表達，普適的表達式q=Cv* AT+/pdv內(nèi)能等于定容比熱乘以溫度變化，適用于理想氣體；體積功等于壓力對比容的積分,適用于準靜態(tài)過程。所以該式適用于理想氣體的準靜態(tài)過程v2 .圖4-1所示，1-2和4-3各為定容過程，1-4和2-3各為定壓過程，試判斷qi43與qi23哪個大？q123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以4-2所示。試問 口伐與山3誰3 .有兩個任意過程1-2和1-3，點2和點3在同一條絕熱線上，如圖大誰小？又如2和3在同一條等溫線上呢?2->3為

17、絕熱膨脹過程，內(nèi)能下降。所以u2>u3。4 .討論1<n<k的多變膨脹過程中氣體溫度的變化以及氣體與外界熱傳遞的方向，并用熱力學第一 定律加以解釋。內(nèi)能增加，吸熱5. 理想氣體分子量 M=16 , k=1.3,若此氣體穩(wěn)定地流過一管道，進出管道時氣體的溫度分別為30C和90C，試求對每公斤氣體所需的加熱量（氣體的動能和位能變化可以忽略）。R=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)40C下降到40C,過程中氣6 某理想氣體在氣缸內(nèi)進行可逆絕熱膨脹，當容積為二倍時，溫度由 體做了 60kJ/kg的功。若比熱為定值，試求Cp與c的值。q= u+w

18、0=Cv(-40-40)+60 p1*v k= p1*(2v) kp1*v=R(273+40) p2*2v=R(273-40) w=R*T1/(k-1)*(1-T2/T1)Cp=Cv+R7 .某理想氣體初溫 Ti=470K，質(zhì)量為2.5kg，經(jīng)可逆定容過程，其熱力學能變化為.：U=295.4kJ,求過程功、過程熱量以及熵的變化。設該氣體R=0.4kJ/(kg K), k=1.35，并假定比熱容為定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q= U, . ：T ：U/(2.5kg*Cv), . S=8在一具有可移動活塞的封閉氣缸中，儲有溫度t1=45 C,表壓力pg1=10kPa的氧氣0.3m3

19、。在定壓下對氧氣加熱，加熱量為40kJ;再經(jīng)過多變過程膨脹到初溫45 C,壓力為18kPa。設環(huán)境大氣壓力為0.1MPa，氧氣的比熱容為定值，試求：(1)兩過程的焓變量及所作的功；(2)多變膨脹過程中氣體與外界交換的熱量。(1)過程1為定壓過程，焓變于加熱量40kJ;過程2的終了狀態(tài)和過程 1的初始狀態(tài)比較，溫度相同， 理想氣體的焓為溫度的函數(shù)，所以過程2的焓變?yōu)?40kJ。9. 1kg空氣，初態(tài)p1=1.0MPa, 11=500 C,在氣缸中可逆定容放熱到p2=0.5MPa，然后可逆絕熱壓縮到t3=500 C,再經(jīng)可逆定溫過程回到初態(tài)。求各過程的 u, h, s及w和q各為多少？并在 p-v

20、圖和T-s圖上畫出這3個過程。10 一封閉的氣缸如圖4-3所示，有一無摩擦的絕熱活塞位于中間，兩邊分別充以氮氣和氧氣，初圖4-3態(tài)均為p1=2MPa, t1=27 C。若氣缸總?cè)莘e為1000cm3,活塞體積忽略不計，缸壁是絕熱的，僅在氧氣一端面上可以交換熱量?，F(xiàn)向氧氣加熱使其壓力升高到4MPa，試求所需熱量及終態(tài)溫度，并將過程表示在p-v圖及T-s圖上。絕熱系數(shù)k=1.4V1=0.0005m4*10 6*V o2/To2=2*10 6*0.0005/(273+27)6 64*10 *Vn2/Tn2=2*10 *0.0005/(273+27)V O2+ V N2=0.0016k6k2*10 *0.0005 =4*10 *V N211.如圖4-4所示，兩股壓力相同的空氣流，一股的溫度為ti=400C,流量m!=120kg/h ;另一股的它們相互混合形成壓力相同的空氣流。溫度為t2=150 C,流量m2=210kg/h ;在與外界絕熱的條件下，已知比熱為定值，試計算混合氣流的溫度，并計算混合過程前后空氣的熵的變化量是增加、減小或45#不變？為什么？(400+273)*120+(150+273)*2