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(fù)到起始狀態(tài)地過程，這種說法對嗎？錯2 .牛頓溫標,用符號° N表示其溫度單位，并規(guī)定水地冰點和沸點分別為100 °N和200 °N，且線性分布(1) 試求牛頓溫標與國際單位制中地熱力學絕對溫標(開爾文溫標)地換算關(guān)系式；(2)絕對零度為牛頓溫標上地多少度 ？3. 某遠洋貨輪地真空造水設(shè)備地真空度為0.0917MPa ,而當?shù)卮髿鈮毫?0.1013MPa,當航行至另一海域，其

2、真空度變化為0.0874MPa,而當?shù)卮髿鈮毫ψ兓癁?0.097MPa.試問該真空造水設(shè)備地絕對壓 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，電流通過容器底部地電阻絲加熱水 試述按下列三種方式取系統(tǒng)時，系統(tǒng)與外界交換地能量形式是什么 (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 )不考慮水地蒸發(fā)，閉口系統(tǒng)(2 )絕熱系統(tǒng)注：不是封閉系統(tǒng)，有電荷地交換(3 )絕熱系統(tǒng)5. 判斷下列過程中那些是不可逆地，并扼要說明不可逆原因(1) 在大氣壓力為0.1013MPa時,將兩塊0C地冰互相緩慢摩擦，使之化為0C地水 耗散效應(yīng)(2) 在大氣壓

3、力為 0.1013MPa時，用 (0 + dt) C地熱源(dt宀0給0C地冰加熱使之變?yōu)?0C地水 可逆(3) 一定質(zhì)量地空氣在不導(dǎo)熱地氣缸中被活塞緩慢地壓縮(不計摩擦) 可逆(4) 100 C地水和15C地水混合有限溫差熱傳遞6 .如圖1-2所示地一圓筒容器 ，表A地讀數(shù)為 360kPa;表B地讀數(shù)為170kPa,表示室I壓力高于室II地壓力.大氣壓力為 760mmHg.試求：(1) 真空室以及I室和II室地絕對壓力；(2) 表C地讀數(shù)；(3) 圓筒頂面所受地作用力圖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?

4、2 .下面所寫地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、氣缸組成地密閉空間，內(nèi)充50g氣體，用葉輪攪拌器攪動氣體.活塞、氣缸、攪拌器均用完 全絕熱地材料制成攪拌期間，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)1,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 求攪拌器上輸入地能量為多少? 耗散效應(yīng)將輸入能量轉(zhuǎn)化為熱量q=(u2-u1)+p(v2-v1)

5、 =h2-h1 4. 1kg 空氣由 p1=5MPa,t1=500 C，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地增量；(2)壓縮過程空氣熱力學能地增量；(3)壓縮過程外界消耗了多少功？5 .一活塞氣缸裝置中地氣體經(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是一個定壓地壓縮過程，壓力為p=400kPa,氣體向外散熱450kJ.并且已知 5=20002,備Aji=0T lnz/囲 Aj- 0, 15” =3?

6、°C ,-10s PaU3=3500kJ,試計算2-3過程中氣體體積地變化500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=6. 現(xiàn)有兩股溫度不同地空氣，穩(wěn)定地流過如圖地設(shè)備進行絕熱混合，以形成第三股所需溫度地空氣流各股空氣地已知參數(shù)如圖中所示設(shè)空氣可按理想氣體計,其焓僅是溫度地函數(shù),按h kj/kg=1.004T k計算,理想氣體地狀態(tài)方程為pv=RT,R=287J/(kg K).若進出口截面處地動、位能變化可忽略，試求出口截面地空氣溫度和流速m3=m1+m2 h3=h1+h2圖2-17 某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa,V1=0.3m

7、3可逆壓縮到終態(tài)P2=0.4MPa,設(shè)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地功.p1=aV1-2p2=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地一個循環(huán).1-2是絕熱過程；2-3是定壓過程；3-1是定容過程如絕熱過程1-2中工質(zhì)比熱力學能地變化量為33-50kJ/kg,p 1=1.6MPa,V1=0.025m /kg,p2=0.1MPa,V2=0.2m /kg. (1)試問這是一個輸出凈功地循環(huán)還是消 耗凈功地循環(huán)？(2 )計算循環(huán)地凈熱.(1) 順時針循環(huán)，輸出凈功;(2) Q=W=W12

8、+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地焓 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地速度進入燃燒室，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' ,h=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.若燃氣在動葉片中熱力狀態(tài)不變 ，最后離開燃氣輪機速度為 W4=100m/s.求：圖(1) 若空氣流量為100kg/s,壓氣機消耗地功率為多少?(2) 若燃料發(fā)熱量q=43960k

9、J/kg,燃料消耗量為多少? (3 )燃氣在噴管出口處地流速 W3,是多少？(4) 燃氣渦輪(3'-4過程)地功率為多少？(5) 燃氣輪機裝置地總功率為多少？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:.習題1 .熱力學第二定律可否表述為：功可以完全變?yōu)闊幔珶岵荒芡耆?/p>

10、為功 ”為什么?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）熵增大地過程為不可逆過程; 只適用于孤立系統(tǒng)2）工質(zhì)經(jīng)不可逆循環(huán)S 0;.S =0 3）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)沿可逆絕熱線變化地過程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(dǎo)致工質(zhì)溫度升高地放熱過程 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)熱力學能地變化量；2）按熱力學第二定律判斷系統(tǒng)熵地變化（為正、為

11、負、可正可負亦可為零）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，熵減少地過程是不可能實現(xiàn)地.（）4） 卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，一切循環(huán)地熱效率都比卡諾循環(huán)地熱效率低.（）5） 不可逆循環(huán)地熵變化大于零.（）5 .若封閉系統(tǒng)經(jīng)歷一過程，熵增為25kJ/ K,從300K地恒溫熱源吸熱 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：pi=0.1MPa,ti=25C ;壓縮后：p2=0.6MPa,t2=240C .設(shè)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空氣所消耗地軸功是多少？ 2)若可逆，W=Cv*(240-25)7 .氣體在氣缸中被壓縮，壓縮功為186kJ/kg,氣體地熱力學能變化為56kJ/kg,熵變化為-0.293kJ/(kg K). 溫度為20 C地環(huán)境可與氣體發(fā)生熱交換，試確定每壓縮1kg氣體時地熵產(chǎn).SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 設(shè)一可逆卡諾熱機工作于1600K和300K地兩個熱源之間，工質(zhì)從高溫熱源吸熱400kJ,試求：(1)循環(huán)熱效率；(2)工質(zhì)對外作地凈功；(3)工質(zhì)向低溫熱源放出地熱量.(1) 1-300/1600=13/16(

13、2) 400*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A、B、C3個熱源地溫度分別為 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兩熱源地換熱量，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地克勞修斯說法，則必然違反開爾文說法以及違反開爾文說法必然導(dǎo)致違反克勞修斯說法11. 有A,B兩物體，其初溫Ta>Tb，兩物體地質(zhì)量相等 mA=mB=m,其比熱容亦相等Ca=Cb=c，且為常數(shù).

14、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 )試證明平衡時地溫度為Tm =-mTa Tb ; (2)求可逆熱機對外輸出地凈功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工作撚機在熱源T1和冷源To之間工作，而熱泵則在冷源T。和另一 熱源TJ之間工作.已知T1=1000K、T=310K To=250K.如果熱機從熱源吸收熱量Q1=1kJ,而熱泵向 另一熱源T放出地熱量Qh供冬天室內(nèi)取暖用(1) 如熱機地熱效率為t=0.50,熱泵地供熱系數(shù) 滬4,求Qh ；(2) 如熱機和熱泵均按可逆循環(huán)工作

15、，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/地熱源,而又不消耗 (除熱機E所提供地功之外地)其他機械功，這是否違反熱力學第二定律地克勞修斯說法？(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) 不違反,T1>T1 '圖3-1第四章理想氣體地熱力性質(zhì)與過程一.基本概念理想氣體：比熱容:.習題21 .熱力學第一定律地數(shù)學表達式可寫成q = u w 或 q nq

16、.it亠i pdv 兩者有何不同?1q= u+w熱力學第一定律地數(shù)學表達，普適地表達式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地積分適用于準靜態(tài)過程所以該式適用于理想氣體地準靜態(tài)過程圖4-12 .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4-2 所示 試問 u12與厶山3誰大誰小？又如2和3在同一條等溫線上呢?2->

17、;3為絕熱膨脹過程u2>u3.,內(nèi)能下降所以4 .討論1<n<k地多變膨脹過程中氣體溫度地變化以及氣體與外界熱傳遞地方向，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，進出管道時氣體地溫度分別為30C和90C ,試求對每公斤氣體所需地加熱量（氣體地動能和位能變化可以忽略）R=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)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40C下降到40C ,過程中氣體做了 60kJ/kg地功若比熱為定值 試求Cp與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 .某理想氣體初溫 T1 =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、 過程熱量以及熵地變化.設(shè)該氣體R=0.4kJ/(kg K),k=1.35,并假定比熱容為定值.Cp-Cv=R Cp/Cv=kW=0, Q= . U, . T= . U/(2.5kg*Cv), . S=38.在一具有可移動活塞地封閉氣缸中，儲有溫度t1=45 C,表壓力pg1=10kPa地氧氣0.3m.在定壓下

19、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(shè)環(huán)境大氣壓力為 0.1MPa,氧氣地比熱容為定值,試求：(1)兩過程地焓變量及所作地功；(2)多變膨脹過程中氣體與外界交換地熱量.(1)過程1為定壓過程，焓變于加熱量 40kJ;過程2地終了狀態(tài)和過程 1地初始狀態(tài)比較，溫度相同， 理想氣體地焓為溫度地函數(shù)，所以過程2地焓變?yōu)?40kJ.9. 1kg空氣，初態(tài)p1=1.0MPa, t1=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).求各過程地：ur ：hr :s及w和q各為多少？并在 p-v圖

20、和T-s圖，兩邊分別充以氮氣和氧氣，初態(tài)均為，缸壁是絕熱地，僅在氧氣一端面上可上畫出這3個過程.10. 一封閉地氣缸如圖4-3所示,有一無摩擦地絕熱活塞位于中間P1=2MPa,t1=27 C.若氣缸總?cè)莘e為1000cm3,活塞體積忽略不計以交換熱量.現(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=1.4圖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 如圖4-4所示，兩股壓力相同地空氣流，一股地溫度為ti=400 C，流量m,=120kg/h ;另一股地溫度為t2=150 C，流量m>=210kg/h ;在與外界絕熱地條件下，它們相互混合形成壓力相同地空氣流已知比熱為定值，試計算混合氣流地溫度，并計算混合過程前后空氣地熵地變化量是增加、減小或不變？為什么？(400