工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)課后答案(前五章)

1、第一篇工程熱力學(xué)一.基本概念系統(tǒng)： 狀態(tài)參數(shù): 可逆過(guò)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(xué)平衡態(tài)：溫度：熱平衡定律：溫標(biāo)：準(zhǔn)平衡過(guò)程:、習(xí)題1 .有人說(shuō)，不可逆過(guò)程是無(wú)法恢復(fù)到起始狀態(tài)的過(guò)程，這種說(shuō)法對(duì)嗎？錯(cuò)2 .牛頓溫標(biāo)，用符號(hào)°“表示其溫度單位，并規(guī)定水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為100?！昂?00 °N,且線性分布。(1) 試求牛頓溫標(biāo)與國(guó)際單位制中的熱力學(xué)絕對(duì)溫標(biāo)(開(kāi)爾文溫標(biāo))的換算關(guān)系式；(2)絕對(duì)零度為牛頓溫標(biāo)上的多少度 ？3. 某遠(yuǎn)洋貨輪的真空造水設(shè)備的真空度為0.0917MPa,而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?0.1013MPa,當(dāng)航行至另一海域，其真空度變化為0

2、.0874MPa,而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ψ兓癁?.097MPa。試問(wèn)該真空造水設(shè)備的絕對(duì)壓力有無(wú)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(guò)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(shí)，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(guò)程中那些是不可逆的，并扼要說(shuō)明不可逆原因。(1) 在大氣壓力為0.1013MPa時(shí)，將兩塊0C的冰互相緩慢摩擦，使之化為0C的水。 耗散效應(yīng)(2) 在大氣壓力為 0.1

3、013MPa時(shí)，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(dǎo)熱的氣缸中被活塞緩慢地壓縮(不計(jì)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(duì)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(xué)第一定律一.基本概念功：熱量：體積功：節(jié)流：.習(xí)題1.膨脹功、流動(dòng)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(xiě)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)是否正確？若不正確，請(qǐng)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(dòng)氣體?；钊?、氣缸、攪拌器均用完全絕熱的材料制成。攪拌期間，活塞可移動(dòng)以保持壓力不變，但絕對(duì)嚴(yán)密不漏氣。已測(cè)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(yīng)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(duì)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(guò)程空氣熱力學(xué)能的增量；(2)壓縮過(guò)程空氣熱力學(xué)能的增量；(3)壓縮過(guò)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(gè)過(guò)程。從狀態(tài)1到狀態(tài)2，氣體吸熱500kJ，活塞對(duì)外作功800kJ。從狀態(tài)2到狀態(tài)3是一個(gè)定壓的壓縮過(guò)程，壓力為p=400kPa，氣體向外散熱450kJ。并且已知U1=2000kJ, U3=3500kJ，試計(jì)算2-3過(guò)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(guò)如圖 示的設(shè)備進(jìn)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(shè)空 氣可按理想氣體計(jì)，其焓僅是溫度的函數(shù)，按h j/kg=1.004T k計(jì)算，理想氣體的狀態(tài)方程為 pv=RT, R=287J/(kg K)。若進(jìn)出口截面處的動(dòng)、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(shè)壓縮過(guò)程中p=aV-2，式中a為 常數(shù)。試求壓縮過(guò)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(gè)可逆過(guò)程所組成的一個(gè)循環(huán)。1-2是絕熱過(guò)程；2-3是定壓過(guò)程；33-1是定容過(guò)程。如絕熱過(guò)程 1-2中工質(zhì)比熱力學(xué)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(wèn)這是一個(gè)輸出凈功的循環(huán)還是消耗凈功的循環(huán)？(2) 計(jì)算循環(huán)的凈熱。(1) 順時(shí)針循環(huán)，輸出凈功;(2) Q=W=W12+W23+W31W12=50W23=W31=09 .某燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖 2-3所示。已知壓氣機(jī)進(jìn)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(jìn)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?xì)饨?jīng)噴管絕熱膨脹到狀態(tài)3'扣800kJ/kg ,流速增至W3'燃?xì)庠龠M(jìn)入動(dòng)葉片，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)做功。若燃?xì)庠趧?dòng)葉片

9、中熱力狀態(tài)不變，最后離開(kāi)燃?xì)廨啓C(jī)速度為W4=100m/s。求：(1) 若空氣流量為100kg/s，壓氣機(jī)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?xì)庠趪姽艹隹谔幍牧魉?W3,是多少？(4) 燃?xì)鉁u輪(3'-4過(guò)程)的功率為多少？(5) 燃?xì)廨啓C(jī)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(xué)第二定律一. 基本概念克勞修斯說(shuō)法：開(kāi)爾文說(shuō)法： 卡諾定理： 熵流： 熵產(chǎn)：熵增原理：二. 習(xí)題1 .熱力學(xué)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(guò)程熱完全轉(zhuǎn)化為功2 .下列說(shuō)法是否正確，為什么？1）熵增大的過(guò)程為不可逆過(guò)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(guò)程為定熵過(guò)程，定熵過(guò)程就是可逆絕熱過(guò)程；定熵過(guò)程就是工質(zhì)狀態(tài)沿可逆絕熱線變化的過(guò)程4）加熱過(guò)程，熵一定增大；放熱過(guò)程，熵一定減小。根據(jù)ds淤q/T，前半句絕對(duì)正確，后半句未必，比如摩擦導(dǎo)致工質(zhì)溫度升高的放熱過(guò)程。 對(duì)于可逆過(guò)程，都正確。3 .某封閉系統(tǒng)經(jīng)歷了一不可逆過(guò)程，系統(tǒng)向外界放熱為10kJ，同時(shí)外界對(duì)系統(tǒng)作功為20kJ。1）按熱力學(xué)第一定律計(jì)算系統(tǒng)熱力學(xué)能的變化量；2） 按熱力學(xué)第二定律判斷系統(tǒng)熵的變化（為正、為負(fù)、可正可負(fù)亦

11、可為零）。4 .判斷是非（對(duì)畫(huà)，錯(cuò)畫(huà)X）1） 在任何情況下，對(duì)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(guò)程是不可能實(shí)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(guò)程，熵增為25kJ/ K，從300K的恒溫?zé)嵩次鼰?8000kJ，此過(guò)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(jī)中被絕熱壓縮，壓縮前：p1=0.1MPa , t1=25C ;壓縮后：p2=0.6MPa , t2=240 C。設(shè)空氣比熱為定值，

12、問(wèn)：1)此壓縮過(guò)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(xué)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(shí)的熵產(chǎn)。SF=-(186-56)/(273+20)=S2-S仁SF+SG8. 設(shè)一可逆卡諾熱機(jī)工作于 1600K和300K的兩個(gè)熱源之間，工質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?00kJ，試求：(1)循環(huán)熱效率；(2)工質(zhì)對(duì)外作的凈功；(3)工質(zhì)向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃俊?1) 1-300/1600=13/16(2) 4

13、00*13/16=325(3) 400-325=759 .已知A、B、C3個(gè)熱源的溫度分別為 500K , 400K和300K，有可逆機(jī)在這3個(gè)熱源間工作。若可逆 機(jī)從熱源A吸入3000kJ熱量，輸出凈功400kJ，試求可逆機(jī)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(xué)第二定律的克勞修斯說(shuō)法，則必然違反開(kāi)爾文說(shuō)法以及違反開(kāi)爾文說(shuō)法必 然導(dǎo)致違反克勞修斯說(shuō)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)?？赡鏌釞C(jī)在其間工作，從A吸熱，向B放熱，直至兩物體溫度相等時(shí)為止。(1 )試證明平衡時(shí)的溫度為T(mén)m = .Ta Tb ; (2)求可逆熱機(jī)對(duì)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(jī)E帶動(dòng)熱泵P工作，熱機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)和熱泵均按可逆循環(huán)工作，求Qh ；(3) 如上述兩次計(jì)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(jī)E所提供的功之外的)其他機(jī)械功，這是否違反熱力學(xué)第二定律的克勞修斯說(shuō)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(guò)程一.基本概念理想氣體：比熱容:.習(xí)題21.熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)成q二山 w

16、 或 q二4 pdv 兩者有何不同？1q= u+w熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，普適的表達(dá)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(duì)比容的積分,適用于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。所以該式適用于理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程v2 .圖4-1所示，1-2和4-3各為定容過(guò)程，1-4和2-3各為定壓過(guò)程，試判斷qi43與qi23哪個(gè)大？q123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以4-2所示。試問(wèn) 口伐與山3誰(shuí)3 .有兩個(gè)任意過(guò)程1-2和1-3，點(diǎn)2和點(diǎn)3在同一條絕熱線上，如圖大誰(shuí)?。坑秩?和3在同一條等溫線上呢?2->3為

17、絕熱膨脹過(guò)程，內(nèi)能下降。所以u(píng)2>u3。4 .討論1<n<k的多變膨脹過(guò)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(xué)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(guò)一管道，進(jìn)出管道時(shí)氣體的溫度分別為30C和90C，試求對(duì)每公斤氣體所需的加熱量（氣體的動(dòng)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(guò)程中氣6 某理想氣體在氣缸內(nèi)進(jìn)行可逆絕熱膨脹，當(dāng)容積為二倍時(shí)，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(guò)程，其熱力學(xué)能變化為.：U=295.4kJ,求過(guò)程功、過(guò)程熱量以及熵的變化。設(shè)該氣體R=0.4kJ/(kg K), k=1.35，并假定比熱容為定值。Cp-Cv=RCp/Cv=kW=0, Q= U, . ：T ：U/(2.5kg*Cv), . S=8在一具有可移動(dòng)活塞的封閉氣缸中，儲(chǔ)有溫度t1=45 C,表壓力pg1=10kPa的氧氣0.3m3

19、。在定壓下對(duì)氧氣加熱，加熱量為40kJ;再經(jīng)過(guò)多變過(guò)程膨脹到初溫45 C,壓力為18kPa。設(shè)環(huán)境大氣壓力為0.1MPa，氧氣的比熱容為定值，試求：(1)兩過(guò)程的焓變量及所作的功；(2)多變膨脹過(guò)程中氣體與外界交換的熱量。(1)過(guò)程1為定壓過(guò)程，焓變于加熱量40kJ;過(guò)程2的終了狀態(tài)和過(guò)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(guò)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(guò)程回到初態(tài)。求各過(guò)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(huà)出這3個(gè)過(guò)程。10 一封閉的氣缸如圖4-3所示，有一無(wú)摩擦的絕熱活塞位于中間，兩邊分別充以氮?dú)夂脱鯕?，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(jì)，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(guò)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(jì)算混合氣流的溫度，并計(jì)算混合過(guò)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