工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)課后答案前五章

1、第一篇程熱第一章基本概念一基本概念系統(tǒng)： 狀態(tài)參數(shù)：熱力學(xué)平衡態(tài)：溫度： 熱平衡定律：溫標(biāo)： 準(zhǔn)平衡過程：可逆過程：循環(huán)：可逆循環(huán)： 不可逆循環(huán)：二、習(xí)題1有人說，不可逆過程是無法恢復(fù)到起始狀態(tài)的過程，這種說法對(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°和 200 °， 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0.0917 ，而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?.1013MPa，當(dāng)航行至另一海域， 其真空度變化為0.087

2、4MPa， 而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫ψ兓癁?.097MPa。 試問該真空造水設(shè)備的絕對(duì)壓力有無變化4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(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)。圖1-15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(shí)，將兩塊0 的冰互相緩慢摩擦，使之化為0 的水。耗散效應(yīng)（ 2）在大氣壓力為0.1013MPa

3、 時(shí)，用（0 dt） 的熱源（dt 0）給 0的冰加熱使之變?yōu)? 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）?？赡妫?4） 100 的水和15的水混合。有限溫差熱傳遞圖 1-26 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；（2） 表C 的讀數(shù)；（3） 圓筒頂面所受的作用力。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：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下面所寫的

4、熱力學(xué)第一定律表達(dá)是否正確？若不正確，請(qǐng)更正。3一活塞、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)1，攪拌停止后處于狀態(tài)2，如下表所示。狀態(tài)p（ MPa）v（ m3/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) =h2-h14 1kg 空氣由p1=5MPa,t

5、1=500，膨脹到p2=0.5MPa,t2=500，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)膨脹過程空氣熱力學(xué)能的增量；(2)壓縮過程空氣熱力學(xué)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(gè)過程。 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 過程中氣體體積的變化。500= U2-U1+800U2=1700 -4

6、50= 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2-1 所示的設(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R=287J/(kg · K) 。若進(jìn)出口截面處的動(dòng)、位能變h kJ/kg=1.004T K計(jì)算，理想氣體的狀態(tài)方程為pv=RT,化可忽略，試求出口截面的空氣溫度和流速。 m3=m1+m2 h3=h1+h22-137某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa， V 1=0.3m 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

7、必須消耗的功。 -2p1=aV 1-2 p2=aV 2 pdV= aV-2dV=-aV 2-1+aV2-13-18如圖2-2所示， p-v圖上表示由三個(gè)可逆過程所組成的一個(gè)循環(huán)。1-2是絕熱過程；2-3是定壓過程；是定容過程。如絕熱過程1-2中工質(zhì)比熱力學(xué)能的變化量為-50kJ/kg， p1=1.6MPa ， v1=0.025m3/kg，p2=0.1MPa， v2=0.2m3/kg。（1 ）試問這是一個(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+W312-2W12=509某燃?xì)廨啓C(jī)裝置如圖W23=2-3所示。已知壓氣機(jī)

8、進(jìn)口處空氣的焓h1=290kJ/kgW，經(jīng)壓縮后，空氣升溫使比焓增為31=0h2=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 ,h3 =800kJ/kg，流速增至w 3，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)葉片中熱力狀態(tài)不變，最后離開燃?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？（ 3）燃?xì)庠趪姽艹隹谔幍牧魉賥3是多少？4）燃?xì)鉁u輪（3 -4過程

9、）的功率為多少？5）燃?xì)廨啓C(jī)裝置的總功率為多少？圖 2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)(3)0.5w32-0.5w22=h3-h2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w 42-w32)(5)Ws-W1熱力學(xué)第二定律第三章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(xí)題1熱力學(xué)第二定律可否表述為：“ 功可以完全變?yōu)闊幔珶岵荒芡耆優(yōu)楣Α?，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

10、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 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)溫度升高的放熱過程。對(duì)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(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)亦可為零）。4判斷是非（對(duì)畫，錯(cuò)畫× ）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

11、少的過程是不可能實(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)歷一過程，熵增為25kJ K，從 300K 的恒溫?zé)嵩次鼰?000kJ，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(jī)中被絕熱壓縮，壓縮前：p1=0.1MPa， t1=25；壓縮后：p2=0.6MPa ， t2=240 。設(shè)空氣比熱為定值，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(xué)能

12、變化為56kJ/kg ， 熵變化為-0.293kJ/（kg K） ·。溫度為 20C 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-S1=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＃?） 1-300/1600=13/16（2） 400*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

13、。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，兩物體的質(zhì)量相等mA=mB=m，其比熱容亦相等cA=cB=c，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TmTA TB ；（2）求可逆熱機(jī)對(duì)外輸出的凈功。SA-SM=ln

14、TA/TMSM-SB=lnTM/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T1和冷源T0之間工作，而熱泵則在冷源T0和另一熱源T1之間工作。已知T1=1000K、 T1 =310K、 T0=250K。如果熱機(jī)從熱源T1吸收熱量Q1=1kJ，而熱泵向另一熱源T1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）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T0中有一部分熱量傳入了溫度T1的熱源，而又不消耗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

15、的克勞修斯說法？(1) W= Q 1*t =1*0.5=0.5kJ理想氣體的熱力性質(zhì)與過程QH=W* h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQh=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ(3) 不違反，T1>T1 第四章一基本概念理想氣體：比熱容：二習(xí)題21熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫成q u w 或 qcv t p d v 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* T+ 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)過程。所以該式適用于理想氣體

16、的準(zhǔn)靜態(tài)過程2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q143與q123哪個(gè)大？23q123=（u3-u1）+w123圖 4-1q143=（u3-u1）+w1433有兩個(gè)任意過程1-2 和1-3，點(diǎn)2 和點(diǎn)3 w在同一條絕熱線上，如圖 123>w1434-2 所示。試問 u12與 u13誰大誰小？又如12 和 3 在同一條等溫線上呢？ 4所以4討論 加以解釋。 內(nèi)能增加，吸熱v15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(jìn)出管道時(shí)氣體的溫度分別為v1<n<k 的多變膨脹過程中氣體溫度的變化以及氣體與

17、外界熱傳遞的方向，并用熱力學(xué)第一定律2->3 為絕熱膨脹過程，內(nèi)能下降。所以u(píng)2>u3。 絕熱線30和90，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)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)，溫度由做了 60kJ/kg 的功。若比熱為定值，試求cp 與 cv的值。q= u+w0=Cv(-40-40)+6040下降到40，過程中氣體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

18、+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(xué)能變化為U=295.4kJ, 求過程功、過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=45C，表壓力pg1=10kPa 的氧氣0.3m3。在定壓下對(duì)氧氣加熱，加熱量為40kJ； 再經(jīng)過多變過程膨脹到初溫45C， 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)兩過程的焓變量及所作

19、的功；(的熱量。2)多變膨脹過程中氣體與外界交換(1)過程 1 為定壓過程，焓變于加熱量 理想氣體的焓為溫度的函數(shù)，所以過程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，2 的焓變?yōu)?40kJ。9 1kg 空氣，初態(tài)p1=1.0MPa, t 1=500C，在氣缸中可逆定容放熱到p2=0.5MPa ，然后可逆絕熱壓縮到t3=500C，再經(jīng)可逆定溫過程回到初態(tài)。求各過程的畫出這 3 個(gè)過程。u， h， s及 w 和 q 各為多少？并在p-v 圖和 T-s圖上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?dú)夂脱鯕猓鯌B(tài)均為 p1=2MPa ， t

20、1=27C。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，并將過程表示在p-v 圖及 T-s 圖上。 絕熱系數(shù)k=1.44-33V1=0.0005m 34*10 6*V o2/To2=2*10 6*0.0005/(273+27)4*10 6*V n2/Tn2=2*10 6*0.0005/(273+27)VO2+ VN2=0.0012*10 6*0.0005 k=4*10 6*V N2k11如圖 4-4 所示，兩股壓力相同的空氣流，一股的溫度為t1=400，流量m1 =120kg/h ；另一股的溫度為 t2=150，流量m2 =210kg/h；在與外界絕熱的條件下，它們相互混合形成壓力相同的空氣流。已知比熱為定值，試計(jì)算混合氣流的溫度，并計(jì)算混合過程前后空氣的熵的變化量是增加、減小或不變？為什么？(400+273)*120+(150+273)*210=(120+210)*TT=熵增過程圖 4-4 S=Q(1/423-1/6