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)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(guò)程： 可逆過(guò)程： 循環(huán)： 可逆循環(huán) ： 不可逆循環(huán)：二、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°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(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0.0917，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.

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?4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)。圖 1-15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時(shí)，用(0dt

3、)的熱源(dt0)給0的冰加熱使之變?yōu)?的水?？赡妫?）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?）100的水和15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；（2） 表C的讀數(shù)；（3） 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：二習(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。3一活塞

4、、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飧?、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-h141kg空氣由p1=5MPa,t1=500，膨脹到p2=0.5MPa,t2=500，得到熱量50

5、6kJ，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。500= 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2-1

6、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hkJ/kg=1.004TK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，V1=0.3m3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=aV1-2p2=aV2-2pdV=aV-2dV=-aV2-1+aV2-18如圖2-2所示，p-v圖上表

7、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；3-1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=0.025m3/kg，p2=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=0圖2-29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)

8、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？（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(guò)程）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)0.5w

9、32-0.5w22=h3-h2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w42-w32)(5)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保瑸槭裁?？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)，DS >0；DS =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)dsq/

10、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)亦可為零）。4判斷是非（對(duì)畫(huà)Ö，錯(cuò)畫(huà)×）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

11、封閉系統(tǒng)經(jīng)歷一過(guò)程，熵增為25kJK，從300K的恒溫?zé)嵩次鼰?000kJ，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=25；壓縮后：p2=0.6MPa，t2=240。設(shè)空氣比熱為定值，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

12、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) 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。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+Q

13、B+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，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；（2）求可逆熱機(jī)對(duì)外輸出的凈功。SA-SM=lnTA/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

14、=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ht=0.50，熱泵的供熱系數(shù)eh=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（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= Q1*ht =1*0.5=0.5kJQH=W*eh=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQH=0.75*(3

15、10/(310-250)=3.875kJ(3) 不違反，T1>T1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：二習(xí)題1熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫(xiě)成 或 兩者有何不同？q=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(guò)程。所以該式適用于理想氣體的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程2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q143與q123哪個(gè)大？P4321vq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143w123>w

16、143所以 圖4-13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4-2所示。試問(wèn)u12與u13誰(shuí)大誰(shuí)?。坑秩?和3在同一條等溫線上呢？P絕熱線v3212->3為絕熱膨脹過(guò)程，內(nèi)能下降。所以u(píng)2>u3。 圖4-24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(

17、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40下降到40，過(guò)程中氣體做了60kJ/kg的功。若比熱為定值，試求cp與cv的值。q=u+w0=Cv(-40-40)+60p1*vk= 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T1=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DU=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

18、=DU, DT=DU/(2.5kg*Cv), DS=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。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。91kg空氣，初態(tài)p1=1.0MPa, t1=500&#

19、176;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Du，Dh，Ds及w和q各為多少？并在p-v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)夂脱鯕猓鯌B(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。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(guò)程表示在p-v圖及T-s圖上。絕熱系數(shù)k=1.4 圖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=120kg/h；另一股的溫度為t2=150，流量=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(guò)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+2