工程的熱力學(xué)和傳熱學(xué)課后問(wèn)題詳解(前五章)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案第一篇 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)：、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°N和200°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0.0917 MPa，而當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?.1013MPa，當(dāng)航行至另一海域，

2、其真空度變化為0.0874MPa，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)。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0C的冰互相緩慢摩擦，使之化為0C的水。 耗散效應(yīng)(2) 在

3、大氣壓力為 0.1013MPa時(shí)，用(0 + dt) C的熱源(dt宀0)給0 C的冰加熱使之變?yōu)?0 C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；(2) 表C的讀數(shù)；精彩文檔(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：.習(xí)題1.膨脹功、流動(dòng)功、軸功和技術(shù)功

4、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。q = u w q = du 亠 <wg 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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)-攪拌停止后處于狀態(tài) 2,如下表所示。狀態(tài)p( MPav (mi/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

5、量轉(zhuǎn)化為熱量q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h2-h14.1kg 空氣由 pi=5MPa,ti=500C,膨脹到 p2=0.5MPa,t 2=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U=2000kJ, U

6、3=3500kJ，試計(jì)算2-3過(guò)程中氣體體積的變化。備Aji=0T lnz/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)如圖精彩文檔示的設(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 kj/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+m

7、2h3=h1+h2圖2-17 某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa, V=0.3m3可逆壓縮到終態(tài)p2=0.4MPa,設(shè)壓縮過(guò)程中p=aV2，式中a為常 數(shù)。試求壓縮過(guò)程所必須消耗的功。p1=aV2p2=aV-2/ pdV=/ aV2dV=-aV2-1+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；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)

8、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 w=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1UW4=100m/s。求：(1) 若空氣流量為100kg/

9、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賅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)22(3) 0.5w 3' -0.5w 2 =h3' -h22 2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w4 -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)

10、第二定律可否表述為: 等溫膨脹過(guò)程熱完全轉(zhuǎn)化為功"功可以完全變?yōu)闊?，但熱不能完全變?yōu)楣Α?，為什?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> 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

11、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)，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)嵩次鼰崮?還是不可能？（）8000kJ，此過(guò)程可逆25<=8000/300不可能6 .空氣在某壓氣機(jī)中被絕熱壓縮，壓縮前: 精彩文檔p1=0.1MPa,

12、t1=25C ;壓縮后：p2=0.6MPa, 12=240 C。實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案設(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)

13、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+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

14、，其初溫Ta>Tb,兩物體的質(zhì)量相等nm=m=m,其比熱容亦相等Ca=Cb=c，且為常數(shù)。 可逆熱機(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To之間工作，而熱泵則在冷源To和 另一熱源T1之間工作。已知 T1=1000K、=310K、T°=250K。如果熱機(jī)從熱源吸收熱量Q=1kJ, 而熱泵向另一熱源T1 '放出的熱量Q供

15、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) 廬4,求Q;(2) 如熱機(jī)和熱泵均按可逆循環(huán)工作，求Q;(3) 如上述兩次計(jì)算結(jié)果均為 Q>Q,表示冷源T。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= Q 1* q =1*0.5=0.5kJj:pQ=W*a>=4=0.5*4=2kJ1 (2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQ=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不違反，T1>T1'第四章一.基本概念理想

16、氣體：比熱容：圖3-1理想氣體的熱力性質(zhì)與過(guò)程.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 = u w 或 q =.吐 pdv 兩者有何不同？1q=A 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*A 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 qi43與qi23哪個(gè)大?vq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143 w123>w143所以3 .有兩個(gè)任意過(guò)程 1-2和1-3，

17、點(diǎn)2和點(diǎn)3在同一條絕熱線上，如圖4-2所示。試問(wèn) 52與厶山3誰(shuí)大誰(shuí)小？又如 2和3在同一條等溫線上呢？ 2->3為絕熱膨脹過(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30 C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下降到一40 C,過(guò)程中6 某理想氣體

18、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 氣體做了 60kJ/kg的功。若比熱為定值，試求Cp與cv的值。q= A u+w0=Cv(-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(guò)程， 其熱力學(xué)能變化為 AU=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

19、.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11=45 C,表壓力pg1=10kPa的氧氣0.3mV1=0.0005m 6 6 4*10 *Vo2To=2*10 *0.0005/(273+27) 4*10 6*Vn2T n2=2*10 6*0.0005/(273+27) Voz+ V N2=0.001。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

20、;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, t 1=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13=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 11=27心若氣缸總?cè)莘e為1000CR1，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=1.411=400C，流量 mi =120kg/h ;另一股11 如圖4-4所示，兩股壓力相同的空氣流，一股的溫度為 的溫度為t2=150C，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(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+273)*210