工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)課后答案前五章

1、頁眉內(nèi)容第一篇工程熱力學(xué)第一章基本概念一i.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，這種說法對嗎?錯2 .牛頓溫標(biāo)，用符號°?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)與國際單位制中的熱力學(xué)絕對溫標(biāo)(開爾文溫標(biāo))的換算關(guān)系式；(2)絕對零度為牛頓溫標(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?.1013MPa,當(dāng)航行至另一海域，其真空度

2、變化為0.0874MPa,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nn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)。二二Z二二(1)不考慮水的蒸發(fā)，閉口系統(tǒng)。I(2)絕熱系統(tǒng)。注：不是封閉系統(tǒng)，有電荷的交換二|(3)絕熱系統(tǒng)。亡二22221II_二二二I一圖1-1并扼要說明不可逆原因。0.1013MPa時(shí)，將兩塊0c的冰互相緩慢摩擦，使之化為0.1013MPa時(shí)，用(0+dt)C的熱源(dt5

3、 .判斷下列過程中那些是不可逆的，0c的水。一0給0C的冰加熱使之變?yōu)?C的水。(不計(jì)摩擦)。圖1-2(1)在大氣壓力為耗散效應(yīng)(2)在大氣壓力為可逆(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可逆(4) 100c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室的絕對壓力；(2) 表C的讀數(shù)；(3) 圓筒頂面所受的作用力。35頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容第二章熱力學(xué)第一定律一i.基本概念功：熱量：體積功:節(jié)流:二.習(xí)題1 .膨脹功、流

4、動功、軸功和技術(shù)功四者之間有何聯(lián)系與區(qū)別？2 .下面所寫的熱力學(xué)第一定律表達(dá)是否正確？若不正確，請更正。3 .一活塞、氣缸組成的密閉空間，內(nèi)充50g氣體，用葉輪攪拌器攪動氣體。活塞、氣缸、攪拌器均用完全絕熱的材料制成。攪拌期間，活塞可移動以保持壓力不變，但絕對嚴(yán)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-v

5、1)=h2-h14.1kg空氣由p1=5MPa,t1=500C,膨脹至ijp2=0.5MPa,t2=500C,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(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+

6、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)，其烙僅是溫度的函數(shù)，按hkJ/kg=1.004Tk計(jì)算，理想氣體的狀態(tài)方程為pv=RT,R=287J/(kgK)。若進(jìn)出口截面處的動、位4i=10u/%Aji=O,la23既,pt，絕熱心盤-1E/afAt2=37oC,p£=105Pa能變化可忽略，試求出口截面的空氣溫度和流速。m3=m1+m2h3=h1+h22-17 .某氣體從初態(tài)p1=0.1MPa,V1

7、=0.3m3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的功。-2p1=aV1-2p2=aV2/pdV=faV-2dV=-aV2-1+aV2-136頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容8.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；3-1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,pi=1.6MPa,vi=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。I(1)順時(shí)針循環(huán)，輸出凈功；K(2)

8、Q=W=W12+W23+W3112-2W12=509.某燃?xì)釽的裝置如圖2-3所示。已知壓氣機(jī)進(jìn)口處空氣的燃、h1=290kJ/W31=0壓縮后，空氣升溫使比次含增為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I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)1cl'3'?h=800kJ/kg,流速增至W3燃?xì)庠龠M(jìn)入動葉片，推動轉(zhuǎn)輪回轉(zhuǎn)做功。若燃?xì)庠趧尤~片中熱力狀態(tài)不變，最3,314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？J:-(2)若

9、燃料發(fā)熱量q=43960kJ/kg,燃料消耗量為多少？J(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)0.5w3,-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i.基本概念克勞修斯說法：開爾文說法：卡諾定理：嫡流：嫡產(chǎn)：嫡增原理：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?，為什么？等溫?/p>

10、脹過程熱完全轉(zhuǎn)化為功2 .下列說法是否正確，為什么？1)嫡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)，As>0;.S=03)可逆絕熱過程為定嫡過程，定嫡過程就是可逆絕熱過程；定嫡過程就是工質(zhì)狀態(tài)沿可逆絕熱線變化的過程4)加熱過程，嫡一定增大；放熱過程，嫡一定減小。根據(jù)dsq/T,前半句絕對正確，后半句未必，比如摩擦導(dǎo)致工質(zhì)溫度升高的放熱過程。37頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容對于可逆過程，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(shí)外界對系統(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)嫡的變化（為正、為負(fù)、可

11、正可負(fù)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，其嫡必增加。（）2）在任何情況下，工質(zhì)放熱，其嫡必減少。（）3）根據(jù)嫡增原理，嫡減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)的嫡變化大于零。（）5 .若封閉系統(tǒng)經(jīng)歷一過程，嫡增為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：pi=0.1MPa,ti=25C；壓縮后：p2=0.6MPa,t2=240C。設(shè)空氣比熱為定值，問：1）此壓縮過程

12、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,嫡變化為-0.293kJ/（kgK）。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)的嫡產(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=32

13、5（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，

14、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Tm=JTaTb;（2）求可逆熱機(jī)對外輸出的凈功。SA-SM=lnTA/TMSM-SB=lnTM/TBSA-SM=SM-SB12 .如圖3-1所示，用熱機(jī)E帶動熱泵P工作，熱機(jī)在熱源Ti和冷源To之間工作，而熱泵則在冷源To和另一熱源Ti'之間工作。已知Ti=1000K、Ti'=310KTo=250K。如果熱機(jī)從熱源Ti吸收熱量Q1=1kJ,38頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容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%=0.50,熱泵的供熱系數(shù)5=4,求Qh；(2)如熱機(jī)和熱泵均按可逆循環(huán)工作，求Qh;

15、(3)如上述兩次計(jì)算結(jié)果均為Qh>Qi,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法？(1) W=Qi*t=1*0.5=0.5kJQh=W*h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ不違反，T1>T1'第四章“T；理想氣體的熱力性質(zhì)與讓程口一i.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=Au+w或q=cvAt+Jpdv兩者有何不同？1q=Au+w熱力學(xué)第

16、一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)，普適的表達(dá)式q=Cv*ZT+/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的積分,適用于準(zhǔn)靜態(tài)過程。所以該式適用于理想氣體的準(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，試判斷中43與q123哪個(gè)大？P2>3q123=(u3-u1)+w123T圖fq143=(u3-u1)+w1433.有兩個(gè)任匕過程I1-2和1-3,點(diǎn)2和1力初稿行家絕熱線上，如圖4-2所示。試問452與453誰大誰小!?況如2璉3在同一條等溫線上呢所以4.討論定律加以內(nèi)能增加1<n<解和,吸熱2->3為絕熱膨脹過程，

17、內(nèi)能下降。所以u2>u3。變膨脹過程愜翔緬度的變化以及氣體與外界熱傳遞的方向，并用熱力學(xué)第5.理想氣體分了量M-16,k-1上,芍此氣體穩(wěn)定地流過一管道，進(jìn)出管道時(shí)氣體的溫度分別為和90C,試求對每公斤氣體所需的加熱量(氣體的動能和位能變化可以忽略)。30CR=RM/M=8314/16Cp-Cv=RCp/Cv=kq=Cp(T2-T1)39頁腳內(nèi)容頁眉內(nèi)容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40c下降到40C,過程中氣體做了60kJ/kg的功。若比熱為定值，試求Cp與Cv的值。q=Au+w0=Cv(-40-40)+60p1*vk=p1*(2v)kp1*v=R(2

18、73+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)可逆定容過程，其熱力學(xué)能變化為AU=295.4kJ,求過程功、過程熱量以及嫡的變化。設(shè)該氣體R=0.4kJ/(kgK),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 .在一具有可移動活塞的封閉氣缸中，儲有溫度t1=45七，表壓力pg1=10kPa的氧氣0.3m3。在定壓下對氧氣加熱，加熱量為40kJ;再經(jīng)過多變過程膨脹到初溫45七，壓力為18kPa。設(shè)環(huán)境大氣壓力

19、為0.1MPa,氧氣的比熱容為定值，試求：(1)兩過程的始變量及所作的功；(2)多變膨脹過程中氣體與外界交換的熱量。(1)過程1為定壓過程，始變于加熱量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，理想氣體的始為溫度的函數(shù)，所以過程2的始變?yōu)?40kJo9 .1kg空氣，初態(tài)p1=1.0MPa,t1=500七，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Au,Ah,公及w和q各為多少？并在p-v圖和T-s圖上畫出這3個(gè)過程。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?/p>

20、初態(tài)均為p=2MPa,t1=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/產(chǎn)產(chǎn)“斤一尸,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/肌o7Q圖上。絕熱系數(shù)k=1.41二圖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=400C,流量m(=120kg/h;另一股的溫度為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)算混合過程前后空氣的嫡的變化量是增加、減小或不變？為什么？(400+273)*120+(150+273)*210=