工程热力学和传热学课后答案前五章

第一篇工程热力学

第一章基本概念

一．基本概念

系统：状态参数：热力学平衡态：温度：热平衡定律：温标：准平衡过程：可逆过程：循环：可逆循环：不可逆循环：

二、习题

1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错

2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?

3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?

4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底

部的电阻丝加热水。试述按下列三种方式取系统时，系统与外界

交换的能量形式是什么。

（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚

线内空间为系统。

（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。

（2）绝热系统。注：不是封闭系统，有电荷的交换

（3）绝热系统。

图1-1

5．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。

（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。

耗散效应

（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。

可逆

（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。可逆

（4）100℃的水和15℃的水混合。

有限温差热传递

6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读

数为360kPa；表B的读数为170kPa，表示

室I压力高于室II的压力。大气压力为

760mmHg。试求:

（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；

（2）表C的读数；

（3）圆筒顶面所受的作用力。

图1-2

第二章热力学第一定律

一．基本概念

功：热量：体积功：节流：

二．习题

1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？

2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。3．一活塞、气缸组成的密闭空间，内充50g气体，用叶轮搅拌器搅动气体。活塞、气缸、搅拌器均用完全绝热的材料制成。搅拌期间，活塞可移动以保持压力不变，但绝对严密不漏气。已测得搅拌前气体处于状态1，搅拌停止后处于状态2，如下表所示。

活塞与气缸壁间有一些摩擦。求搅拌器上输入的能量为多少？

耗散效应将输入能量转化为热量

q=(u2-u1)+p(v2-v1) =h2-h1

4．1kg空气由p

1=5MPa,t

1

=500℃，膨胀到p

2

=0.5MPa,t

2

=500℃，得到热

量506kJ，对外做膨胀功506kJ。接着又从终态被压缩到初态，放出热

量390kJ,试求：

（1）膨胀过程空气热力学能的增量；（2）压缩过程空气热力学能的增量；（3）压缩过程外界消耗了多少功？

5．一活塞气缸装置中的气体经历了2个过程。从状态1到状态2，气体吸热500kJ，活塞对外作功800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压

缩过程，压力为p=400kPa，气体向外散热450kJ。并且已知U

1

=2000kJ,

U

3

=3500kJ，试计算2-3过程中气体体积的变化。

500= U2-U1+800

U2=1700

-450= U3-U2+400(V3-V2)

V3-V2=

6．现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图2-1所示的设备进行绝热混合，以形成第三股所需温度的空气流。

各股空气的已知参数如图中所示。设空气可

按理想气体计，其焓仅是温度的函数，按

{h}

kJ/kg =1.004{T}

K

计算，理想气体的状态方

程为pv=RT, R=287J/(kg·K)。若进出口截

面处的动、位能变化可忽略，试求出口截面的空气温度和流速。

m3=m1+m2

h3=h1+h2

图2-1

7．某气体从初态p

1=0.1MPa，V

1

=0.3m3可逆压缩到终态p

2

=0.4MPa，设压

缩过程中p=aV-2，式中a为常数。试求压缩过程所必须消耗的功。

p 1=aV 1-2

p 2=aV 2-2

∫pdV=∫aV -2

dV=-aV 2-1

+aV 2-1

8．如图2-2所示，p-v 图上表示由三个可逆过程所组成的一个循环。1-2是绝热过程；2-3是定压过程；3-1是定容过程。如绝热过程1-2中工质比热力学能的变化量为-50kJ/kg ，p 1=1.6MPa ，v 1=0.025m 3

/kg ，p 2=0.1MPa ，v 2=0.2m 3/kg 。（1）试问这是一个输出净功的循环还是消耗净功的循环？ （2）计算循环的净热。

图

2-2

9．某燃气轮机装置如图2-3所示。已知压气机进口处空气的焓h 1=290kJ/kg ，经压缩后，空气升温使比焓增为h 2=580kJ/kg ，在截面2处与燃料混合，以w 2=20m/s 的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg 。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到

状态3’,h 3’=800kJ/kg ，流速增至w 3’，燃气再进入动叶片，推动转轮回转做功。若燃气在动叶片中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为w 4=100m/s 。求：

（1）若空气流量为100kg/s ，压气机消耗的功率为多少？ （2）若燃料发热量q=43960kJ/kg ，燃料消耗量为多少？ （3）燃气在喷管出口处的流速w 3’是多少？

(1) 顺时针循环，输出净功；

(2) Q=W=W12+W23+W31

W12=50