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清华大学工程热力学习题课只是分享
工程热力学课程习题
第一章
1-1试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高（mm），
（1）水，
（2）酒精，（3）液态钠。
它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。
在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。
试求山的高度为多少。
重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。
1-7如图1-15所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B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1-15
1-8若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系（一般为线性关系）。
1-10若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。
有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？
若可能，读数相同的温度应是多少？
1-14一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。
若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。
1-15气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。
由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。
试求该过程空气对外作功量。
1-161kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。
试求循环的净功量。
如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？
图1-16
第二章
2-2水在760mmHg下定压汽化，温度为100℃，比容从0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潜热为2250kJ/kg。
试求工质在汽化期间
（1）内能的变化；
（2）焓的变化。
2-3定量工质，经历了一个由四个过程组成的循环，试填充下表中所缺的数据，并写出根据。
过程
Q/kJ
W/kJ
ΔU/kJ
12
0
1390
23
0
395
34
0
－1000
41
0
2-51kg空气由p1=1.0MPa，t1=500℃膨胀到p1=0.1MPa，t1=500℃，得到的热量506kJ，作膨胀功506kJ。
又在同一初态及终态间作第二次膨胀仅加入热量39.1kJ。
求：
（1）第一次膨胀中空气内能增加多少？
（2）第二次膨胀中空气作了多少功？
（3）第二次膨胀中空气内能增加多少？
2-6图2-10所示的气缸内充以空气。
气缸截面积为100cm2，活塞距底面高度为10cm，活塞及其上负载的总质量为195kg，当地大气压为771mmHg，环境温度t0=27℃，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。
倘使把活塞上的负载取去100kg，活塞将突然上升，最后重新达到热力平衡。
设活塞与气缸壁之间无摩擦，气体可通过气缸壁充分和外界换热，求活塞上升的距离和气体的换热量。
图2-10
2-7上题中若气缸壁和活塞都是绝热的，但两者之间不存在摩擦，此时活塞上升距离如何？
气体的最终状态又如何？
已知⊿u=cv⊿T，空气的cv=0.71kJ/（kg·K）。
2-121m3容器内的空气，压力为p0，温度为T0。
高压管路（p,T）与之相通，使容器内压力达到p时关上阀门。
设高压管路、阀门与容器均绝热，但有一冷却水管通过容器。
若欲在充气过程中始终维持容器中的空气保持T0，则需向冷却水放出的热量为Q，求Q。
已知空气的R，cp和cv。
2-13一台锅炉给水泵，将冷水压力由p1=6kPa升高至p2=2.0MPa，若冷凝水（水泵进口）流量为2×105kg/h，水密度ρH2O=1000kg/m3。
假定水泵效率为0.88，问带动此水泵至少要多大功率的电机。
2-14一燃气轮机装置如图2-11所示。
空气由1进入压气机升压后至2，然后进入回热器，吸收从燃气轮机排出的废气中的一部分热量后，经3进入燃烧室。
在燃烧室中与油泵送来的油混合并燃烧，产生的热量使燃气温度升高，经4进入燃气轮机（透平）作功。
排出的废气由5送入回热器，最后由6排至大气。
其中压气机、油泵、发电机均由燃气轮机带动。
（1）试建立整个系统的能量平衡式；
（2）若空气质量流量=50t/h，进口焓h1=12kJ/kg，燃油流量=700kg/h，燃油进口焓h7=42kJ/kg，油发热量q=41800kJ/kg，排出废气焓h6=418kJ/kg，求发电机发出的功率。
图2-11
2-15某电厂一台国产50000kW汽轮机发电机组，锅炉蒸汽量为220t/h，汽轮机进口处压力表上的读数为10.0MPa，温度为540℃。
汽轮机出口处真空表的读数为715.8mmHg。
当时当地的大气压为760mmHg，汽轮机进、出口的蒸汽焓各为3483.4kJ/kg和2386.5kJ/kg。
试求：
（1）汽轮机发出的轴功率为多少千瓦？
（2）若考虑到汽轮机进口处蒸汽速度为70m/s，出口处速度为140m/s，则对汽轮机功率的计算有多大影响？
（3）如已知凝汽器出口的凝结水的焓为146.54kJ/kg，而1kg冷却水带走41.87kJ的热量，则每小时需多少吨冷却水？
是蒸汽量的几倍？
2-16空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数为p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后为p2=0.8MPa，v1=0.175m3/kg，若在压缩过程中每千克空气的内能增加146.5kJ，同时向外界放出热量50kJ；压气机每分钟生产压缩空气10kg。
试求：
（1）压缩过程中对1kg空气所作的压缩功；
（2）每产生1kg压缩空气所需的轴功；（3）带动此压气机所需功率至少要多少千瓦？
2-18某燃气轮机装置如图2-12所示。
已知压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg，经压缩后，空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处与燃料混合，以c2=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，=800kJ/kg，流速增至，燃气再进入动叶片，推动转轮回转作功。
若燃气在动叶中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为c4=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，燃料耗量为多少？
（3）燃气在喷管出口处的流速是多少？
（4）燃气透平（过程）的功率为多少？
（5）燃气轮机装置的总功率为多少？
图2-12
第三章
3-1容量为0.027m3的刚性储气筒，装有7×105Pa，20℃的空气，筒上装有一排气阀，压力达到8.75×105Pa时就开启，压力降为8.4×105Pa时才关闭。
若由于外界加热的原因造成阀门的开启，问：
（1）当阀门开启时，筒内温度为多少？
（2）因加热而失掉多少空气？
设筒内空气温度在排气过程中保持不变。
3-2压气机在大气压力为1×105Pa，温度为20℃时，每分钟吸入空气为3m3。
如经此压气机压缩后的空气送入容积为8m3的储气筒，问需若干时间才能使筒内压力升高到7.8456×105Pa，设筒内空气的初温、初压与压气机的吸气状态相同。
筒内空气温度在空气压入前后并无变化。
3-93kg空气，p1=1.0MPa，T1=900K，绝热膨胀到p2=0.1MPa，试按气体热力性质表计算：
（1）终态参数v2和T2；
（2）膨胀功和技术功；（3）内能和焓的变化。
3-10某理想气体（其M已知）由已知的p1，T1定熵压缩到p2，又由定温压缩到同一个p2，这两个终态的熵差⊿s也已知，求p2。
3-11图3-11所示的两室，由活塞隔开。
开始时两室的体积均为0.1m3，分别储有空气和H2，压力各为0.9807×105Pa，温度各为15℃，若对空气侧壁加热，直到两室内气体压力升高到1.9614×105Pa为止，求空气终温及外界加入的Q，已知cv,a=715.94J/（kg·K），kH2=1.41，活塞不导热，且与气缸间无摩擦。
图3-11
3-126kg空气由初态p1=0.3MPa、t1=30℃，经下列不同过程膨胀到同一终态p2=0.1MPa：
（1）定温；
（2）定熵；（3）n=1.2。
试比较不同过程中空气对外作功，交换的热量和终温。
3-13一氧气瓶容量为0.04m3，内盛p1=147.1×105Pa的氧气，其温度与室温相同，即t1=t0=20℃，求：
（1）如开启阀门，使压力迅速下降到p2=73.55×105Pa，求此时氧的温度T2和所放出的氧的质量⊿m；
（2）阀门关闭后，瓶内氧的温度与压力将怎样变化；（3）如放气极为缓慢，以致瓶内气体与外界随时处于热平衡。
当压力也自147.1×105Pa降到73.55×105Pa时，所放出的氧较
（1）为多还是少？
3-142kg某种理想气体按可逆多变过程膨胀到原有体积的三倍，温度从300℃降到60℃，膨胀期间作膨胀功418.68kJ，吸热83.736kJ，求cp和cv。
3-16试证理想气体在T-s图上任意两条定压线（或定容线）之间的水平距离相等。
3-17空气为p1=1×105Pa，t1=50℃，V1=0.032m3，进入压气机按多变过程压缩至p2=32×105Pa，V2=0.0021m3，试求：
（1）多变指数；
（2）所需压缩功（轴功）；（3）压缩终了空气温度；（4）压缩过程中传出的热量。
3-19压气机中气体压缩后的温度不宜过高，取极限值为150℃，吸入空气的压力和温度为p1=0.1MPa，t1=20℃，求在单级压气机中压缩250m3/h空气可能达到的最高压力。
若压气机缸套中流过465kg/h的冷却水，在气缸套中水温升高14℃，再求压气机必需的功率。
3-20实验室需要压力为6.0MPa的压缩空气，应采用一级压缩还是两级压缩？
若采用两级压缩，最佳中间压力应等于多少？
设大气压力为0.1MPa，大气温度为20℃，n=1.25，采用间冷器将压缩空气冷却到初温，试计算压缩终了空气的温度。
3-21三台压气机的余隙比均为0.06，进气状态均为0.1MPa，27℃，出口压力均为0.5MPa，但压缩过程的指数分别为n1=1.4，n=1.25，n=1，试求各压气机的容积热效率（设膨胀过程与压缩过程的多边指数相同）。
第四章
4-1试用热力学第二定律证明，在p-v图上，两条可逆绝热线不可能相交。
4-2
（1）可逆机从热源T1吸热Q1，在热源T1与环境（温度为T0）之间工作，能作出多少功？
（2）根据卡诺定理降低冷源温度可以提高热效率，有人设想用一可逆制冷机造成一个冷源T2（T2为什么？
4-3温度为T1，T2的两个热源间有两个卡诺机A与B串联工作（即中间热源接受A机的放热同时向B机供给等量热）。
试证这种串联工作的卡诺热机总效率与工作于同一T1，T2热源间的单个卡诺机效率相同。
4-4如图4-26所示的循环，试判断下列情况哪些是可逆的？
哪些是不可逆的？
哪些是不可能的?
图4-26
a.QL=1000kJ，W=250kJ
b.QL=2000kJ，QH=2400kJ
c.QH=3000kJ，W=250kJ
4-5试判断如图4-27所示的可逆循环中Q3的大小与方向、Q2的方向及循环净功W的大小与方向。
4-6若封闭系统经历一过程，熵增为25kJ/K，从300K的恒温热
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