1、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,用符号表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100和200,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0.0917,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0.087
2、4MPa,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 1-15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(0dt)的热
3、源(dt0)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
4、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。状 态p(MPa)v(m3/kg)u(kJ/kg)h(kJ/kg)13.50.0071122.7547.6423.50.0191697.63164.69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-h141kg空气由p1=5MPa,t1=500,膨胀到p2=0.5MPa,t2=500,得到热量506kJ,对外做
5、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U1=2000kJ, U3=3500kJ,试计算2-3过程中气体体积的变化。500= U2-U1+800U2=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
6、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hkJ/kg=1.004TK计算,理想气体的状态方程为pv=RT, R=287J/(kgK)。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+m2h3=h1+h2图2-17某气体从初态p1=0.1MPa,V1=0.3m3可逆压缩到终态p2=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。p1=aV1-2p2=aV2-2pdV=aV-2dV=-aV2-1+aV2-18如图2-2所示,p-v图上表示由三个可逆过程所组成的一
7、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,p1=1.6MPa,v1=0.025m3/kg,p2=0.1MPa,v2=0.2m3/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2-29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w2=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,h3=800kJ/kg,流速增
8、至w3,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w4=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w3是多少?(4)燃气涡轮(3-4过程)的功率为多少?(5)燃气轮机装置的总功率为多少?图2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)(3)0.5w32-0.5w22=h3-h2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w42-w32)(5)Ws-W1第三章 热力学第二定律一
9、基本概念克劳修斯说法: 开尔文说法 : 卡诺定理: 熵流: 熵产: 熵增原理:二习题1热力学第二定律可否表述为:“功可以完全变为热,但热不能完全变为功”,为什么?等温膨胀过程热完全转化为功2下列说法是否正确,为什么?1)熵增大的过程为不可逆过程;只适用于孤立系统2)工质经不可逆循环,?S ?0;?S =03)可逆绝热过程为定熵过程,定熵过程就是可逆绝热过程;定熵过程就是工质状态沿可逆绝热线变化的过程4)加热过程,熵一定增大;放热过程,熵一定减小。根据dsq/T,前半句绝对正确,后半句未必,比如摩擦导致工质温度升高的放热过程。对于可逆过程,都正确。3某封闭系统经历了一不可逆过程,系统向外界放热为
10、10kJ,同时外界对系统作功为20kJ。1)按热力学第一定律计算系统热力学能的变化量;2)按热力学第二定律判断系统熵的变化(为正、为负、可正可负亦可为零)。4判断是非(对画?,错画)1)在任何情况下,对工质加热,其熵必增加。( )2)在任何情况下,工质放热,其熵必减少。( )3)根据熵增原理,熵减少的过程是不可能实现的。( )4)卡诺循环是理想循环,一切循环的热效率都比卡诺循环的热效率低。( )5)不可逆循环的熵变化大于零。( ) 5若封闭系统经历一过程,熵增为25kJK,从300K的恒温热源吸热8000kJ,此过程可逆?不可逆?还是不可能?25TB,两物体的质量相等mA=mB=m,其比热容亦
11、相等cA=cB=c,且为常数。可逆热机在其间工作,从A吸热,向B放热,直至两物体温度相等时为止。(1)试证明平衡时的温度为;(2)求可逆热机对外输出的净功。SA-SM=lnTA/TMSM-SB=lnTM/TBSA-SM= SM-SB12如图3-1所示,用热机E带动热泵P工作,热机在热源T1和冷源T0之间工作,而热泵则在冷源T0和另一热源T1之间工作。已知T1=1000K、T1=310K、T0=250K。如果热机从热源T1吸收热量Q1=1kJ,而热泵向另一热源T1放出的热量QH供冬天室内取暖用。(1)如热机的热效率为?t=0.50,热泵的供热系数?h=4,求QH; (2)如热机和热泵均按可逆循环
12、工作,求QH;(3)如上述两次计算结果均为QHQ1,表示冷源T0中有一部分热量传入了温度T1的热源,而又不消耗(除热机E所提供的功之外的)其他机械功,这是否违反热力学第二定律的克劳修斯说法?(1) W= Q1*?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(3) 不违反,T1T1图3-1第四章 理想气体的热力性质与过程一基本概念理想气体: 比热容:二习题1热力学第一定律的数学表达式可写成 或 两者有何不同?q=u+w 热力学第一定律的数学表达,普适的表达式q=
13、Cv*T+pdv内能等于定容比热乘以温度变化,适用于理想气体;体积功等于压力对比容的积分,适用于准静态过程。所以该式适用于理想气体的准静态过程2图4-1所示,1-2和4-3各为定容过程,1-4和2-3各为定压过程,试判断q143与q123哪个大?P 图4-13有两个任意过程1-2和1-3,点2和点3在同一条绝热线上,如图4-2所示。试问u12与u13谁大谁小?又如2和3在同一条等温线上呢? 图4-24讨论1nk的多变膨胀过程中气体温度的变化以及气体与外界热传递的方向,并用热力学第一定律加以解释。内能增加,吸热5理想气体分子量M=16,k=1.3,若此气体稳定地流过一管道,进出管道时气体的温度分别为30和90,试求对每公斤气体所需的加热量(气体的动能和位能变化可以忽略)。R=RM/M=83
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