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1、化工原理第四版第一章课后习题答案化工原理第四版第一章课后习题答案【1-1】容器A中的气体表压为60kPa,容器B中的气体真空度为1.2 104 Pa。试分别求出A、B二容器中气体的绝对压力为若干帕， 该处环境的大气 压力等于标准大气压力。101.325kPaPa 101.325+60 161.325 kPaPb 101.325 12 89.325 kPa解标准大气压力为 容器A的绝对压力 容器B的绝对压力【1-2】某设备进、出口的表压分别为-12kPa和157kPa,当地大气压力 为101.3kPa。试求此设备的进、出口的绝对压力及进、出的压力差各为多 少帕。p进 101 .3 1289.3

2、kPa解进口绝对压力258.3 kPa出口绝对压力 P出101. 3 157进、出口的压力差258. 3 89. 3 169 kPap 157 ( 12) 157 12 169kPa 或 p流体的密度【1-3】正庚烷和正辛烷混合液中，正庚烷的摩尔分数为0.4,试求该混 合液在20C下的密度。解 正庚烷的摩尔质量为100kg/kmol，正辛烷的摩尔质量为114kg/kmol。将摩尔分数换算为质量分数正庚烷的质量分数 1 4 100 0.3690.4 100 0.6 114正辛烷的质量分数 2 1 0.369 0.631从附录四查得20C下正庚烷的密度! 684kg/m3，正辛烷的密度为32 70

3、3kg / m混合液的密度 m 0 369二631 696kg / m30.369 0.631 匕【1-4】温度20C，苯与甲苯按画:61的体积比进行混合，求其混合液的 密度。解 20C时，苯的密度为879kg/m3，甲苯的密度为867kg/m3。混合液密度 m 879 0.4 867 0.6 871.8 kg / m【1-5】有一气柜，满装时可装6000m3混合气体，已知混合气体各组分的 体积分数为H2 N2 CO CO2 CH40.4 0.2 0.32 0.07 0.01操作压力的表压为5.5kPa,温度为40C。试求：(1)混合气体在操作条件下的密度；(2)混合气体的量为多少kmol。解

4、 T 273 40 313K，p 101. 3 5. 5 106. 8 kPa(绝对压力)混合气体的摩尔质量0.01 18.6 kg/kmolMm 2 0.4 28 0.2 28 0.32 44 0.07 16 1(1)混合气体在操作条件下的密度为pMm 106.8 18.6m RT 8.314 313(2)混合气体V 6000m混合气体的量为 流体静力学【1-6】如习题1-6附图所示，有一端封闭的管子，装入若干水后，倒插 入常温水槽中，管中水柱较水槽液面高出 2m,当地大气压力为101.2kPs。试求：(1)管子上端空间的绝对压力；(2)管子上端空 压；(3)管子上端空间的真空度；(4)若将

5、水换成四氯 中四氯化碳液柱较槽的液面高出多少米？解管中水柱高出槽液面2m，h=2m水柱。(1)管子上端空间的绝对压力在水平面1 1处的压力平稳，有p绝 gh 大气压力p 绝 101200 1000 9.81 2 81580(2)管子上端空间的表压30.763 kg / m3，摩尔体积为业lmkmol m 0.763V 6000 0.763 ,n 246 kmolMm 18.6m间的表 化碳，管Pa(绝对压力)P表p表 p绝-大气压力=81580 101200(3)管子上端空间的真空度19620 Pa习题1-6附图p真=-p表 =- 19620 19620 Pa(4)槽内为四氯化碳，管中液柱高度

6、水hhCCl4常温下四氯化碳的密度，从附录四查得为hCCI41594 kg / m3h1000 21.25 m1594【1-7】在20 C条件下，在试管内先装入12cm高的水银，再在其上面装入5cm高的水。水银的密度为13550kg / m3，当地大气压力为101kPa。试求试管底部的绝对压力为多少Pa。解 水的密度 水=998kg/m33 3p 101 10 0.12 13550 0.05 998 9.81 117.4 10 Pa【1-8】如习题1-8附图所示，容器内贮有密度为1250kg/m3的液体，液面高度为3.2m。容器侧壁上有两根测压管线，距容器底的高度分别为2m及1m,容器上部空间

7、的压力（表压）为 29.4kPa。试求：（1）压差计读数（指示液密度为1400kg/m3 ）； （2）A、B两个弹簧压力表的读数。解 容器上部空间的压力P 29. 4kPa（表压）*Jr液体密度1250kg/m3，指示液密度在等压面p 132p11 pi；P1p 2.2因g 0习题1-8附图30 1400kg/m（1）压差计读数R二?R gp 3.2 2 1 h g R 0gh R g p 2.2 h g R 0gRgD,故 R 00pA p 3.2 1 g 29.4 103 2.2 1250 9.8156 4 103 PaPb P3.2 2 g 29.4 103 1.2 1250 9.81

8、44.1 103pa【1-9】如习题1-9附图所示的测压差装置，其U形压差计的指示液为水银，其他管中皆为水。若指示液读数为R 150mm ,试求A、B两点的压力差。等压面1 1, P1 p1P1 PaP1 P.5 H R 水 g R 汞g习题1-9附图由以上二式，得Pa Pb R 汞g 0.5 R 水g已矢口 R 0.15m,汞 13600kg/m3 ,Pa Pb 0.15 13600 9.81 0.5 0.15 1000 9.81313.64 10 Pa 13.64 kPa【1-10】常温的水在如习题1-10附图所示的管路中流淌，为测量 A、B两截面间的压力差，安装了两个串联的 U形管压差计

9、，指示液为汞。测压用的连接管中充满水。两U形管的连接管中，充满空气。若测压前两U形压差计的水银液面为同 一高度，试推导A、B两点的压力差p与液柱压 力汁的读数R、R2之间的关系式。解设测压前两U形压差计的水银液面，距输水管中心线的距离为H在等压面2 2处R H 水g R1汞gR2水g习题1-10附图P2 PaR1 R22 气gP2 Pb因P2H 水g R2汞gp2，由上两式求得Pa Pb因气故(R1R2)PaPbR2 汞-2水 g【1-11J力了排除煤气管中的少量积水，用如习题1-11附图所示水封设备，使水由煤气管路上的垂直管排出。已知煤气压力为10kPa （表压），试运算水圭寸管插入液面下的

10、深度 h最小应为若干米。解 h卫g流量与流速10 1031.02m1000 9 81习题1-11附图【1-12】有密度为1800kg/m3的液体，在内径为60mm的管中输送到某处。 若其流速为0.8m/s，试求该液体的体积流量（mh）、质量流量kg/s与质量流 速 kg / m s o解（1）体积流量 cv - d2u - 0.062 0.8 2.26 10 3m3 /s 8.14 m h4 4(2)质量流量 qm qv 2.26 10 3 1800 4.07 kg / s(3)质量流速 =也=4.07 =1440 kg / (m2 s)A _ 0 062【1-13】如习题1-13附图所示的套

11、管式换热器，其内管为 33.5mm 3.25mm， 外管为60mm 3.5mm。内管中有密度为1150kg / m3、流量为5000kg/ h的冷冻盐水 流淌。内、外管之间的环隙有绝对压力为 0.5 MPa,进、出口平均温度为0C,流量为160kg/h的气体流淌。在标准状态下(0C,101.325kPa)，气体的密度为 1.2kg/m3。试求气体和盐水的流速。解液体31150 kg /m内管内径d内 33.5 3.25 2 27mm 0.027 m液体质量流量qm 5000kg/h ,体积流量 Ov 5000 m3/ h流速5000/1150u液 2.11 m /s2 2_d 内 3600 0

12、 027气体质量流量 16d kg/h0.5 106 5.92kg / m 101325160 3 /m/h5 92160/5.92密度流量5.67 m / s fl-1 lDVh2 23600 0 053 0 03354习题1-13附图 习题1-14附图【1-14】如习题1-14附图所示，从一主管向两支管输送 20C的水。要求主管中水的流速约为1.0R/S,支管1与支管2中水的流量分别为 20t/h与 10t/h。试运算主管的内径，并从无缝钢管规格表中选择合适的管径， 最后运算出主管内的流速。解 水：t 20C, 998.2kg /m331000 kg / m主管的流量体积流量 qvqm q

13、m1 qm230 103qm管径 d选择 108mm 4mm20310 30t/h 30 10 kg/h1000 30m/h，流速 u 1-0m/sqv30V3600 0.785 1.0 0103m 103 mm缝钢管，内径为d 100mm ,主管内水的流速 u Omd空鰹0 1.06 m/s4 (0.1)22 d 连续性方程与伯努利方程【1-15】常温的水在如习题1-15附图所示的管路中流淌。在截面 1处 的流速为o.5m/s，管内径为200mm，截面2处的管内径为100mm。由于水 的压力，截面1处产生1m高的水柱。试运算在截面1与2之间所产生的水 柱高度差h为多少（忽略从1到2处的压头缺

14、失）？解 a 0.5m/sd10.2m, d2 0.1m2另一运算法P1g2U12gP1 P2gg2U2U22g2g22 0.522 9.810.191m运算液柱高度时，用后一方法简便。【1-16】在习题1-16附图所示的水平管路中，水的流量为2.5L/S。已知 管内径d1 5cm, d2 2.5cm，液柱咼度h 1m。若忽略压头缺失，试运算收缩截面2处的静压头解 水的体积流量 qv 2.5L/s 2.5 10 3 m% ,截面1处的流速 5取2.5 10 1.274m/s2 c 2d1 . 0 05 nni- 2 截面2处的流速 U2纸虫4 1.274 匹 5.1m/sd2 0.025在截面

15、1与2之间列伯努利方程，忽略能量缺失。2P1 U1g 2gg1 0.025_PLU2g 2gd1 彳 0.051 1.2742 9.812h210.02525.129.81截面2处的静压头 n负值表示该处表压为负值,0.218m水柱处于真空状态习题1-17附图【1-17】如习题1-17附图所示的常温下操作的水槽，下面的出水管直 径为57mm 3.5mm。当出水阀全关闭时，压力表读数为 30.4kPab而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头缺失为 0.5m水柱，试求水的流量为多少m3/h?解 出水阀全关闭时，压力表读数 30. 4kPa （表压）能反映出水槽的水面距

16、出水管的高度h33.1mP表 30.4 10-g 103 9.81阀门开启后，压力表读数P2 20.3kPa （表压）从水槽表面至压力表处的管截面列出伯努利方程，以求出水管的流速U2乙乙3.12巴+竺+g 2gHfh 3.1m, Hf 0.5m 水柱3 220.3 103 U2310 9.81 2 9.810.5U2 3.23m/s d 0.05m水的流量qV d2U2 0.052 3.23 6.34 10 3m3/s 22.8 m3 / h4 4【1-18】若用压力表测得输送水、油（密度为880kg / m3 ）、98%硫酸（密度 为1830kg/m3）的某段水平等直径管路的压力降均为 49

17、kP&试咨询三者的压头 缺失的数值是否相等？各为多少米液柱？解 从伯努利方程得知，等直径水平管的压头缺失Hf与压力降p的关系为HfgH f 水=水gH f 油=油gHf硫酸=光Er 273m硫酸柱【1-19】如习题1-19附图所示，有一高位槽输水系统,49 1031000 9.8149 1034.99m水柱880 9.81 5.68m 油柱49 103管径为 57mm 3.5mm。已知水在管路中流淌的机械能缺失为 流量为多少m3/h。欲使水的流量增加 高位槽水面升高多少米？解管径d 0.05m，2机械能缺失hf 4522hf 45步（U为管内流速）。试求水的20%，应将Jr j（1）以流出口截

18、面处水平线为基准面,乙 5m, Z2 0, Ui 0, u2 ?2 2U2 U2乙 g 45 -25 9.81 J 1.46 m/ s232qv d u2 0.054 4U2水的流量1.46 2.87 10 3m3/ s 10.3 mh qV 1Z;g 23(ur20.2 qv 1.2qv U2Z 23 (1.75)Z 19.811.2U2 1.2 1.46 1.75 m/s7.81 m高位槽应升高 7.18 5 2.18 m【1-20】 如习题1-20附图所示，用离心泵输送水槽中的常温水。泵的吸入管为32mm 2.5mm管的下端位于水面以下2m,并装有底阀与拦污网，该处2的局部压头缺失为8卜

19、。若截面2 2处的真空度为32g 1 29.2kPa,由1 1截面至2 2截面的压头缺失为-学。2 2g试求：（1）吸入管中水的流量，m3/h ；吸入口 1 1截习题1-20附图Ji5dr7777 1r面的表压。解 管内径 d 0.032 0.0025 2 0.027mm，水密度31000kg /m截面2 2处的表压P2 39.2kPa，水槽表面p 0（表压）(1)从0 0至2 2, 0 0为基准面,乙 0,乙 3m, uo0,U2压头缺失2P0 Uo乙 Z2g 2g 339.2 103 0 31000 9.81匹g2U22U22g2 9.812U22 9.81u2 1.43m/s-(0.02

20、7)2 1.43 3600 2.95 m37 h4水的流量 qv d2U2 3600P Z P2 1 412) Z从吋至跖2,乙0,Z2 5p = 39.2 103 1 1.4321000 9.81 1000 9.81 2 2 9.81P流体的黏度10.4kPa(表压)【1-21】当温度为20C及60C时，从附录查得水与空气的黏度各为多少？讲明黏度与温度的关系水 1.005 10 3Pa s30.469 10 Pa s空气 18.1 106 Pa s620.1 10 Pa s水温度升高，黏度减小；空气温度升高，黏度增大 雷诺数与流体流淌类型【1-22】25C的水在内径为50mm的直管中流淌，流

21、速为2m/s。试求雷诺数，并判定其流淌类型解 25 C,水的黏度 0.8937 10 3 Pa s ,密度 997kg/m3 ,管内径 d 0.05m ,流速u 2m/sRedu0.05 2 99730.8937 1051.12 104000为湍流【1-23】(1)温度为20 C、流量为4L/s的水，在57mm 3.5mm 的直管中流淌，试判定流淌类型；(2)在相同的条件下，水改为运动黏度为44cm2/s的 油，试判定流淌类型。解(1) d 0.05m, qV 4 10 3 / s, 1.005 10 3 Pa s, 998.2kg / m3流速 u 2.038 m/s2 2雷诺数 4 d d

22、u (06)05 2.038 998.2 沁任田诺数 4Re 4 3 1.01 10 4000为湍流1.005 10(2) v 4.4cm?/s 4.4 104 m?/s 雷诺数 Re史0.05今8 232 2000为层流v 4.4 10【1-24】20C的水在219mm 6mm的直管内流淌。试求：(1)管中水的流量由小变大，当达到多少m3/s时，能保证开始转为稳固湍流；(2)若管内改为运动黏度为0.14cm2/s的某种液体，为保持层流流淌，管中最大平均流速应为多少?解(1)水，20C, 998.2kg / m3, 1.005 10 3 Pa s,d 0.207mRe dU4000 .207

23、U u 0.01945m/s1.005 10体量流量 q, d2u 0.207 2 0.01945 6.54 10 4m3 /s4 4(2)2 4 20.14cm / s 0.14 10 m /sRe理0.207u2000 4 u 0.135m/s0.14 10管内流体流淌的摩擦阻力缺失【1-25】如习题1-25附图所示，用U形管液柱压差计测量等直径管路 ，指示液密度为。, hf的运算式。从截面A到截面B的摩擦缺失 hf。若流体密度为压差计读数为R。试推导出用读数R运算摩擦缺失 解 从截面A到截面B列伯努利方程，截面A 为基准面，则得匕 Hg 西 hf p Pa Pb液柱压差计1-1为等压面H

24、pghfPa R g Pb H g R og习题1-25附图p Pa Pb R 0 g H g由式(1)与式2得 hf -此式即为用U形管压差计测量流体在两截面之间流淌的摩擦缺失的运算式。【1-26】如习题1-26附图所示，有57mm 3.5mm的水平管与垂直管，其 中有温度为20C的水流淌，流速为3m/s。在截面A与截面B处各安装一个 弹簧压力表，两截面的距离为 6m,管壁的相对粗糙度/d 0.004。试咨询这 两个直管上的两个弹簧压力表读数的差值是否相同？如果不同，试讲明其 缘故。如果用液柱压差计测量压力差，则两 个直管的液柱压力计的读数R是否相同？ 指示液为汞，其密度为13600kg/m

25、3。解已知管内径d 0.05m，水的温度t=20 C密度 998.2kg/m3，黏度1.004 10 3Pa s，流速 u 3m/s雷诺数Re如 5 3 998*2 1.49 105湍流 1.004 10管壁相对粗糙度- 0.004d查得摩擦系数 0.0293这两个直管的摩擦阻力缺失相同，为l u2 6 3hf 0.0293 15.8 J/kgd 2 0.05 2(1)弹簧压力表读数之差值1水平管在A、B两截面列伯努利方程2 2 gZA匕券gZB吧号hf因 ZA Zb, Ua Ub，故得Pa Pb hf 998.2 15.8 15770Pa 15.77kPa2垂直管在A、B两截面间列伯努利方程

26、，以截面 A为基准面,Za 0,Zb L 6m, Ua UbgZB 匹 hfPa Pb gZB hf 998.2 9.81 6 998.2 15.8 74530Pa 74.53 kPa这是因为流体上述运算结果表明，垂直管的Pa Pb大于水平管的Pa Pb 在垂直管中从下向上流淌时，位能增大而静压能减小。(2)U形管液柱压差计的读数R水平管与前面相同，由伯努利方程得Pa Pb hf a另从U形管压差计等压面处力的平稳，求得Pa R g Pb R 汞 g(b)Pa Pbg(汞 )由式a与式(b)，求得hfR -g(汞 )998.2 15.89.81 (13600 998.2)0.1276m 汞柱1

27、27.6mm 汞柱(c)另从U形管压差计垂直管与前面相同，由伯努利方程得Pa Pb gL hf等压面处力的平稳，求得Pa R g Pb L g R 汞 gPa Pb L gg(汞) 由式c与式d，求得g（汞 ）从上述推导可知，垂直管与水平管的液柱压差计的读数 R相同。有了读数R值，就能够分别用式b及式d求得水平管及垂直管的（Pa Pb）。【1-27】有一输送水的等直径（内径为d）垂直管路，在相距H高度的 两截面间安装一 U形管液柱压差计。当管内水的流速为u时，测得压差计中 水银指示液读数为R。当流速由U增大到u时，试求压差计中水银指示液读 数R是R的多少倍。设管内水的流淌处于粗糙管完全湍流区。

28、解 从习题2-25与习题2-28可知，U形管液柱压差计的读数 R与两截 面间流体流淌的摩擦缺失hf成正比，即R hf。又明白，在粗糙管完全湍流区为阻力平方区，即摩擦缺失 hf与流体流速u的平方成正比，hf u2。由上述分析可知 R U2因此 昱町R RR u u【1-28】水的温度为10C，流量为330L/h，在直径 57mm 3.5mm、长为 100m的直管中流淌。此管为光滑管。（1）试运算此管路的摩擦缺失； 若流量增加到990L/h，试运算其摩擦缺失。解 水在10C时的密度 999.7kg/m3，黏度1.306 10 3Pa s, d 0.05m, l 100m，光滑管。(1)体积流量 qV 330L/h 0.33m/ h流速 uqV 0 33qV . 0.0467 m/s雷诺数摩擦系数摩擦缺失3600座2。卿匕師尹验了Re 1.306 10 31787层流64Re hf641787丄d 20.03580.03581000.05(0.0467)22=0.0781 J/kg 体积流量 C|v 990l / h 0.99 m/h因流量是原先的3倍，故流速u 0.0467 3 0.14 m/s雷诺数 Re 1787 3 5360湍流关于光滑管，摩擦系数 用Blasius方程式运算0.0370.3164 0.3164Re0.25 (5360)0.25也能够从摩擦系数