清华大学工程热力学习题课.docx

1、清华大学工程热力学习题课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=c1.4，c为常数。在海平面上空气的压力和密度分别为1.013105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5104Pa。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，表示室压力高于室的压力。大气压力为76

2、0mmHg。试求(1) 真空室以及室和室的绝对压力；(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

3、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。 1-16 1kg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/ kJW/ kJU/ k

4、J12013902303953401000410 2-5 1kg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，

5、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=cvT，空气的cv=0.71kJ/(kgK)。 2-12 1m3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

6、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2105kg/h，水密度H2O=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h

7、1=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

8、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

9、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？

10、 (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7105Pa，20的空气，筒上装有一排气阀，压力达到8.75105Pa时就开启，压力降为8.4105Pa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1105Pa，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7.8456105Pa，设筒内空气的初温、初压与压气机的吸气状态相同。筒内

11、空气温度在空气压入前后并无变化。 3-9 3kg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0.9807105Pa，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1.9614105Pa为止，求空气终温及外界加入的Q，已知cv,a

12、=715.94J/(kgK)，kH2=1.41，活塞不导热，且与气缸间无摩擦。图3-11 3-12 6kg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=147.1105Pa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=73.55105Pa，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

13、界随时处于热平衡。当压力也自147.1105Pa降到73.55105Pa时，所放出的氧较(1)为多还是少？ 3-14 2kg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=1105Pa，t1=50，V1=0.032m3，进入压气机按多变过程压缩至p2=32105Pa，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

14、 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

15、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(T2T0)，另可逆热机在T1与T2间工作，你认为此法是否有效？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

16、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 4-26a. QL=1000kJ，W=250kJb. QL=2000kJ，QH=2400kJc. QH=3000kJ，W=250kJ4-5 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的恒温热源吸热8000kJ，此过程可逆？不可逆？还是不可能？ 4-8 空气在轴流压气机中被绝热压缩，增压比为4.2，初、终态温度分别为20和200，求空气在压缩过程中

17、熵的变化。 4-10 将5kg 0的冰投入盛有25kg温度为50水的绝热容器中，求冰完全融化且与水的温度均匀一致时系统的熵的变化。已知冰的融解热为333kJ/kg。 4-11 在有活塞的气缸装置中，将1kmol理想气体在400K下从100kPa缓慢地定温压缩到1000kPa，计算下列三种情况下，此过程的气体熵变、热源熵变及总熵变：a. 若过程中无摩擦损耗，而热源的温度也为400K；b. 过程中无摩擦损耗，热源温度为300K；c过程中有摩擦损耗，比可逆压缩多消耗20%的功，热源温度为300K。4-13 一个绝热容器被一导热的活塞分隔成两部分。初始时活塞被销钉固定在容器的中部，左、右两部分容积均为

18、V1=V2=0.001m3，空气温度均为300K，左边压力为p1=2105Pa，右边压力为p2=1105Pa。突然拔除销钉，最后达到新的平衡，试求左、右两部分容积及整个容器内空气的熵变。4-15 如图4-30所示，两股空气在绝热流动中混合，求标准状态下的V3(m3/min)，t3及最大可能达到的压力p3(MPa)。图4-30 4-18 用家用电冰箱将1kg25的水制成0的冰，试问需要的最少电费应是多少？已知水的=75.57J/(molK)；冰0时的熔解热为6013.5J/mol；电费为0.16元/(kWh)；室温为25。 4-20 压气机空气进口温度为17，压力为1105Pa，经历不可逆绝热压

19、缩后其温度为207，压力为4.0105Pa，若室内温度为17，大气压力为1105Pa，求：(1) 此压气机实际消耗的轴功；(2) 进、出口空气的焓；(3) 消耗的最小有用功；(4)损失；(5)压气机效率。 4-21 在一个可逆热机循环中，工质氦定压吸热，温度从300升高到850，其定压比热容cp=5.193kJ/(kgK)，已知环境温度为298K。求循环的最大效率和最大热效率。第五章 5-1 压缩比为8.5的奥图循环，工质可视为空气，k=1.4，压缩冲程的初始状态为100kPa，27，吸热量为920kJ/kg，活塞排量为4300cm3。试求(1)各个过程终了的压力和温度；(2) 循环热效率；(

20、3) 平均有效压力。 5-5 某狄塞尔循环，压缩冲程的初始状态为90kPa，10，压缩比为18，循环最高温度是2100。试求循环热效率以及绝热膨胀过程的初、终状态。 5-7 混合加热理想循环，吸热量是1000kJ/kg，定容过程和定压过程的吸热量各占一半。压缩比是14，压缩过程的初始状态为100kPa，27。试计算(1)输出净功，(2)循环热效率。 5-8 混合加热循环，如图5-2所示，t1=90，t2=400，t3=590，t5=300。工质可视为空气，比热为定值。求循环热效率及同温限卡诺循环热效率。图5-2 5-11 用氦气作工质的勃雷登实际循环，压气机入口状态是400kPa，44，增压比

21、为3，燃气轮机入口温度是710。压气机效率，燃气轮机的效率为。当输出功率为59kW时，氦气的质量流率为多少kg/s?氦气k=1.667。 5-12 如题5-11，若想取得最大的循环输出净功，试确定最佳的循环增压比并计算此时氦气的质量流率。实际勃雷登循环的最佳增压比 5-14 某燃气轮机装置动力循环，压气机的绝热效率为80%，燃气轮机的为85%，循环的最高温度是1300K，压气机入口状态是105kPa，18。试计算1kg工质最大循环作功量及作出3000kW功率时的工质流率。 5-15 如果在题5-14中采用回热度为92%的回热设备，问提供给循环的热量可以节省多少？ 5-19 一个具有二级压缩中间

22、冷却、二级膨胀中间再热以及回热的燃气轮机装置循环如图5-24所示。循环的入口空气参数为100kPa，15，低压级的增压比是3，高压级是4，燃气轮机高压级、低压级的增压比与压气机相同。中间冷却使空气温度下降为低压级压缩机温升的80%，回热器的回热度是78%，二级燃气轮机的入口温度皆是1100，压气机和燃气轮机的绝热效率和相对内效率均是86%，试确定作出6000kW功率时的工质的质量流率。图5-24第六章6-1 利用水蒸气表判定下列各点状态，并确定h，s及x的值：(1) p1=20MPa，t1=250；(2) p2=9MPa，v2=0.017m3/kg；(3) p3=4.5MPa，t3=450；(

23、4) p4=1MPa，x=0.9；(5) p5=0.004MPa，s=7.0909kJ/(kgK)。6-4 在水泵中，从压力为4kPa的饱和水定熵压缩到压力为4MPa。(1) 查表计算水泵压缩1kg水所耗的功。(2) 因水是不可压缩流体，比容变化不大，可利用式计算耗功量，将此结果与(1)的计算结果加以比较。6-6 汽轮机进口参数：p1=4.0MPa，t1=450，出口压力p2=5kPa，蒸汽干度x2=0.9，计算汽轮机相对内效率。6-7 汽轮机的乏汽在真空度为0.094MPa，x=0.90的状态下进入冷凝器，定压冷凝器结成饱和水。试计算乏汽凝结成水时体积缩小的倍数，并求1kg乏汽在冷凝器中所放

24、出的热量。已知大气压力为0.1MPa。6-10 一台10m3的汽包，盛有2MPa的汽水混合物，开始时，水占总容积的一半。如由底部阀门放走300kg水，为了使汽包内汽水混合物的温度保持不变，需要加入多少热量？如果从顶部阀门放汽300kg，条件如前，那又要加入多少热量？第七章 7-1 蒸汽朗肯循环的初温t1=500，背压(乏汽压力)p2=0.004MPa，试求当初压p1=4.9及14MPa时，循环净功、加热量、热效率、汽耗率及汽轮机出口干度x2(忽略泵功)。 7-3 冬天冷却水温度较低 ，可以降低冷凝压力，即=0.004MPa，夏天冷却水温度高，冷凝压力升为0.007MPa，试计算，当汽轮机进汽压

25、力p1=3.5MPa，进汽温度t1=440时，上述两种情况的热效率及汽耗率(忽略泵功)。7-5 水蒸气再热循环的初压力为16.5MPa，初温为535，背压为5.5kPa，再热前压力为3.5MPa，再热后温度与初温相同，(1)求其热效率；(2)若因阻力损失，再热后压力为3MPa，则热效率又为多少？7-6 某蒸汽动力装置采用一次抽汽回热循环，已知新汽参数p1=2.4MPa，t1=390，抽汽压力pa=0.12MPa，乏汽压力p2=5kPa。试计算其热效率、汽耗率并与朗肯循环比较。7-8 某蒸汽动力循环由一次再热及一级抽汽混合式回热所组成。蒸汽初参数p1=16MPa，t1=535，乏汽压力p2=0.

26、005MPa，再热压力pb=3MPa，再热后te=t1，回热抽汽压力pa=0.3MPa，试计算抽汽量，加热量q1，净功w及热效率t。第8章 8-1 一制冷剂工作在245K和300K之间，吸热量为9kW，制冷系数是同温限卡诺逆循环制冷系数的75%。试计算，(1) 放热量，(2) 耗功量，(3) 制冷量为多少“冷吨”。 8-5 采用勃雷登逆循环的制冷剂，运行在300K和250K之间，如果循环增压比分别为3和6，试计算它们的COP。假定工质可视为理想气体，cp=1.004kJ/(kgK), k=1.4。 8-6 采用具有理想回热的勃雷登逆循环的制冷机，工作在290K和220K之间，循环增压比为5，当

27、输入功率为3kW时循环的制冷量是多少“冷吨”？循环的性能系数又是多少？工质可视为理想气体，cp=1.04kJ/(kgK), k=1.3。 8-8 以氟利昂-12为工质的制冷机，蒸发器温度为20，压缩机入口状态为干饱和蒸汽。冷凝器温度为30，其出口工质状态为饱和液体。制冷量为1kW。若工质改用替代物HFC134a其他参数不变。试比较它们之间的循环制冷系数、效率、压缩机耗功量以及制冷剂流率。 8-11 一个以CFC12为工质的理想蒸气压缩制冷循环，运行在900kPa和300kPa之间，离开冷凝器的工质有5的过冷度，试确定循环的性能系数。若工质改用HFC134a，性能系数又为多少？第九章9-2 某锅

28、炉烟气的容积成份为：，试求各组元气体的质量成分和各组元气体的分压力。烟气的总压力为0.75105Pa。9-3 烟气的摩尔成分为：，空气的摩尔成分为：，。以50kg烟气与75kg空气混合，混合后气体压力为3.0105Pa，求混合后气体的(1)摩尔成分；(2)质量成分；(3)平均摩尔质量和折合气体常数；(4)各组元气体的分压力。9-4 有三股压力相等的气流在定压下绝热混合。第一股是氧，；第二股是一氧化碳，；第三股是空气，混合后气流温度为275。试求每小时的混合熵产(用定比热容计算，且把空气视作单一成分的气体处理，即不考虑空气中的氧与第一股氧气之间产生混合熵产的情况)。9-5 容积为V的刚性容器内，

29、盛有压力为p，温度为T的二元理想混合气体，其容积成分为和。若放出x kg混合气体，并加入y kg第二种组元气体后，混合气体在维持原来的压力p和温度T下容积成分从原来的变成，变成。设两种组元气体是已知的，试确定x和y的表达式。9-6 设刚性容器中原有压力为p1，温度为T1的m1kg第一种理想气体，当第二种理想气体充入后使混合气体的温度仍维持不变，但压力升高到p，试确定第二种气体的充入量。9-8 湿空气的温度为30，压力为0.9807105Pa，相对湿度为70%，试求：(1)比湿度；(2)水蒸气分压力；(3)相对于单位质量干空气的湿空气焓值；(4) 由h-d图查比湿度、水蒸气分压力，并和(1)与(

30、2)的答案对照。(5)如果将其冷却到10，在这个过程中会分出多少水分？放出多少热量？(用h-d图)。9-9 t1=20及=60%的空气作干燥用。空气在加热器中被加热到t2=50，然后进入干燥器，由干燥器出来时，相对湿度为3=80%，设空气的流量为5000kg干空气/h，试求：(1)使物料蒸发1kg水分需要多少干空气？(2)每小时蒸发水分多少千克？(3) 加热器每小时向空气加入的热量及蒸发1kg水分所耗费的热量。9-10 试用h-d图分别确定下列参数：h/kJ/kg干空气d/kg/kg干空气t/ Pa/0.0275%2870%15303520560.011075%9-11 为满足某车间对空气温、湿度的要求，需将t1=10，1=30%的空气加热后再送入车间。设加热后空气的温度t2=21，处理空气过程的角系数=3500，试求空气终态及处理过程的热、湿变化。9-13 某设备的容积V=60m3，内装饱和水蒸气及温度为50的干空气的混合物，容器内的真空为0.3105Pa。经一段时间后，由外界漏入1kg质量的干空气。此时，容器中有0.1kg的水蒸气被凝结。设大气压力为1105Pa，试求终态时容器内工质的压力和温度。9-14 t1=32，p=105Pa及1=65%的湿空气送入空调机后，首先被冷却盘管冷却和冷