工程热力学课后习题答案.docx
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工程热力学课后习题答案
工程热力学（第五版）习题答案
工程热力学（第五版）廉乐明谭羽非等编
中国建筑工业出版社
第二章气体的热力性质
2—2。
已知的M＝28，求
（1）的气体常数；
（2）标准状态下的比容和密度;（3），℃时的摩尔容积。
解：
（1）的气体常数
＝296。
9
（2）标准状态下的比容和密度
＝0。
8
＝1。
25
（3），℃时的摩尔容积
＝＝64.27
2—3．把CO2压送到容积3m3的储气罐里，起始表压力kPa，终了表压力Mpa,温度由t1＝45℃增加到t2＝70℃.试求被压入的CO2的质量。
当地大气压B＝101。
325kPa。
解：
热力系:
储气罐.
应用理想气体状态方程.
压送前储气罐中CO2的质量
压送后储气罐中CO2的质量
根据题意
容积体积不变;R＝188。
9
（1）
（2）
（3）
（4）
压入的CO2的质量
（5）
将
（1）、
（2）、（3）、（4）代入（5）式得
m=12。
02kg
2-5当外界为标准状态时，一鼓风机每小时可送300m3的空气，如外界的温度增高到27℃,大气压降低到99。
3kPa，而鼓风机每小时的送风量仍为300m3，问鼓风机送风量的质量改变多少？
解:
同上题
＝41。
97kg
2—6空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15℃、压力为0。
1MPa的空气3m3,充入容积8.5m3的储气罐内.设开始时罐内的温度和压力与外界相同，问在多长时间内空气压缩机才能将气罐的表压力提高到0。
7MPa？
设充气过程中气罐内温度不变.
解：
热力系:
储气罐.
使用理想气体状态方程。
第一种解法：
首先求终态时需要充入的空气质量
kg
压缩机每分钟充入空气量
kg
所需时间
19.83min
第二种解法
将空气充入储气罐中，实际上就是等温情况下把初压为0。
1MPa一定量的空气压缩为0。
7MPa的空气；或者说0。
7MPa、8.5m3的空气在0。
1MPa下占体积为多少的问题。
根据等温状态方程
0。
7MPa、8。
5m3的空气在0。
1MPa下占体积为
m3
压缩机每分钟可以压缩0.1MPa的空气3m3，则要压缩59.5m3的空气需要的时间
19.83min
2－8在一直径为400mm的活塞上置有质量为3000kg的物体，气缸中空气的温度为18℃，质量为2。
12kg。
加热后其容积增大为原来的两倍.大气压力B＝101kPa,问:
（1）气缸中空气的终温是多少？
（2）终态的比容是多少?
（3）初态和终态的密度各是多少？
解：
热力系：
气缸和活塞构成的区间.
使用理想气体状态方程。
（1）空气终态温度
582K
（2）空气的初容积
p=3000×9.8/（πr2）+101000=335.7kPa
0。
527m3
空气的终态比容
＝0。
5m3/kg
或者
0。
5m3/kg
（3）初态密度
＝4kg/m3
2kg/m3
2-9
解：
（1）氮气质量
＝7。
69kg
（2）熔化温度
＝361K
2－14如果忽略空气中的稀有气体，则可以认为其质量成分为，.试求空气的折合分子量、气体常数、容积成分及在标准状态下的比容和密度。
解：
折合分子量
＝28。
86
气体常数
＝288
容积成分
＝20。
9％
1－20.9％＝79.1％
标准状态下的比容和密度
＝1。
288kg/m3
＝0。
776m3/kg
2—15已知天然气的容积成分,，，，,。
试求:
天然气在标准状态下的密度;
各组成气体在标准状态下的分压力.
解：
（1）密度
＝16。
48
（2）各组成气体在标准状态下分压力
因为：
98.285kPa
同理其他成分分压力分别为:
（略）
第三章热力学第一定律
3－1安静状态下的人对环境的散热量大约为400KJ/h，假设能容纳2000人的大礼堂的通风系统坏了:
（1）在通风系统出现故障后的最初20min内礼堂中的空气内能增加多少？
（2）把礼堂空气和所有的人考虑为一个系统，假设对外界没有传热，系统内能变化多少？
如何解释空气温度的升高。
解：
（1）热力系:
礼堂中的空气。
闭口系统
根据闭口系统能量方程
因为没有作功故W=0;热量来源于人体散热;内能的增加等于人体散热。
＝2.67×105kJ
（1）热力系:
礼堂中的空气和人。
闭口系统
根据闭口系统能量方程
因为没有作功故W=0；对整个礼堂的空气和人来说没有外来热量，
所以内能的增加为0.
空气温度的升高是人体的散热量由空气吸收,导致的空气内能增加。
3－5，有一闭口系统，从状态1经a变化到状态2，如图，又从状态2经b回到状态1；再从状态1经过c变化到状态2。
在这个过程中，热量和功的某些值已知,如表，试确定未知量。
过程
热量Q（kJ）
膨胀功W（kJ）
1—a—2
10
x1
2—b—1
—7
—4
1—c—2
x2
2
解:
闭口系统。
使用闭口系统能量方程
（1）对1—a-2和2—b-1组成一个闭口循环,有
即10＋（－7）＝x1+（－4）
x1=7kJ
（2）对1—c—2和2-b—1也组成一个闭口循环
x2＋（－7）＝2+（－4）
x2=5kJ
（3）对过程2—b—1,根据
－3kJ
3—6一闭口系统经历了一个由四个过程组成的循环，试填充表中所缺数据。
过程
Q（kJ）
W（kJ）
ΔE（kJ）
1～2
1100
0
1100
2～3
0
100
—100
3～4
—950
0
-950
4～5
0
50
—50
解:
同上题
3—7解：
热力系:
1。
5kg质量气体
闭口系统，状态方程：
＝90kJ
由状态方程得
1000＝a＊0。
2+b
200=a＊1。
2+b
解上两式得:
/a=-800
b=1160
则功量为
＝900kJ
过程中传热量
＝990kJ
3－8容积由隔板分成两部分，左边盛有压力为600kPa，温度为27℃的空气，右边为真空，容积为左边5倍.将隔板抽出后，空气迅速膨胀充满整个容器。
试求容器内最终压力和温度.设膨胀是在绝热下进行的.
解:
热力系：
左边的空气
系统：
整个容器为闭口系统
过程特征：
绝热，自由膨胀
根据闭口系统能量方程
绝热
自由膨胀W＝0
因此ΔU=0
对空气可以看作理想气体，其内能是温度的单值函数，得
根据理想气体状态方程
＝100kPa
3-9一个储气罐从压缩空气总管充气,总管内压缩空气参数恒定，为500kPa,25℃.充气开始时,罐内空气参数为100kPa,25℃。
求充气终了时罐内空气的温度。
设充气过程是在绝热条件下进行的。
解：
开口系统
特征:
绝热充气过程
工质：
空气（理想气体）
根据开口系统能量方程，忽略动能和未能，同时没有轴功，没有热量传递。
没有流出工质m2=0
dE=dU=（mu）cv2—（mu）cv1
终态工质为流入的工质和原有工质和m0=mcv2-mcv1
mcv2ucv2—mcv1ucv1=m0h0
（1）
h0=cpT0
ucv2=cvT2
ucv1=cvT1
mcv1=
mcv2=
代入上式
（1）整理得
=398。
3K
3－10供暖用风机连同加热器，把温度为℃的冷空气加热到温度为℃,然后送入建筑物的风道内，送风量为0。
56kg/s，风机轴上的输入功率为1kW，设整个装置与外界绝热.试计算：
（1）风机出口处空气温度；
（2）空气在加热器中的吸热量；（3）若加热器中有阻力，空气通过它时产生不可逆的摩擦扰动并带来压力降，以上计算结果是否正确？
解:
开口稳态稳流系统
（1）风机入口为0℃则出口为1.78℃
℃
空气在加热器中的吸热量
＝138。
84kW
（3）若加热有阻力，结果1仍正确;但在加热器中的吸热量减少.加热器中,p2减小故吸热减小。
3－11一只0。
06m3的罐，与温度为27℃、压力为7MPa的压缩空气干管相连接,当阀门打开，空气流进罐内，压力达到5MPa时，把阀门关闭.这一过程进行很迅速，可认为绝热.储罐的阀门关闭后放置较长时间，最后罐内温度回复到室温。
问储罐内最后压力是多少？
解：
热力系:
充入罐内的气体
由于对真空罐充气时,是焓变内能的过程
罐内温度回复到室温过程是定容过程
＝3。
57MPa
3－12压力为1MPa和温度为200℃的空气在一主管道中稳定流动.现以一绝热容器用带阀门的管道与它相连，慢慢开启阀门使空气从主管道流入容器。
设
（1）容器开始时是真空的;
（2）容器装有一个用弹簧控制的活塞,活塞的位移与施加在活塞上的压力成正比,而活塞上面的空间是真空，假定弹簧的最初长度是自由长度;（3）容器装在一个活塞,其上有重物，需要1MPa的压力举起它。
求每种情况下容器内空气的最终温度?
解:
（1）同上题
662K=389℃
（2）
h=cpT0
L=kp
T=552K=279℃
同
（2）只是W不同
T=473K＝200℃
3－13解：
对理想气体
3－14解:
（1）理想气体状态方程
＝586K
（2）吸热:
＝2500kJ
3—15解:
烟气放热等于空气吸热
1m3空气吸取1。
09m3的烟气的热
＝267kJ
＝205℃
t2=10+205=215℃
3-17解：
代入得:
＝582K
＝309℃
3－18解：
等容过程
1.4
＝37.5kJ
3-19解:
定压过程
T1==216。
2K
T2=432。
4K
内能变化:
＝156。
3kJ
焓变化：
218。
8kJ
功量交换：
＝62。
05kJ
热量交换：
=218。
35kJ
第四章理想气体的热力过程及气体压缩
4-11kg空气在可逆多变过程中吸热40kJ,其容积增大为,压力降低为，设比热为定值，求过程中内能的变化、膨胀功、轴功以及焓和熵的变化。
解：
热力系是1kg空气
过程特征:
多变过程＝0。
9
因为
内能变化为
＝717.5
＝1004。
5
＝3587。
5
＝8×103J
膨胀功:
＝32×103J
轴功：
28.8×103J
焓变：
＝1。
4×8＝11.2×103J
熵变：
＝0。
82×103
4－2有1kg空气、初始状态为，℃，进行下列过程:
（1）可逆绝热膨胀到;
（2）不可逆绝热膨胀到,；
（3）可逆等温膨胀到；
（4）可逆多变膨胀到,多变指数；
试求上述各过程中的膨胀功及熵的变化，并将各过程的相对位置画在同一张图和图上
解：
热力系1kg空气
膨胀功:
＝111。
9×103J
熵变为0
（2）＝88。
3×103J
＝116.8
（3）＝195.4×103
＝0。
462×103
（4）＝67。
1×103J
＝189。
2K
＝－346.4
4—3具有1kmol空气的闭口系统,其初始容积为1m3，终态容积为10m3,当初态和终态温度均100℃时，试计算该闭口系统对外所作的功及熵的变化。
该过程为:
（1）可逆定温膨胀；
（2）向真空自由膨胀。
解:
（1）定温膨胀功7140kJ
19.14kJ/K
（2）自由膨胀作功为0
19。
14kJ/K
4－4质量为5kg的氧气，在30℃温度下定温压缩，容积由3m3变成0.6m3，问该过程中工质吸收或放出多少热量?
输入或输出多少功量？
内能、焓、熵变化各为多少？
解：
－627.2kJ
放热627。
2kJ
因为定温，内能变化为0，所以
内能、焓变化均为0
熵变：
－2。
1kJ/K
4－5为了试验容器的强度，必须使容器壁受到比大气压力高0.1MPa的压力。
为此把压力等于大气压力.温度为13℃的空气充入受试验的容器内,然后关闭进气阀并把空气加热。
已知大气压力B＝101。
3kPa,试问应将空气的温度加热到多少度？
空气的内能、焓和熵的变化为多少?
解:
（1）定容过程
568。
3K
内能变化：
202。
6kJ/kg
283。
6kJ/kg
0.49kJ/（kg。
K）
4—66kg空气由初态p1＝0。
3MPa，t1=30℃,经过下列不同的过程膨胀到同一终压p2＝0.1MPa:
（1）定温过程；
（2）定熵过程;（3）指数为n＝1.2的多变过程。
试比较不同过程中空气对外所作的功，所进行的热量交换和终态温度.
解：
（1）定温过程
573。
2kJ
T2=T1=30℃
（2）定熵过程
351。
4kJ
Q＝0
221。
4K
（3）多变过程
＝252.3K
436.5kJ
218.3kJ
4－7已知空气的初态为p1＝0.6MPa，v1=0.236m3/kg。
经过一个多变过程后终态变化为p2＝0。
12MPa，v2=0。
815m3/kg.试求该过程的多变指数，以及每千克气体所作的功、所吸收的热量以及内能、焓和熵的变化.
解:
（1）求多变指数＝1。
30
1千克气体所作的功
146kJ/kg
吸收的热量
=36。
5kJ/kg
内能:
146-36。
5＝－109。
5kJ/kg
焓：
－153。
3kJ/kg
熵：
＝90J/（kg.k）
4-81kg理想气体由初态按可逆多变过程从400℃降到100℃，压力降为,已知该过程的膨胀功为200kJ,吸热量为40kJ，设比热为定值，求该气体的和
解：
kJ
＝533J/（kg。
k）
=200kJ
解得:
n＝1.49
R=327J/（kg.k）
代入解得：
＝533+327=860J/（kg。
k）
4—9将空气从初态1，t1=20℃，定熵压缩到它开始时容积的1/3，然后定温膨胀,经过两个过程，空气的容积和开始时的容积相等。
求1kg空气所作的功。
解:
＝—116kJ/kg
＝454。
7K
＝143。
4kJ/kg
w=w1+w2=27。
4kJ/kg
4—101kg氮气从初态1定压膨胀到终态2，然后定熵膨胀到终态3。
设已知以下各参数：
t1=500℃，v2=0.25m3/kg，p3＝0。
1MPa，v3=1。
73m3/kg。
求
（1）1、2、3三点的温度、比容和压力的值。
（2）在定压膨胀和定熵膨胀过程中内能的变化和所作的功。
解：
（1）＝1。
5MPa
＝1263K
p1=p2=1。
5MPa
v1==0。
15m3/kg
=583K
（2）定压膨胀
364kJ/kg
145。
4kJ/kg
定熵膨胀
505kJ/kg
—505kJ/kg
或者：
其q=0,=—505kJ/kg
4—111标准m3的空气从初态1p1＝0.6MPa，t1=300℃定熵膨胀到状态2，且v2=3v1。
空气由状态2继续被定温压缩,直到比容的值和开始时相等，v3=v1，求1、2、3点的参数（P,T，V）和气体所作的总功。
解：
0.274m3/kg
0.129MPa
369K
V2=3V1=0.822m3
T3=T2=369K
V3=V1=0。
274m3
0。
387MPa
4－12压气机抽吸大气中的空气，并将其定温压缩至p2＝5MPa。
如压缩150标准m3空气，试求用水冷却压气机气缸所必须带走的热量.设大气处于标准状态.
解:
-59260kJ
4-13活塞式压气机吸入温度t1=20℃和压力p1＝0。
1MPa的空气，压缩到p2＝0。
8MPa，压气机每小时吸气量为600标准m3。
如压缩按定温过程进行，问压气机所需的理论功率为多少千瓦？
若压缩按定熵过程进行,则所需的理论功率又为多少千瓦？
解：
定温：
0。
215kg/s
－37.8KW
定熵
＝－51.3KW
4－14某工厂生产上需要每小时供应压力为0。
6MPa的压缩空气600kg；设空气所初始温度为20℃，压力为0.1MPa.求压气机需要的最小理论功率和最大理论功率.若按n＝1。
22的多变过程压缩，需要的理论功率为多少？
解：
最小功率是定温过程
m=600/3600=1/6kg/s
＝－25。
1KW
最大功率是定熵过程
－32。
8KW
多变过程的功率
－29。
6KW
4－15实验室需要压力为6MPa的压缩空气，应采用一级压缩还是二级压缩？
若采用二级压缩，最佳中间压力应等于多少?
设大气压力为0.1，大气温度为20，压缩过程多变指数n=1。
25,采用中间冷却器能将压缩气体冷却到初温.试计算压缩终了空气的温度。
解：
压缩比为60,故应采用二级压缩。
中间压力：
0。
775MPa
=441K
4-16有一离心式压气机，每分钟吸入p1＝0.1MPa,t1=16℃的空气400m3,排出时p2＝0。
5MPa，t2=75℃。
设过程可逆，试求:
（1）此压气机所需功率为多少千瓦?
（2）该压气机每分钟放出的热量为多少千焦？
解：
（1）=8.04kg/s
=1。
13
1183KW
（2）=-712。
3kJ/s
4－17三台空气压缩机的余隙容积均为6％，进气状态均为0。
1MPa、27℃，出口压力均为0。
5MPa，但压缩过程的指数不同,分别为:
n1=1.4,n2=1。
25，n3=1.试求各压气机的容积效率（假设膨胀过程的指数和压缩过程的指数相同）。
解:
n=1.4:
0.87
n=1。
25：
=0。
84
n=1：
=0。
76
第五章热力学第二定律
5—1⑴
⑵
⑶
5—2
该循环发动机不能实现
5—3
5-4
5-5⑴
⑵
⑶
5—6⑴
由℃
得℃
5-7
5-8
5-9可逆绝热压缩终态温度
K
可逆过程，不可逆过程
且，则
K
=0.00286kJ/kg.K
5-10理论制冷系数:
制冷机理论功率：
散热量：
冷却水量:
5—11⑴
热源在完成不可逆循环后熵增0。
026kJ/kg。
K
则第二个过程热源吸热：
工质向热源放热:
5-12可逆定温压缩过程熵变:
可逆过程耗功：
实际耗功：
因不可逆性引起的耗散损失：
总熵变:
5—13，
5—14，
5-15⑴，
⑵
5—16
5—17⑴
⑵
5-18⑴
⑵
5-19
环境熵变：
空气熵变：
孤立系统熵变：
5—20
排开环境所作的功为作功能力损失（51。
2kJ/kg）
5—21
5—22
5—23
5—24⑴
⑵
⑶
符合！
第六章习题解答
6—1
6-2
6—3⑴
积分：
⑵
⑶
6-4
6—5
（湿蒸气区T恒定）
6—6
6-7
6-8
⑴
⑵
⑶
6-9
与v无关,仅与T有关
6—10
6—11
6—12
Pa
第七章水蒸气
7—1当水的温度t=80℃，压力分别为0。
01、0。
05、0。
1、0。
5及1MPa时,各处于什么状态并求出该状态下的焓值。
解：
查表知道t=80℃时饱和压力为0。
047359MPa。
因此在0。
01、0。
05、0。
1、0.5及1MPa时状态分别为过热、未饱和、未饱和，未饱和、未饱和。
焓值分别为2649.3kJ/kg,334。
9kJ/kg，335kJ/kg，335.3kJ/kg，335.7kJ/kg。
7－2已知湿蒸汽的压力p=1MPa干度x=0。
9。
试分别用水蒸气表和h—s图求出hx，vx,ux，sx.
解:
查表得：
h``＝2777kJ/kgh`=762.6kJ/kg
v``＝0.1943m3/kgv`＝0。
0011274m3/kg
u``=h``－pv``=2582.7kJ/kgu`＝h`－pv`=761。
47kJ/kg
s``=6。
5847kJ/（kg.K）s`＝2。
1382kJ/（kg。
K）
hx＝xh``+（1—x）h`=2575。
6kJ/kg
vx＝xv``+（1—x）v`=0。
1749m3/kg
ux＝xu``+（1—x）u`=2400kJ/kg
sx＝xs``+（1—x）s`=6。
14kJ/（kg.K）
7—3在V＝60L的容器中装有湿饱和蒸汽，经测定其温度t＝210℃,干饱和蒸汽的含量mv=0。
57kg，试求此湿蒸汽的干度、比容及焓值。
解：
t＝210℃的饱和汽和饱和水的比容分别为：
v``＝0。
10422m3/kgv`＝0。
0011726m3/kg
h``＝2796。
4kJ/kgh`=897.8kJ/kg
湿饱和蒸汽的质量：
解之得：
x=0。
53
比容：
vx＝xv``+（1—x）v`=0。
0558m3/kg
焓:
hx＝xh``+（1-x）h`=1904kJ/kg
7－4将2kg水盛于容积为0。
2m3的抽空了的密闭刚性容器中，然后加热至200℃试求容器中
（1）压力；
（2）焓;（3）蒸汽的质量和体积.
解:
（1）查200℃的饱和参数
h``＝2791.4kJ/kgh`=852。
4kJ/kg
v``＝0。
12714m3/kgv`＝0。
0011565m3/kg
饱和压力1。
5551MPa。
刚性容器中水的比容:
＝0.1m3/kg因此是湿蒸汽。
压力是饱和压力1。
5551MPa。
干度：
＝0。
78
焓：
hx＝xh``+（1-x）h`=2364.8kJ/kg
蒸汽的质量和体积：
mv=x×m=0.78×2=1.56kg
V=mv×v``＝0。
19834m3
7—5已知8m3的湿蒸汽，在p＝0。
9MPa时，其湿度（1－x）＝0。
65，求此湿蒸汽的质量与焓。
解：
p＝0。
9MPa的饱和参数
h``＝2773kJ/kgh`=742.6kJ/kg
v``＝0。
21484m3/kgv`＝0。
0011213m3/kg
湿蒸汽的质量：
0.0759m3/kg
＝105.4kg
焓：
h=mhx＝x（h``+（1—x）h`）=105.4×1453。
24kJ=1.53×103kJ
7—6有一台采暖锅炉，每小时能生产压力p＝1MPa（绝对）、x＝0.95的蒸汽1500kg。
当蒸汽的流速c≮25m/s时，管道中的压力损失可以不计,求输汽管的内径最小应多大？
解：
p＝1MPa、x＝0。
95的比容
查表饱和参数v``＝0.1943m3/kgv`＝0。
0011274m3/kg
0。
18464m3/kg
蒸汽体积流量：
＝0。
077m3/s
输汽管的半径最小为＝0.0313m
内径:
0.0626m
7-7某空调系统采用p＝0。
3MPa、x＝0.94的湿蒸汽来加热空气。
暖风机空气的流量为每小时4000标准m3，空气通过暖风机（从0℃）被加热到120℃.设蒸汽流过暖风机后全部变为p＝0。
3MPa的凝结水。
求每小时需要多少千克蒸汽（视空气的比热为定值）。
解：
空气吸收的热量:
＝619000kJ/h
p＝0.3MPa的饱和参数：
h``＝2725。
5kJ/kgh`=561。
4kJ/kg
p＝0。
3MPa、x＝0。
94蒸汽的焓
hx＝xh``+（1-x）h`=2595。
7kJ/kg
需要蒸汽
304.28kg/h
法二：
湿蒸汽中起加热作用的仅为干饱和蒸汽
＝306。
6kg/h
7—8气缸中盛有0。
5kg、t＝120℃的干饱和蒸汽，在定容下冷却至80℃.求此冷却过程中蒸汽放出的热量。
解:
t＝120℃的干饱和蒸汽参数：
v``＝0.89202m3/kgh``＝2706.6kJ/kgp1=0.19854MPa
容积：
V=mv``=0。
44601m3
t＝80℃的饱和蒸汽参数
v`＝0.0010292m3
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