工程热力学(第五版)课后习题答案(全章节).doc
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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℃
3-16 解：
代入得：
＝582K
＝309℃
3－17 解：
等容过程
1.4
＝37.5kJ
3-18 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
4-1 1kg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）
4-6 6kg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）
4-8 1kg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/kg h`=762.6kJ/kg
v``＝0.1943m3/kg v`＝0.0011274m3/kg
u``=h``－pv``=2582.7kJ/kg u`＝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/kg v`＝0.0011726m3/kg
h``＝2796.4kJ/kg h`=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/kg h`=852.4kJ/kg
v``＝0.12714m3/kg v`＝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/kg h`=742.6kJ/kg
v``＝0.21484m3/kg v`＝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/kg v`＝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/kg h`=561.4kJ/kg
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