1、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/m 3 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
2、。大气压力为 760mmHg。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 1-151-8 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
3、充满压力为 150kPa 的空气。由于加热，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。11-16 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 1-162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
4、组成的循环，试填充下表中所缺的数据，并写出根据。过程 Q/ kJ W/ kJ U/ kJ12 0 139023 0 39534 0 100041 02-5 1kg 空气由 p1=1.0MPa，t 1=500膨胀到 p1=0.1MPa，t 1=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 195k
5、g，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，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 2-1032-7 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
6、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，c p 和 cv。2-13 一台锅炉给水泵，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(
7、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，1mA进口焓 h1=12kJ/kg，燃油流量 =700kg/h，燃油进口焓 h7=42kJ/kg，油发热量7mAq=41800kJ/kg，排出废气焓 h6=418kJ/kg，求发电机发出的功率。图 2-112-15 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
8、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，则对汽轮机功率的计算有多4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，v 1=0.845m3/kg；压缩后为 p2=0.8MPa，v 1=0.175m3/kg，若在压缩过程中每千克空气的内能增加
9、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 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。3h3
10、c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？3c(4) 燃气透平 ( 过程) 的功率为多少？34(5) 燃气轮机装置的总功率为多少？ 图 2-125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
11、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。筒内空气温度在空气压入前后并无变化。3-9 3kg 空气，p 1=1.0MPa，T 1=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
12、，T 1 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=715.94J/(kgK)，k H2=1.41，活塞不导热，且与气缸间无摩擦。图 3-113-12 6kg 空气由初态 p1=0.3MPa、t 1=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=
13、1.2。试比较不同过程中空气对外作功，交换的热量和终温。63-13 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
14、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，t 1=50，V 1=0.032m3，进入压气机按多变过程压缩至p2=32105Pa，V 2=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 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，t 1=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
15、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)。7第四章4-1 试用热力学第二定律证明，在 p
16、-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，T 2 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于同一T1，T 2 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
17、些是不可逆的？哪些是不可能的?图 4-26a. QL=1000kJ，W=250kJb. QL=2000kJ，Q H=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熵的变化。84-10 将 5kg 0的冰投入盛有 25kg 温度为 50水的绝热容器中
18、，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 V1=V2=0.001m3，空气温度均为 300K，左
19、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 4-304-18 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)；c室温为 25。4-20 压气机空气进口温度为 17，压力为 1105Pa，经历不可逆绝热压缩后其温度为 207
20、，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9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
21、热效率；(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，t 1=90，t 2=400，t 3=590，t 5=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 5-25-11 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 。85%c90%oi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opt计算此时氦气的质量流率。实际勃雷登循环的最佳增压比 21koicA
