武汉理工工程热力学和传热学作业

工程热力学和传热学

第二章基本概念

一．基本概念

系统：

状态参数：

热力学平衡态：

温度：

热平衡定律：

温标：

准平衡过程：

可逆过程：

循环：

可逆循环：

不可逆循环：

二、习题

1．有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？

2．牛顿温标,用符号°Ｎ表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100°Ｎ和200°Ｎ，且线性分布。（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标)的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?

3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，

当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?

4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热

水。试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。

（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。

图

1-1

5．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。

（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。

（2）在大气压力为0.1013MPa时，用(0＋dt)℃的热源(dt→0)给0℃的冰加热使之变为0℃的水。

（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。

（4）100℃的水和15℃的水混合。

6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为

360kPa；表B的读数为170kPa，表示室I压力高于

室II的压力。大气压力为760mmHg。试求:

（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；

（2）表C的读数；

（3）圆筒顶面所受的作用力。

图1-2

第三章热力学第一定律

一．基本概念

功：

热量：

体积功：

节流：

二．习题

1．膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？

2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？若不正确，请更正。

?+?=+?+?+

?=+=+?=?2

1

2

2

1pdV

H Q w z g c H q w du q w u q s δ

3．一活塞、气缸组成的密闭空间，内充50g 气体，用叶轮搅拌器搅动气体。活塞、气缸、搅拌器均用完全绝热的材料制成。搅拌期间，活塞可移动以保持压力不变，但绝对严密不漏

4．1kg 空气由p 1=5MPa,t 1=500℃，膨胀到p 2=0.5MPa,t 2=500℃，得到热量506kJ ，对外做膨胀功506kJ 。接着又从终态被压缩到初态，放出热量390kJ,试求：

（1）膨胀过程空气热力学能的增量；（2）压缩过程空气热力学能的增量；（3）压缩过程外

界消耗了多少功？

5．一活塞气缸装置中的气体经历了2个过程。从状态1到状态2，气体吸热500kJ，活塞对

外作功800kJ。从状态2到状态3是一个定压的压缩过程，压力为p=400kPa，气体向外散热450kJ。并且已知U1=2000kJ, U3=3500kJ，试计算2-3过程中气体体积的变化。

6．现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图2-1所示的设备进行绝热混合，以形成第三

股所需温度的空气流。各股空气的已知参数如图中所示。设空气可按理想气体计，其焓仅是

温度的函数，按{h}kJ/kg=1.004{T}K计算，理想气体的状态方程为pv=RT, R=287J/(kg·K)。若

进出口截面处的动、位能变化可忽略，试求出口截面

的空气温度和流速。

图

图2-1

7．某气体从初态p1=0.1MPa，V1=0.3m3可逆压缩到终态p2=0.4MPa，设压缩过程中p=aV-2，

式中a为常数。试求压缩过程所必须消耗的功。

8．如图2-2所示，p-v图上表示由三个可逆过程所组成的一个循环。1-2是绝热过程；2-3是定压过程；3-1是定容过程。如绝热过程1-2中工质比热力学能的变化量为-50kJ/kg，p1=1.6MPa，v1=0.025m3/kg，p2=0.1MPa，v2=0.2m3/kg。（1）试问这是一个输出净功的循环还是消耗净功的循环？

（2）计算循环的净热。

图2-2

9．某燃气轮机装置如图2-3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w2=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3’,h3’=800kJ/kg，流速增至w3’，燃气再进入动叶片，推动转轮回转做功。若燃气在动叶片中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为w4=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，燃料消耗量为多少？

（3）燃气在喷管出口处的流速w3’是多少？

（4）燃气涡轮（3’-4过程）的功率为多少？

（5）燃气轮机装置的总功率为多少？

图2-3

第四章热力学第二定律

一．基本概念

克劳修斯说法：

开尔文说法：

卡诺定理：

熵流：

熵产：

熵增原理：

二．习题

1．热力学第二定律可否表述为：“功可以完全变为热，但热不能完全变为功”，为什么？

2．下列说法是否正确，为什么？

1）熵增大的过程为不可逆过程；

2）工质经不可逆循环，?S >0；

3）可逆绝热过程为定熵过程，定熵过程就是可逆绝热过程；

4）加热过程，熵一定增大；放热过程，熵一定减小。

3．某封闭系统经历了一不可逆过程，系统向外界放热为10kJ，同时外界对系统作功为20kJ。1）按热力学第一定律计算系统热力学能的变化量；

2）按热力学第二定律判断系统熵的变化（为正、为负、可正可负亦可为零）。

4．判断是非（对画√，错画×）

1）在任何情况下，对工质加热，其熵必增加。（）

2）在任何情况下，工质放热，其熵必减少。（）

3）根据熵增原理，熵减少的过程是不可能实现的。（）

4）卡诺循环是理想循环，一切循环的热效率都比卡诺循环的热效率低。（）

5）不可逆循环的熵变化大于零。（）

5．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?

6．空气在某压气机中被绝热压缩，压缩前：p1=0.1MPa，t1=25℃；压缩后：p2=0.6MPa，t2=240℃。设空气比热为定值，问：1）此压缩过程是否可逆？为什么？2）压缩1kg空气所消耗的轴功是多少？

7．气体在气缸中被压缩，压缩功为186kJ/kg，气体的热力学能变化为56kJ/kg，熵变化为-0.293kJ/(kg·K)。温度为20 C的环境可与气体发生热交换，试确定每压缩1kg气体时的熵产。

8．设一可逆卡诺热机工作于1600℃和300℃的两个热源之间，工质从高温热源吸热400kJ，试求：(1)循环热效率；(2)工质对外作的净功；(3)工质向低温热源放出的热量。

9．已知A、B、C3个热源的温度分别为500K，400K和300K，有可逆机在这3个热源间工作。若可逆机从热源A吸入3000kJ热量，输出净功400kJ，试求可逆机与B，C两热源的换热量，并指明方向。

10．试论证如违反热力学第二定律的克劳修斯说法，则必然违反开尔文说法以及违反开尔文说法必然导致违反克劳修斯说法。

11．有A ，B 两物体，其初温T A >T B ，两物体的质量相等m A =m B =m ，其比热容亦相等c A =c B =c ，且为常数。可逆热机在其间工作，从A 吸热，向B 放热，直至两物体温度相等时为止。 （1）试证明平衡时的温度为B A m T T T ?=；

（2）求可逆热机对外输出的净功。

12．如图3-1所示，用热机E 带动热泵P 工作，热机在热源T 1和冷源T 0之间工作，而热泵则在冷源T 0和另一热源T 1’之间工作。已知T 1=1000K 、T 1’=310K 、T 0=250K 。如果热机从热源T 1吸收热量Q 1=1kJ ，而热泵向另一热源T 1’放出的热量Q H 供冬天室内取暖用。 （1）如热机的热效率为ηt =0.50，热泵的供热系数εh =4，求Q H ； （2）如热机和热泵均按可逆循环工作，求Q H ；

（3）如上述两次计算结果均为Q H >Q 1，表示冷源T 0中有一部分热量传入了温度T 1’的热源，而又不消耗（除热机E 所提供的功之外的）其他机械功，这是否违反热力学第二定律的克劳修斯说法？

图3-1

第五章 理想气体的热力性质与过程

一．基本概念

理想气体：

比热容：

二．习题

1．热力学第一定律的数学表达式可写成w u q +?= 或 ?+?=2

1

pdv

t c q v 两者有何不

同？

2．图4-1所示，1-2和5-3各为定容过程，1-4和2-3各为定压过程，试判断q 143与q 123哪个大？

图4-1

3．有两个任意过程1-2和1-3，点2和点3在同一条绝热线上，如图4-2所示。试问△u

12与△u

谁大谁小？又如2和3在同一条等温线上呢？

13

4．讨论1

5．理想气体分子量M=16，k=1.3，若此气体稳定地流过一管道，进出管道时气体的温度分别为30℃和90℃，试求对每公斤气体所需的加热量（气体的动能和位能变化可以忽略）。

6．某理想气体在气缸内进行可逆绝热膨胀，当容积为二倍时，温度由40℃下降到－40℃，过程中气体做了60kJ/kg的功。若比热为定值，试求c p与c v的值。

7．某理想气体初温T1=470K，质量为2.5kg，经可逆定容过程，其热力学能变化为?U=295.4kJ,求过程功、过程热量以及熵的变化。设该气体R=0.4kJ/(kg·K)，k=1.35,并假定比热容为定值。

8．在一具有可移动活塞的封闭气缸中，储有温度t1=45?C，表压力p g1=10kPa的氧气0.3m3。在定压下对氧气加热，加热量为40kJ；再经过多变过程膨胀到初温45?C，压力为18kPa。设环境大气压力为0.1MPa，氧气的比热容为定值，试求：（1）两过程的焓变量及所作的功；（2）多变膨胀过程中气体与外界交换的热量。

9．1kg空气，初态p1=1.0MPa, t1=500?C，在气缸中可逆定容放热到p2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t3=500?C，再经可逆定温过程回到初态。求各过程的?u，?h，?s及w和q各为多少？并在p-v图和T-s图上画出这3个过程。

10．一封闭的气缸如图4-3所示，有一无摩擦的绝热活塞位于中间，两边分别充以氮气和氧气，初态均为p1=2MPa，t1=27 C。若气缸总容积为1000cm3，活塞体积忽略不计，缸壁是

绝热的，仅在氧气一端面上可以交换热量。现向氧气加热使其

压力升高到4MPa，试求所需热量及终态温度，并将过程表示在

p-v图及T-s图上。

图4-3

11．如图4-4所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为t

1=400℃，流量

1

m =120kg/h；

另一股的温度为t

2=150℃，流量

2

m =210kg/h；在与外界绝热的条件下，它们相互混合形成

压力相同的空气流。已知比热为定值，试计算混合气流的温度，并计算混合过程前后空气的熵的变化量是增加、减小或不变？为什么？

图4-4

12．如图4-5所示，理想气体进行了一可逆循环1-2-3-1，已知1-3为定压过程，v 3=2v 1；2-3为定容过程，p 2=2p 3；1-2为直线线段，即p/v=常数。(1)试论证233121---+>q q q ；(2)画出该循环的T-s 图，并证明233121---?+?=?s s s ；(3)若该理想气体的c p =1.013kJ/(kg ·K)，c v =0.724kJ/(kg ·K)，试求该循环的热效率。

图

图4-5

13．1kmol 理想气体从初态p 1=500kPa ，T 1=340K 绝热膨胀到原来体积的2倍。设气体Mc p =33.44kJ/(kmol ·K)，Mc v =25.12kJ/(kmol ·K)。试确定在下述情况下气体的终温，对外所做的功及熵的变化量。（1）可逆绝热过程；（2）气体向真空进行自由膨胀。

第六章水蒸汽的热力性质和热力过程

一．基本概念

饱和温度：

饱和压力：

饱和水：

干饱和蒸汽：

湿蒸汽：

过热蒸汽：

干度：

绝热效率：

二．习题

1．根据给顶的水蒸汽的压力和比体积，如何用蒸汽表确定它是湿蒸汽还是过热蒸汽？湿蒸汽的状态参数如何利用蒸汽表求出？

2．由于?h p =c p,m ?T 是普遍适用于任意工质的，饱和水在定压下汽化变为干饱和蒸汽时，温度不变，因此，00,=?=?='-''m p p c h h h =?h p =c p,m ?0=0。这一推论错误在哪里？

3．（1）在p

的连线；

（3）当 时，定压下的蒸汽发生过程不再有三个阶段；

（4）试将图5-1 中状态点A 、B 和C 、D 的名称写出。

A ；

B ；

C ；

D ；

图5-1 4．给水在温度t 1=60℃、压力p=3.5 MPa 下进入蒸汽锅炉的省煤器，并在锅炉中加热成t 2=350℃的过热蒸汽。试把该过程表示在T -s 图上，并求加热过程中水的平均吸热温度。

5．在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500℃降低到250℃，所放出的热量用以生产水蒸汽。压力为9MPa 、温度为30℃的锅炉给水被加热、汽化、过热成p l =9Mpa 、t 1=450℃的过热蒸汽。将烟气近似为空气，取比热为定值。且c p =1.079kJ ／(kgK)。试求：（1）产生1kg 过热蒸汽需要多少kg 烟气？（2）生产1kg 过热蒸汽时，烟气熵的减小以及过热蒸汽熵的增大各为多少?（3）将烟气和水蒸汽作为孤立系，求生产1kg 过热蒸汽时孤立系熵的增大为多少?设环境温度为15℃。

6．某刚性容器内有湿蒸汽5kg，其中饱和水为0.5kg，压力为0.2MPa。对容器加热，求使其中湿蒸汽完全变为饱和蒸汽所需的热量。

7．按水蒸汽表和h-s图，求压力为p=3MPa、干度x=0.98的湿蒸汽的状态参数。

8．已知水蒸汽的压力p=0.5Mpa、比体积v=0.836m3/kg，试确定其所处的状态，并求其比焓，比熵和比热力学能。

9．压力p=1.5MPa，t=120?C的未饱和水进入锅炉，在其中定压加热为x=0.98的湿蒸汽离开锅炉，蒸发量为q m=4000kg/h，设燃料的发热量为41868kJ/kg，锅炉效率为ηB=79%。试求每小时燃料消耗量。

10．1kg水蒸汽初态为p1=3MPa, t1=400?C，在气轮机中绝热膨胀到p2=0.006MPa。

（1）当过程可逆时，试求终态的干度x2和气轮机所做的技术功w t；

（2）当过程不可逆，即ηoi=0.9时，试求终态的干度x2’和气轮机所做的技术功w t’，以及由于过程不可逆而引起的技术功的减少量?w t=w t-w t’。

第七章理想混合气体和湿空气

一．基本概念

理想混合气体：

道尔顿分压定律：

分体积定律：

质量分数：

体积分数：

摩尔分数：

湿空气：

饱和空气：

未饱和空气：

露点：

含湿量：

相对湿度：

湿空气的焓：

二．习题

1．用什么方法可使未饱和空气变为饱和空气？请在p-v图和T-s图上画出相应的过程曲线。如果把20℃时的饱和空气在定压下加热到30℃,它是否还是饱和空气？

2．零下10℃的空气中为什么还含有水蒸汽？这些水蒸汽为何不结成冰呢？

3．当湿空气的相对湿度?<100%时，干球温度t、湿球温度t w和露点温度t d的大小关系为，当?=100%时，三者间的大小关系为。4．未饱和空气中水蒸汽的状态如图6-1中A所示，试在该图上定性表示出湿空气的露点温度t d。

图6-1

5．设大气压力为0.1MPa，温度为34?C，相对湿度为80%。如果利用空调设备使湿空气冷却去湿至10?C，然后再加热到20?C，且通过空调设备的干空气量为20kg，试确定：（1）终态空气的相对湿度；（2）湿空气在空调装置中除去的水分量m w;（3）湿空气在空调设备中放出的热量和在加热器中吸收的热量。

6．温度为25?C，压力为0.1MPa，相对湿度为0.5的湿空气经历压缩后温度升高到50?C，压力升高到0.3MPa，之后又在定压下冷却，试问冷却到什么温度时将出现水滴?

7．某船空气调节装置的回风与新风风量之比m

a,2/m

a,1

=3.5，夏季，新风状态t1=38℃,

1

?=40%，

室内回风t

２=26℃,

2

?=60%，求混合后空气的状态参数。

8．设干湿球温度计的读数为：干球温度t=30℃,湿球温度t

w =25℃,大气压力p

b

=0.1013MPa，

试用h-d图确定湿空气的各参数(h、d、 、t d)。

9．已知房间内墙表面温度为16℃，如果室内空气的温度为22℃，试问防止墙表面发生凝结水珠现象，室内空气相对湿度最大不应超过多少？

第八章气体和蒸汽的流动

一．基本概念

马赫数：

临界压力比：

焦耳—汤姆逊效应：

二．习题

1．水流过缩放形管道，其渐放部分水速必然下降，为什么对气体却可增速为超音速气流？

2．什么是临界压力比？它和什么因素有关？有何用处？渐缩喷管为何不能获得超音速气流？