工程热力学-第1章例题
工程热力学01第一章
第1章（第一章）基本知识本章将介绍推导热力学第一定律能量方程式所需要的概念。
在这部分里，将概念按照工质、系统、状态、过程和循环五部分归类，突出“工程热力学”课程的整体性，明确指出“工程热力学”最关心的量是那些，最终要解决什么问题。
1.1.工质热能与物质是不可分割的，物质是热能的载体。
热能是物质内部以分子运动、振动、旋转和位能形式具有的内部微观能量，它可以随物质的转移而转移，也可以通过温差传热传给其它物质。
在温差的作用下两个物体之间传递中的热能叫做热量，热量是一个过程量。
热能与机械能之间的互换转化以及热能的转移都要借助一种工作物质，这种工作物质简称为工质(Working fluid)。
工质的种类很多，有气体、有液体。
例如水泵中的工质是水；制冷机中的工质是HCFC;汽油机中的工质是燃气。
Working fluid is the matter contained within boundaries of a system. Matter can be in solid, liquid, vapor or gaseous phase. The working fluid in applied thermodynamic problems is either approximated by a perfect gas or a substance that exists as liquid and vapor. The state of the working fluid is defined by certain characteristics known as properties.1.1.1.实际气体实际气体（actual gas）是比较复杂的，其分子有质量、有体积而且分子与分子之间有作用力。
实际气体的计算是比较复杂的【详见后面】。
如果模型复杂，有的问题就不可能用数学的方法解决。
在工程热力学中，为了解决一个复杂问题，经常将问题理想化、简单化，然后解决问题，再修正。
工程热力学习题(1)
3.门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在 运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气 扑面，感到凉爽。于是有人想通过敞开 冰箱大门达到降低室内温度的目的，请 问这种方法可行吗？在门窗紧闭的房间 内安装空调后能使房间温度降低，这又 是为什么呢？
答：门窗紧闭的房间视为与外界没有热 量交换，可看作是绝热闭口系。当系统 内部电冰箱运转时，有电功输入系统， 即W为负值。因此按照闭口系能量方程 有：
0UW
因此，△U为正值，即温度升高，不能 达到降温的目的。
房间内安装空调器后，虽然门窗仍然紧
闭，但是由于空调器安装在窗上，通过 边界向大气环境散热，此时的房间不再 是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负 值。室内空调器仍旧有电功W输入系统， W为负值。
由闭口系能量方程:
QUW UQW
由于Q的绝对值大于W的绝对值，所以 △U＜0，即空气温度降低。
方程Q=△U+W，这里Q=0，W=0，
所以△U=0。即：
UAUB0
m A c V T T A m B c V T T B 0
p R AV A A TTTAp R BV B B TTTB0
TTATBpAV pA AV TB A ppB BV VB BTA
p mR m T A m B R T p A V A p B V B
答：由热力学第一定律：Q=△U+w,因为 刚性容器绝热，所以Q=0，空气自由膨 胀不作功，即w=0，因此，△U=0，即空 气的热力学能保持不变。
若隔板上开有一个小孔，取B为热力系 2 f2 g2 zm ou th 1 c 2 2 f1 g1 z m in W i
(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初 态变化到终态不能在p-v图上表示；第二 种情况是准平衡过程，所以可以用实线 在p-v图上表示。
华科工程热力学第一章
1-2容器内绝对压力为0.2bar，环境大气压力为0.1MPa，则安装在容器壁内的压力计的读数为多少？它是表压力还是真空读数？解：p=0.2bar=0.2MPa>p b=0.1MPa因此为表压力。
p e=0.2-0.1=0.1MPa.压力计读数为0.1MPa。
1-4分别将0℃、25℃、36.5℃、100℃换算成绝对温度、华氏温度和朗肯温度。
解：T（K）=t（℃）+273.15；t（℉）=9t（℃）+32；t（R）=t（℉）+459.67；5t1=0℃：T1（K）=273.15K；t1（℉）=32℉；t1（R）=491.67（R）。
×25+32）℉=77℉；t2（R）=536.67（R）。
t2=25℃：T2（K）=298.15K；t2（℉）=（95×25+32）℉=97.7℉；t3（R）=557.37.67 t3=36.5℃：T3（K）=309.65K；t3（℉）=（95（R）。
×100+32）℉=212℉；t4（R）=671.67（R）。
t4=100℃：T4（K）=373.15K；t4（℉）=（951-6用斜管压力计测量锅炉烟道烟气的真空度，管子的倾斜角为30°，压力计中使用密度为0.8×103kg/m3的煤油，斜管中液柱的长度l=200mm。
当地大气压力745mmHg。
求烟气的真空度及其绝对压力。
1-9有人提出一个新的绝对温标，它对应水的冰点是150ºS ，对应水的沸点是300ºS 。
试确定：1）分别对应100ºS 和400ºS 的摄氏温度℃；2）1ºS 与1K 的大小之比。
解：（1）{}{}01000100-300150C S --=-t t {}S t =2 {}C t +150{}C 1 t =（{}S 1 t -150）/2=25-℃；{}C 2 t =（{}S 2 t -150）/2=125℃；（2）1ºS=2℃=2K>1K1-11容器被分隔成AB 两室，如图1-17所示，已知当地大气压p b =0.1013MPa ，气压表②的读数为p e2=0.04MPa ，气压表①的读数p e1=0.294MPa ，求气压表③的读数（用MPa 表示）。
《工程热力学》第一章ppt
强度参数与广延参数 速度 （强） Velocity 高度 （强） Height 温度 （强） Temperature 应力 （强） Stress （广） 动能 Kinetic Energy 位能 （广） Potential Energy （广） 内能 Internal Energy 摩尔数 Mol （广）
20
2．状态的单值函数。 物理上—与过程无关； 数学上—其微量是全微分。
Ñx 0 d
1b 2
dx dx
1a 2
3．状态参数分类 广延量:与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S 强度量:与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T 又：广延量的比性质具有强度量特性，如比体积 V v m 工程热力学约定用小写字母表示单位质量参数。
t C TK 273.15
24
附：
华氏温标和朗肯温标
{T} °R={t} ℉ +459.67
华氏温标和摄氏温标
{t} ℃=5/9[{t} ℉-32]
{t} ℉ =9/5{t} ℃ +32
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五、压力(pressure)
绝对压力 p(absolute pressure) 表压力 pe（pg）(gauge pressure; manometer pressure) 真空度 pv(vacuum; vacuum pressure) 当地大气压pb(local atmospheric pressure)
系统随时接近于平衡态
p0
p
1.
.
.
p，T
v 2
40
准静态过程的工程条件
破坏平衡所需时间 （外部作用时间）
>>
工程热力学中文练习题
（6）封闭系统是指系统内的工质不发生宏观位移的那些系 统。
（7）闭口系统进行一个过程后，如果熵减少了，肯定是向 外界放出了热量。 1.11气体初态为 p1 0.5MPa ， V1 0.4m3 ，在压力为定值 的条件下膨胀到 V2 0.8m3，求气体膨胀所作的功。
1.12 1kg气体经历如下图所示的循环，A到B为直线变化过 程．B列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-B-C-A则净功量有何变化?
第二章 工质的性质
2.1填空题
（1） Tds dh vdp 适用于（）气体、（）系统的（） 过。
（2） Tds c dT v 过程。
pdv 适用于（）气体、（）系统的（）
2.2 不加任何水分是否可从不饱和空气得到饱和空气？为什么？
2.3 张三和李四都戴眼镜。在大冷的冬天，张三从室外进入暖 和的室内，而李四从暖和的室内到室外，问谁的眼镜更 容易更容易蒙上水雾？ 2.4 在有的冬季的清晨，清除汽车挡风玻璃上的冰雪是日常零 星杂务。试说明：即使夜晚没有下雨雪，为什么汽车挡 风玻璃上形成冰？ 2.5 你认为人体舒适最有关的是比湿度还是相对湿度 2.6 如何解释盘中的水在冬天和夏天会有不同的蒸发速率？
(7)气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热 使之蒸发； 解（1）可以是可逆过程．也可以是不可逆过程，取决于热 源温度与水温是否相等。若两者不等，则存在外部的传热 不可逆因素．便是不可逆过程。 （2）对刚性容器内的水作功，只可能是搅拌功，伴有摩 擦扰动，因而有内不可逆囚衰．是不可逆过程． （3）可以是可逆的．也可以是不可逆的．取决于热源湿 度与空气温度是否随时相等或随时保持天限小的温差． 其他几个小题请读者自行分析.
(1)q u w
工程热力学与传热学习题(英文版)：第一章 热力学基本概念
第一章 热力学基本概念英文习题1. Expressing temperature rise in different unitsDuring a heating process, the temperature of a system rises by 10℃. Express this rise in temperature in K, ℉ and R.2. Absolute pressure of a vacuum chamberA vacuum gage connected to a chamber reads 5.8 psi at location where the atmosphere pressure is 14.5 psi. Determine the absolutepressure in the chamber.3. Measuring pressure with a manometerA manometer is used to measure the pressure in a tank. The fluid used has a specific gravity of 0.85, and the manometer column height is 55 cm, as shown in Fig.1-1. If the local atmospheric pressure is 96kPa,determine the absolute pressure within the tank.4. Measuring pressure with a multi-fluid manometerThe water in a tank is pressurized by air, and the pressure is measured by a multi-fluid manometer as shown in Fig. 1-2. The tank is located on a mountain at an altitude of 1400 m where the atmospheric pressure is 85.6 kPa. Determine the air pressure in the tank if h 1=0.1 m, h 2=0.2 m, and h 3=0.35 m. Take the densities of water, oil, and mercury to be 1000 kg/m 3, 850 kg/m 3, and 13600 kg/m 3 respectively.5. Effect of piston weight on pressure in a cylinderThe piston of a vertical piston-cylinder device containing a gas has a mass of 60 kg and a cross-sectional area of 0.04 m 2, as shown in Fig.1-3. The local atmosphere pressure is 0.97 bar, and the gravitational acceleration is 9.81 m/s 2. (a) Determine the pressure inside the cylinder. (b) If some heat is transferred to the gas and its volume is doubled, do you expect the pressure inside thecylinder to change?6. Burning off lunch caloriesA 90-kg man had two hamburgers, a regular serving of French fries, and a 200-ml Coke for lunch. Determine how long it will take for him to burn the lunch calories off (a) by watching TV and (b) by fast swimming. What would your answers be for a 45-kg man?7. Burning of a candle in an insulated roomA candle is burning in a well-insulated room. Taking the room (the air plus the candle) as the system, determine (a) if there is any heat transferduringthisFIGURE 1-1FIGURE 1-2FIGURE 1-3FIGURE 1-4burning process and (b) if there is any change in the internal energy of the system.8. Boundary work during a constant-volume processA rigid tank contains air at 500 kPa and 150℃. As a result of heat transfer to the surroundings, the temperature and pressure inside the tank drop to 65℃and 400 kPa, respectively. Determine the boundary work done during the process.FIGURE 1-5FIGURE 1-69. Isothermal compression of an ideal gasA piston-cylinder device initially contains 0.4 m3 of air at 100 kPa and 80℃. The air is now compressed to 0.1 m3 in such a way that the temperature inside the cylinder remains constant. Determine the work done during this process.10. Heat transfer from a personConsider a person standing in a breezy room at 20℃. Determine the total rate of heat transfer from this person if the exposed surface area and the average outer surface temperature of the person are 1.6 m2and 29℃, respectively, and the convection heat transfer coefficient is 6 W/m2.℃ (Fig.1-7)FIGURE 1-7工程热力学与传热学第一章基本概念习题习题中文习题1.平衡状态与稳定状态有何区别？热力学中为什么要引入平衡状态的概念？2.表压力或真空度能否作为状态参数进行热力计算？若工质的压力不变，问测量其压力的压力表或真空计的读数是否可能变化？3.真空表指示数值越大，被测对象的实际压力愈大还是愈小？4.准平衡过程与可逆过程有何区别？5.不可逆过程是无法回到初态的过程，这种说法是否正确？6.没有盛满开水的热水瓶，其瓶塞有时被自动顶开，有时被自动吸紧，这是什么原理？7.用U形管压力表测定工质的压力时，压力表液柱直径的大小对读数有无影响？8.某容器被一刚性壁分为两部分，在容器不同部位装有3个压力表，如图示，压力表B的读数为1.75bar，压力表A的读数为1.10bar。
工程热力学第一章判断题
工程热力学第一章判断题第一章判断对错1.系统与外界可以交换。
2.外界就是环境介质。
3.边界必定是固定的或是有形的。
4.系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统。
5.绝热系统可以与外界交换功。
6.开口系可以是绝热系。
7.宏观状况不随时间变化的物系一定处在平衡状态。
8.不均匀系统可以处在平衡状态。
9.状态参数是宏观物理参数，意味着一个气体分子或几个分子不能用状态参数描述。
10.简单可压缩系统有两个独立的状态参数。
11.用常温的水放入冷库制冰，这个过程不是准静态过程。
12.不可逆过程就是指工质不能恢复原来状态的过程。
13.系统经可逆循环后系统各参数均回复到原来值，经不可逆循环后不能回复到原值。
14.循环净功愈大，循环的热效率就愈高。
15.热泵的供暖系数总是大于1不违反能量守衡定律。
16.在热工计算中压力应使用绝对压力。
17.在某地测得密封绝热的钢瓶中气体压力为=0.1MPa，运送到海拔相去甚远的另一地后发现测压表上的读数下降，就此可判定钢瓶在运输过程中发生了泄漏。
18.一杯热水的热量比一杯冷水的热量多。
19.平衡一定稳定，而稳定不一定平衡。
20.平衡一定是均匀的。
21.若容器中气体的压力没有改变，则压力表上的读数就一定不会改变。
22.经不可逆循环，系统和外界均无法完全恢复原态。
23.单元系统平衡态时各点的状态参数必定是均匀一致的。
可逆过程判断：⑴定质量的空气在无摩擦、不导热的气缸和活塞中被慢慢压缩(可逆)⑵100o C的蒸汽流与25o C的水流绝热混合(不可逆)⑶在水冷摩托发动机气缸中的热燃气随活塞迅速移动而膨胀(不可逆)⑷气缸中充有水，水上面有无摩擦的活塞，缓慢地对水加热使蒸发(可逆或不可逆)⑸对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发(可逆或不可逆)⑹对刚性容器内的水作功，使其在恒温下蒸发(不可逆)⑺对刚性容器中的空气缓慢加热，使其从50o C升温到100o C (可逆或不可逆)。
工程热力学第一章基本概念作业
第一章 基本概念 1-1直径为 1m 的球形刚性容器，抽气后真空度为 752.5mmHg，若当地大气为0.101MPa ，求
（1）容器内绝对压力为多少 Pa；（2）容器表面受力多少牛顿？ 解：（1） p = pb = pv = 0.101×106Pa =752.5mmHg×133.3Pa/mmHg = 691.75Pa （2）A0=4πd2=4×3.1416×1m2=12.57m2 F=A0Δp=A0(pb–p)=12.57 m2×(0.101×106Pa–691.75Pa)=1.261×106N 1-2 用∪型压力计测量容器中气体的压力，在水银柱上加一段水，则得水柱高 1020mm，水银柱高 900mm，如图 1-1 所示，若当地大气压为 755mmHg，求容器中气体的压力为多少 MPa？
解：p = pe + pb = (1020mmH2O×9.81Pa/mmH2O+900mmHg×133.3Pa/mmHg) +755mmHg×133.3Pa/mmHg = 2.306×105Pa = 0.231MPa
图1-1 图1-2 1-3用斜管压力计测量锅炉烟道烟气的真空度如图 1-2,管子的倾斜角α=30°压力计中使用密度ρ = 0.8×103kg/m3 的煤油，斜管中液柱长度 l=200mm。当地大气压力 pv = 745mmHg 。求烟气的真空度（以 mmH2O 表示）及绝对压力（以 Pa 表示）。
解 ：倾斜式压力计上读数即烟气的真空度 pv = lsinαρg = 200×10-3m×0.5×0.8×103kg/m3 ×9.81m/s2 = 80×9.81Pa 而1Pa =1/9.81mmH2O pv = 80mmH2O 1mmHg =13.595mmH2O 烟气的绝对压力 p = pb- pv = 745mmHg×13.595mmH2O/mmHg =80mmH2O =10048.3mmH2O = 0.9857×105Pa 1-4 容器被分隔成 AB 两室，如图 1-3 所示，已知当场大气压 pb = 0.1013MPa ，气压表 2读为 peB2 = 0.04MPa ，气压表 1 的读数 peA1 = 0.294MPa ，求气压表 3 的读数（用 MPa 表示）。