1. 热量和热力学能有什么区别？有什么联系？
答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。二者的联系可由热力学第一定律表达式
d d q u p v δ=+ 看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。
2. 如果将能量方程写为 d d q u p v δ=+
或
d d q h v p δ=-
那么它们的适用围如何？
答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的部平衡过程。因为 u
h pv =-，
()du d h pv dh pdv vdp =-=-- 对闭口系将 du 代入第一式得 q dh pdv vdp pdv δ=--+ 即 q dh vdp δ=-。
3. 能量方程变大） 与焓的微分式变大） 很相像，为什么热量 q 不是状态参数，而焓 h 是状态参数？
答：尽管能量方程 q
du pdv δ=+ 与焓的微分式变大）似乎相象，但两者的数学本
质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。对焓的微分式来说，其循环积分：()dh du d pv =+???蜒?
因为
0du =??，()0d pv =??
所以
0dh =??，
因此焓是状态参数。
而对于能量方程来说，其循环积分：
q du pdv δ=+???蜒?
虽然： 0du =?? 但是： 0pdv ≠?? 所以： 0q δ≠?? 因此热量q 不是状态参数。
4. 用隔板将绝热刚性容器分成A 、B 两部分（图2-13），A 部分装有1 kg 气体，B 部分为高度真空。将隔板抽去后，气体热力学能是否会发生变化？能不能用 d d q u p v δ=+ 来分析这一过程？
答：这是一个有摩擦的自由膨胀过程，相应的第一定律表达式为q du dw δ=+。又因为容器为绝热、刚性，所以0q δ=，0w δ=，因而0du =，即21u u =，所以气体的热力学能在在膨
胀前后没有变化。
如果用 q du pdv δ=+ 来分析这一过程，因为0q δ=，必
有du pdv =-，又因为是膨胀过程0dv >，所以0du <，即
21u u <这与前面的分析得出的21u u =矛盾，得出这一错误结论的原因是自由膨胀是自由膨胀是一个非平衡过程，不能采用q du pdv δ=+这个式子来进行分析，否则将要得到错误的结论。
5. 说明下列论断是否正确：
(1) 气体吸热后一定膨胀，热力学能一定增加； (2) 气体膨胀时一定对外作功； (3) 气体压缩时一定消耗外功。
答：(1)不正确：由q du pdv δ=+可知，当气体吸热全部变成对外作出的膨胀功时，热力学能就不增加，即当q
pdv δ=时，0du =；又当气体吸热全部用来增加其热力学能时，即当q du δ=时，气体也
不膨胀，因为此时，0pdv =，而0P >，所以0dv =。
(2)不正确：上题4就是气体膨胀而不对外做功的实例。
(3)正确：无摩擦时 w
pdv δ=，0P >，压缩时0dv <，故0w δ<消耗外功；有摩擦时，
w pdv δ<，0P >，压缩时0dv <，故0w δ=消耗更多的外功。所以无论有无摩擦，也不论是否吸
热或放热，气体压缩时一定消耗外功的。
2-3 气体在某一过程中吸入热量 12 kJ ，同时热力学能增加 20 kJ 。问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外所作的功是多少（不考虑摩擦）？
[解] ： 由闭口系能量方程： Q U W =?+ 又不考虑摩擦，故有 21Q U Pdv =?+?
所以 2112208Pdv Q U kW =-?=-=-? 因为 0P > 所以 0dV <
因此，这一过程是压缩过程，外界需消耗功8 kW 。
2-4 有一闭口系，从状态1经过a 变化到状态2（图2-14）；又从状态2经过b 回到状态1；再从状态1经过c 变化到状态2。在这三个过程中，热量和功的某些值已知（如下表中所列数值），某些值未知（表中空白）。试确定这些未知值。
图
2-13
[解] ： 关键在于确定过程 1－2的热力学能变化，再根据热力学能变化的绝对值不随过程而变，对三个过程而言是相同的，所不同的只是符号有正、负之差，进而则逐过程所缺值可求。 根据闭口系能量方程的积分形式：
Q U W =?+
2—b —1： 7(4)3U Q W kJ ?=-=---=- 1—a —2： 1037W Q U kJ =-?=-=
1—c —2： 3811Q U W kJ =?+=+= 将所得各值填入上表空中即可
※ 此题可以看出几点：
图 2－14
1、 不同热力过程，闭口系的热量 Q 和功 W 是不同的，说明热量与功是与过程有关的物理量。
2、 热力学能是不随过程变化的，只与热力状态有关。
2-7 已知汽轮机中蒸汽的流量q m =40 t/h ；汽轮机进口蒸汽焓 h 1= 3 442 kJ/kg ；出口蒸汽焓h 2=2 448 kJ/kg ，试计算汽轮机的功率（不考虑汽轮机的散热以及进、出口气流的动能差和位能差）。
如果考虑到汽轮机每小时散失热量 0.5?106 kJ ，进口流速为 70 m/s ，出口流速为 120 m/s ，进口比出口高 1.6 m ，那么汽轮机的功率又是多少？ [解] ：
1）不考虑汽轮机散热以及进出口气流的动能差和位能差时，如右下图 因为 0q =, 2/20C ?=, 0zg ?=
根据开口系稳定流动的能量方程，(2-11)式，汽轮机对外作的功等于蒸汽经过汽轮机后的焓降：
1234422448994/sh W h h h kJ kg =-?=-=-= 汽轮机功率 39944010/360011044.44sh P W m kW ?
=?=??=
2）考虑汽轮机散热以及进出口气流的动能和位能差时， 每kg 蒸汽的散热量 5
3
51012.5/4010Q q kJ kg m
?
??===?散
根据(2-11)式有： 2
2
sh C q h zg W ?-=?++?+
蒸汽作功 2
21221121()()2
sh W h h q C C z z g =------
223334422448(12070)/(210) 1.69.81/1012.5976.76/sh W kJ kg =---?+?-=
功率 3976.764010/360010852.95sh P W m kW ?
=?=??=
各种损失及所占比例：
汽轮机散热损失： 12.5/kJ kg 占 12.5/994 1.26%= 蒸汽的进出动能差：
22
3
1(12070)
4.75/210kJ kg -=? 占 4.75/9940.48%=
W sh =?
P=?
1mh
&&散
T W sh =?P=?
y
蒸汽的进出位能差： 31.69.81/100.0156/kJ kg ?= 占 0.0156/9940.002%=
三项合计 17.2656/kJ kg 占1.74%不超过百分之二，一般计算不考虑这三个因素也是足够精确的。
※ 此题的目的练习使用开口系稳定流动的能量方程及其在汽轮机功率计算中的应用和汽轮机有关损失的大致的数量级。
2-9 有一热机循环，在吸热过程中工质从外界获得热量 1 800 J ，在放热过程中向外界放出热量 1 080 J ，在压缩过程中外界消耗功 700 J 。试求膨胀过程中工质对外界所作的功。
[解] ： 根据能量平衡 in E E =∑∑out
故有 Q 吸+W t ，压缩=Q 放+W t ，膨胀
所以 W t ，膨胀=Q 吸+W t ，压缩―Q 放 =1800+700-1080=1420J
1. 理想气体的热力学能和焓只和温度有关，而和压力及比体积无关。但是根据给定的压力和比体积又可以确定热力学能和焓。其间有无矛盾？如何解释？
答：其间没有矛盾，因为对理想气体来说，由其状态方程PV=RT 可知，如果给定了压力和比容也就给定了温度，因此就可以确定热力学能和焓了。
2. 迈耶公式对变比热容理想气体是否适用？对实际气体是否适用？
答：迈耶公式p0v0c c R -=是在理想气体基础上推导出来的，因此不管比热是否变化，只要是理想气体就适用，而对实际气体则是不适用的。
3. 在压容图中，不同定温线的相对位置如何？在温熵图中，不同定容线和不同定压线的相对位置如何？ 答：对理想气体来说，其状态方程为：PV=RT ，所以，T 愈高，PV 值愈大，定温线离P-V 图的原点愈远。如图a 中所示，T 2>T 1。实际气体定温线的相对位置也大致是这样
由定比热理想气体温度与熵的关系式
2
ln exp
p S R P C T c
++= 可知，当S 一定时（C 2、R 、C p0都是常数）压力愈高，T 也愈高，所以在T-S 图中高压的定压线位于低压的定压线上，如图b 所示，P 2>P 1实际气体的定压线也类似的相对位置。
由定比热理想气体温度与熵的关系式
1
0ln exp
v S R V C T c -+= 可知，当S 一定时（C 1、R 、C v0都是常数）比容愈大，温度愈低，所以在T-S 图比容的定容线位于小比容的定容线下方，如图c 所示，v 2 4. 在温熵图中，如何将理想气体在任意两状态间热力学能的变化和焓的变化表示出来？ b T a P c T 答：对理想气体，任意两状态间能变化21201v v u C dT q -?==?，所以在温熵图中可用同样温度变化围定容过程所吸收的热量表示出来。 如同d ，定容线12’下的面积1342’1即表示1、2在状态间的热力学能变化12u -? 对理想气体来说，任意状态间的焓的变化21201p p h C dT q -?==?，所以可用同样温度变化围定压过程所吸收的热量来表示。 如图e ，定压线12’下的面积1342’1即表示1、2在状态间的焓的变化12h -? 5. 定压过程和不作技术功的过程有何区别和联系？ 答：定压过程和不作技术功的过程两者区别在于： 1）定压过程是以热力系在过程中的部特征（压力不变）来定义热力过程的，不作技术功的过程则是从热力系整体与外界之间没有技术功的传递来定义热力过程的。 2）如果存在摩擦，则t l vdp w w δδ-=+，对定压过程0dp =时, 0t l w w δδ=-<，因此要消耗技术功，所消耗的技术功转变为摩擦热，对不作技术功的过程，0t w δ=，0l vdp w δ-=>，由于v>0，所以dp<0，一定伴随有压降。正如流体在各种管道中的有摩流动，虽无技术功的输出，却有压力的损失（无功有摩压必降）。 3）两个过程热量与焓的关系不同。定压过程只有在无摩擦的情况下，其热量才等于焓的变化，因为21p tp q h h W =-+，当无摩擦时，tp W vdp =-?，又定压时，0dp =,0tp W =，所以有p q h =?。而不作技术功的过程，不管有无摩擦，其热量却总等于焓的变化，由热力学第一定律的能量方程，t q dh W δδ=+可知当 0t W δ=时q dh δ=即q h =?。 定压过程与不作技术功的过程的联系在于当无摩擦时，二者就是完全一致的，即定压无摩擦的过程必定不作技术功，不做技术功的无摩擦过程是定压的，即210tp W VdP =-=? 6. 定熵过程和绝热过程有何区别和联系？ 答：定熵过程与绝热过程两者区别在于： 1）定熵过程是以热力系在过程中部特征（熵不变）来定义热力过程的，绝热过程则是从热力系整体与外界之间没有热量交换来定义热力过程的。 2）如果存在摩擦0l g Tds du Pdv du w w q q q δδδδδ=+=++=+>=即0Tds >而0T >则0dS >所以对绝热过程必有熵增。正如流体（蒸汽或燃气）在汽轮机和燃气轮机流过时，虽然均可以看成是绝热的，但由于摩擦存在，所以总伴随着有熵增。对定熵过程来说，0dS =，熵是不变的。 3）如果没有摩擦，二者是一致的即等熵必绝热无摩，而绝热无摩必等熵，这便是二者的联系，若无摩擦q du Pdv Tds δ=+=，再绝热0q δ=，那么0Tds =，而0T >，所以0dS =；若定熵0ds =，必无摩又绝热 0g q q q Tds δδδ+===。 7. 答：第一个公式适用于任意工质的不作技术功的过程和无摩擦的定压过程； e T T 1T 2 T d 第二个公式适用于任意工质的绝热过程； 第三个公式适用于定比热理想气体的定熵膨胀过程。 8. 举例说明比体积和压力同时增大或同时减小的过程是否可能。如果可能，它们作功（包括膨胀功和技术功，不考虑摩擦）和吸热的情况如何？如果它们是多变过程，那么多变指数在什么围？在压容图和温熵图中位于什么区域？ 答：图f 、g 所示的就是比容和压力同时增大或减小的过程，如果不考虑摩擦，部又是平衡的话，则所作功及吸热情况如图h 、i 所示。 21t W VdP =-? 膨胀功： 21W PdV =? 热量： 技术功： 2 1q Tds = ? 这些过程是多变指数0η-∞<<（中间符号是n ）围的多变过程，在P-S 图及T-S 图中所处区域如图j 、k 阴影部分所示 9. 用气管向自行车轮胎打气时，气管发热，轮胎也发热，它们发热的原因各是什么？ 答：用气管向自行车轮胎打气需要外界作功，管空气被压缩，压力升高，温度也升高，所以金属气管发热；空气经过气管出气嘴和轮胎气门芯时都有节流效应，这也会使空气的温度进一步升高，这些温度较高的空气进入轮胎后导致轮胎也发热了。 3-2 容积为 2.5 m 3的压缩空气储气罐，原来压力表读数为 0.05 MPa ，温度为 18 ℃。充气后压力表读数升为 0.42 MPa ，温度升为 40 ℃。当时大气压力为 0.1 MPa 。求充进空气的质量。 [解]：在给定的条件下，空气可按理想气体处理，关键在于求出充气前后的容积，而这个容积条件已给出，故有 2121212121215 210273.15273.15189.9734g g P V PV P P V m m m RT RT R T T B P B P V R t kg ?? ?=-=-=- ? ?? ?++?????= -??? ? ?++?? ??????= 3-5 50 kg 废气和 75 kg 空气混合。已知： 废气的质量分数为 T 图 i P 图 j T 图 k P 图 h 空气的质量分数为w O2=232% .，w N 2 =768% . 求混合气体的：(1) 质量分数；(2) 平均摩尔质量；(3) 气体常数。 [解]：(1) 混合气体的质量成分可由(3-11)式求得： 22 2 () ()0.14507 0.056 5075125 CO CO mix CO i gm g m g m m m ?? ===== ++ ∑ 气 气空气 2 2 () 0.0650+0.23275 0.1632 125 O i i mix O i g m g m ??? === ∑ 2 2 () 0.0550 0.02 125 H O mix H O i g m g m ?? === ∑ 气 2 2 () 0.7550+0.76875 0.7608 125 N i i mix N i g m g m ??? === ∑ (2) 混合气体的平均分子量可由(3-20)式求得 11 28.8697 /0.056/44.0110.1632/32.000.02/18.0160.7608/28.016 mix i i M g M === +++ ∑ (3)混合气体的气体常数可由(3-21)式求得： 8314.41 287.0037/() 28.8697 M mix mix R R J kg K M ===? 3-8 某轮船从气温为 -20 ℃的港口领来一个容积为 40 L的氧气瓶。当时压力表指示出压力为 15 MPa。该氧气瓶放于储藏舱长期未使用，检查时氧气瓶压力表读数为 15.1 MPa，储藏室当时温度为 17 ℃。问该氧气瓶是否漏气？如果漏气，漏出了多少（按理想气体计算，并认为大气压力p b≈0.1 MPa）？ [解]：333 404010400000.04 V l cm m ==?== 2 26.5/() O R Kgf kg K =? ()() 44 1212 12 1212 150110154110 0.04 26.520273.1517273.15 0.9400 PV PV P P V m m m RT RT R T T kg ?? +?+? ?? ?=-=-=-=- ?? ? -+-+ ?? ???? = 3-9 在锅炉装置的空气预热器中（图3-19），由烟气加热空气。已知烟气流量q m= 1 000 kg/h；空气流量'q m= 950 kg/h。烟气温度t1=300 ℃，t2=150 ℃，烟气成分为w CO2 =1580% .，w O 2 =575% .，w H O 2 =62% .， w N2 =7225% .。空气初温't1=30 ℃，空气预热器的散热损失为 5 400 kJ/h。求预热器出口空气温度（利用气体平均比热容表）。 [解]：根据能量平衡，烟气放出的热量应该等于空气所吸收的热量和预热器散失热量之和即： Q Q Q ??? =+放空吸散 1） 烟气放出热量 由热力学第一定律可知烟气放出热量等于烟气经过预热器后的焓降： ( ) ()] 2 120 2 1 1 2 021002 01 1()()10000.1580.9493000.8881500.0575(0.9503000.929150)0.062(1.919300 1.8835150)0.7225(1.049300 1.0415150)164987i p t t i p i p i p Q H mg c t t m g c t t m g c t g c t kJ =?=-∑?=-=-∑∑∑?=???-?+??-???+??-?+??-?=&&&&放 /h 2） 空气吸收的热量 '1649875400159587/Q Q Q kJ h =-=-=&&&空吸 放 散 3）空气出口温度' 2t 由热力学第一定律可知，空气吸收的热量等于空气经过预热器后的焓升： ''21'''''002001(||) t t p p Q H m c t c t =?=-&&空吸 所以 '''122''''20010000 (/|)/|(159587/950 1.00530)/|t t t p p p t Q m c t c c =+=+?&&空吸 经多次试凑计算得 '02196t C = 3-10 空气从 300 K 定压加热到 900 K 。试按理想气体计算每千克空气吸收的热量及熵的变化： (1) 按定比热容计算； (2) 利用比定压热容经验公式计算； (3) 利用热力性质表计算。 [解] ：(1) 21021() 1.005(900300)603/p p q h h h c T T kJ kg =?=-=-=?-= 201900ln 1005ln 1.1041/()300 p T S c kJ kg K T ?==?=? (2) 2 122334432120 0212121211223344ln ()()()()234 0.067910.16580.06788 0.9705(900300)(900300)(900300)(900300)234 582.324.447638.797210.9966634.55/() T p p T a T a a q c a T T T T T T T T T kJ kg K ==-+-+-+-?=?-+-+---=++-=? 21 022 333220121212113226933ln ()()()239000.1658 0.9755ln 0.06791(900300)10(900300)103002 0.06788 10(900300)3 1.066200.040760.596880.01588391.1508/() p T T c a T a S dT a a T T T T T T T T kJ kg K ---?==+-+-+-?=?+?-?+?-?- ??-=++-=? (3) 由1300T K =，查附表5得： 1300.19/h kJ kg =， 0 1 1.70203/()T S kJ kg K =? 2900T K =，查附表5得： 2932.93/h kJ kg =， 02 2.84856/()T S kJ kg K =? 所以 21932.93300.19632.74/p q h h h kJ kg =?=-=-= 2 200 1 12100 2211 ln 2.84856 1.70203 1.14653/() p p T T T T T T c c P S S S dT R dT S S T P T kJ kg K ?=-=-==-??=-=? ※在以上三种计算方法中，第二种方法按热力性质表计算较准确，但即便用最简单的定比热方法计算与 之相差也很小5%P q ?<，()4%S ??<，但都超过5%，一般也是满足工程计算精度要求的。 3-11 空气在气缸中由初状态T 1=300 K 、p 1=0.15 MPa 进行如下过程： (1) 定压吸热膨胀，温度升高到480 K ； (2) 先定温膨胀，然后再在定容下使压力增到 0.15 MPa ，温度升高到 480 K 。 试将上述两种过程画在压容图和温熵图中；利用空气的热力性质表计算这两种过程中的膨胀功、热量，以及热力学能和熵的变化，并对计算结果略加讨论。 [解] ： (1)、(2)要求的两个过程在P-V 图和T-S 图中表示如图a 、b 所示。 (1) 空气按理想气体处理，查附表5得： 1300T K =时，1300.19/h kJ kg =，1214.07/u kJ kg =，01 1.70203/()T S kJ kg K =? 1480T K =时，2482.4/h kJ kg =，2344.70/u kJ kg =，02 2.17760/()T S kJ kg K =? 所以 对12→定压吸热膨胀过程有 221211()()0.2871(480300)51.678/p W PdV P V V R T T kJ kg ==-=-=?-=? 21482.49300.19182.30/p q h h h kJ kg =?=-=-= 21344.70214.07130.63/p u u u kJ kg ?=-=-= 21 2100 00 21 ln 2.17760 1.702030.4756/()p T T T T P s s s R s s kJ kg K P ?=--=-=-=? (2) 对1→1′ →2即先定温膨胀，然后再定容压缩过程有 对 1→1′ 定温膨胀过程： '1211 ln ln T T V V W q RT RT V V === 3222287.1480 0.91872/0.15106RT V m kg P ?===? 3111 287.19000.5742/0.15106RT V m kg P ?= ==? 所以 0.91872 0.2871300ln 40.48/0.5742 T W kJ kg =??= 0T u ?= '1 1 '001 112 ''1111ln ln ln ln 0.91872 0.2871ln()0.13494/() 0.5742 T T T P P V V s s s R R R R P P V V kJ kg K ?=--====?=? 对 1′→2定容压缩过程： Wv = 0 21344.70914.07130.63/v q u u u kJ kg =?=-=-= 图 a 图 b 因为 1′→2 是定容过程，所以' 11 22T P P T = 因而 21 00 2'10.15 ln 2.17760 1.702030.2871ln 3000.15400 0.34063/() v T T P s s s R P kJ kg K ?=--=--??=? 或 21 21 '2 1 00 001 2'11 0ln ln 2.17760 1.702030.134940.34063/()v T T T T T T T P V s s s R s s R V P s s s kJ kg K ?=--=--=--?=--=? 所以对整个1→1′→2过程来说有： ,40.4851.67592.158/T v T v W W W kJ kg =+=+=（第二项是0，结果：40。48） ,40.48130.63171.11/T v T v q q q kJ kg =+=+= ,0130.63130.63/T v T v u u u kJ kg ?=?+?=+= ,0.134940.340630.4756/()T v T v s s s kJ kg K ?=?+?=+=? 现将(1)、(2)计算结果列表如下： 讨论： 1、(1)、(2)两个过程的状态参数的变化量是相等的：如u ?、s ?与具体过程无关，而只与始终两状态有关，进一步表明状态参数的特性。 2、(1)、(2)两个过程的传热量q 和作功量W 是不同的，说明q 、W 与具体过程有关：定压过程的吸热量和作功量都比先定温后定容过程要多。 3-12 空气从T 1 = 300 K 、p 1 = 0.1 MPa 压缩到p 2 = 0.6 MPa 。试计算过程的膨胀功（压缩功）、技术功和热量，设过程是(1) 定温的、(2) 定熵的、(3) 多变的（n =1.25）。按定比热容理想气体计算，不考虑摩擦。 [解] ：依题意计算过程如下： (1)定温过程计算 21 0.1 ln 28.71300ln 0.6154.324/T tT T P W W q RT P kJ kg ====??=- (2)定熵过程计算 001 1.411.42101110.610.287130011 1.410.1143.978/k k s P W RT k P kJ kg --????????????=-=???- ? ?????--???????????? =- 0 1.4(143.930)201.513/ts s W k W kJ kg ==?-=- 0s q = (3)多变过程计算 1.25η= （ 相关处都换成 n ） 1 1.2511.25211110.610.287130011 1.2510.1148.477/P W RT P kJ kg ηηηη--????????????=-=???- ? ?????--???????????? =- 0 1.25(148.477)185.596/t W k W kJ kg ηη==?-=- 1 0000 221111.251 1.25()11 1.250.718 1.0050.63003001.2510.155.595/v p v p c c c c P q T T T T P kJ kg ηηηηηηη--?? --????= -= - ???--?????? ?? ?-????=??- ???-?? ???? =- 现将计算结果列表如下： W t W q T -154.324 -154.324 -154.324 S -143.138 -201.513 0 η -148.477 -185.596 -55.595 ※从以上结果可见，定温压缩耗功最小，因为在定温压缩过程中，产生的热量及时散出去了，在相同压力下比容较小，所以消耗的技术功较少；对定熵压缩来说，由于是绝热的，压缩产生的热量散不出去，使得工质的温度升高，在相同压力下比容较大，所以消耗的技术功较多。在实际压缩过程中，定温压缩做不到，而等熵压缩又耗功较多，因此多采用多变压缩过程，此时工质在压缩过程中的温度既不像定温压缩那样不升高，也不像定熵压缩那样升高太多，而是工质温度升高又同时向外散热，压气机散出热量和消耗的功都介于二者之间。此三个不同的压缩过程在 P-V 图及 T-S 图中的表示如下。 耗功 | W tT | < | W tn | < | 耗功 | q T | > | q n | > | q s | W ts | 3-13 空气在膨胀机中由T 1=300 K 、p 1=0.25 MPa 绝热膨胀到p 2=0.1 MPa 。流量q m =5 kg/s 。试利用空气热力性质表计算膨胀终了时空气的温度和膨胀机的功率： (1) 不考虑摩擦损失 (2) 考虑部摩擦损失 已知膨胀机的相对效率 ηri T T t t,= ==w w w w s 实际理论 85% [解]：(1) 不考虑摩擦损失，又是绝热膨胀，故属于等熵膨胀过程， 故由 1300T K =，查附表5得 1300.19/h kJ kg =，1 1.3860r P = 因为 2211 0.11.39600.55440.25r r P P P P =? =?= 由 20.5544r P = 在附表5中插值求出 2s T 220.54440.5477 23010230.760.63550.5477 s T K T -=+ ?==- 再由 2230.76s T K = 查附表5得 2230.78/s h kJ kg = 所以 12300.19230.7869.41/ts s W h h kJ kg =-=-= 因而 69.415347.05s ts P W m kW =?=?=& (2) 当 0.85t ri ts W W η==&，考虑摩擦损失有： 0.8569.4159.00/t ri ts W W kJ kg η=?=?= 59.55295t P W m kW =?=?=& 所以 12t W h h =- 则 21300.1959241.19/t h h W kJ kg =-=-= 再由 h 2 反查附表5，得 2241.19T K = 3-16 压缩空气的压力为 1.2 MPa ，温度为 380 K 。由于输送管道的阻力和散热，流至节流阀门前压力降为 1 MPa 、温度降为 300 K 。经节流后压力进一步降到 0.7 MPa 。试求每千克压缩空气由输送管道散到大气中的热量，以及空气流出节流阀时的温度和节流过程的熵增（按定比热容理想气体进行计算）。 [解]：管道流动是不作技术功的过程，根据能量方程则有： q ＝ ΔH = CP0 (T2 – T1) ＝ 1.005（300－380） ＝－80.4kJ/kg 理想气体节流后温度不变，则 T3 = T2 = 300 K 节流熵增： ΔS = - Rln 32p p = 0.2871ln 1.00.7 = 0.1024 kJ/kg ?K 3-17 温度为 500 K 、流量为 3 kg/s 的烟气（成分如习题3-9中所给）与温度为300 K 流量为1.8 kg/s 的空气（成 [解]：先求空气的相对质量成分 222 2222320.21 0.233320.2128.0160.79 O O O O O N N M r g M r M r ?===+?+? 22110.2330.767N O g g =-=-=， 查出 2,0.917p O C =，2, 1.039p N C =，2, 1.863p H O C =， 再求混合后温度 00i p i i i p i m c T T m c = ∑∑ ()()35000.1580.8440.7225 1.0390.05720.9170.062 1.86330.1580.8440.7225 1.0390.05720.9170.062 1.863??+?+?+?= ??+?+?+? () () 1.83000.2330.9170.767 1.0393500 1.052218300 1.0106 1.80.2330.9170.767 1.0393 1.05220.8 1.0106 +??+???+??= ??+??+? 32.12410426.88 K =153.734.976 ?==℃ 3-18 某氧气瓶的容积为50 L 。原来瓶中氧气压力为 0.8 MPa 、温度为环境温度 293 K 。将它与温度为 300 K 的高压氧气管道接通，并使瓶压力迅速充至 3 MPa （与外界的热交换可以忽略）。试求充进瓶的氧气质量。 [解]：快速充气过程： 10.8 MPa p =，1293 K T =，0300 K T = 2 3 MPa p =，0 1.396κ= 充气后温度2T ： ()()62001266211100310 1.396300293 30.8102930.810 1.396300 p T T T p p T p T κκ????== -+-??+??? 376 K = 充入质量： 36 212121501030.810259.8376293p p V m m m R T T -??????=-=-=-? ? ??? ?? 1.010 kg = 3-19 同习题3-18。如果充气过程缓慢，瓶气体温度基本上一直保持为环境温度 293 K 。试求压力同样充到 3 MPa 时充进瓶的氧气质量以及充气过程中向外界放出的热量。 [解]：等温充气： 21293 K T T ==，0300 K T = ()()36 21211 501030.810 1.445 kg 259.8293 p p V m m m RT --??-??=-= = =? ()()()()631002110293 1.39630030.810501012931.3961T T Q p p V T κκ---???=-=?-???? ?-- 119.3 kJ =- 各位同学：以下为《工程热力学B》复习题，如有问题，请到办公室答疑。第一章基本概念 1.如果容器中气体压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变。（错） 2.压力表读值发生变化,说明工质的热力状态也发生了变化。( 错 ) 3.由于准静态过程都是微小偏离平衡态的过程，故从本质上说属于可逆过程。（错） 4.可逆过程一定是准静态过程,而准静态过程不一定是可逆过程。( 对 ) 5. 比体积v是广延状态参数。( 对 ) 6. 孤立系的热力状态不能发生变化。（错） 7. 用压力表可以直接读出绝对压力值。（错） 8. 处于平衡状态的热力系，各处应具有均匀一致的温度和压力。（错） 9. 热力系统的边界可以是固定的，也可以是移动的；可以是实际存在的，也可以是假想的。（对） 10. 可逆过程是不存在任何能量损耗的理想过程。（对） 11.经历了一个不可逆过程后，工质就再也不能回复到原来的初始状态了。（错） 12. 物质的温度越高，则所具有的热量越多。（错） 1.能源按其有无加工、转换可分为一次能源和二次能源。 2.在火力发电厂蒸汽动力装置中，把实现热能和机械能能相互转化的工作物 质就叫做工质。 3.按系统与外界进行物质交换的情况，热力系统可分为开口系和闭口系两大类。 4.决定简单可压缩系统状态的独立状态参数的数目只需 2 个。 5.只有平衡状态才能用参数坐标图上的点表示，只有可逆过程才能用参数坐标图 上的连续实线表示。 6. 绝热系是与外界无 热量 交换的热力系。 7. 孤立系是指系统与外界既无 能量 交换也无 质量 交换的热力系。 8. 测得容器的表压力75g p KPa =，大气压力MPa p b 098.0=，容器内的绝对压力 173 kPa 。 6.热力系在不受外界影响的条件下，系统的状态能够始终保持不变，这种状态称为(平衡状态) 无关。 8.理想气体闭口系统经历一定温过程，吸热量为100J ，则它的热力学能变化量为 0 J 。 1.准静态过程满足下列哪一个条件时为可逆过程 C 。 A 做功无压差； B 传热无温差； C 移动无摩擦； D 上述任一个都可。 2.下列说法中正确的是：1 （1）可逆过程一定是准平衡过程 （2）准平衡过程一定是可逆过程 （3）有摩擦的热力过程不可能是准平衡过程 3. 测量容器中气体压力的压力表读数发生变化一定是因为：4 1）有气体泄露 （2）气体的热力状态发生变化 （3）大气压力发生变化 （4）以上均有可能 第二章 热力学第一定律 1.气体吸热后一定膨胀，热力学能一定增加； （ 错 ） 2.气体膨胀时一定对外作功； （ 错 ） 3.对工质加热，其温度反而降低是不可能的。 ( 错 ) 4.热力学第一定律适用于任意的热力过程，不管过程是否可逆（ 对 ）。 工程热力学(第五版_)课后 习题答案 本页仅作为文档页封面，使用时可以删除 This document is for reference only-rar21year.March 2-2.已知2N 的M ＝28，求（1）2N 的气体常数；（2）标准状态下2N 的比容和密度；（3）MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩尔容积Mv 。 解：（1）2N 的气体常数 28 83140==M R R ＝)/(K kg J ? （2）标准状态下2N 的比容和密度 1013252739.296?==p RT v ＝kg m /3 v 1= ρ＝3/m kg （3）MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩尔容积Mv Mv ＝p T R 0＝kmol m /3 2-3．把CO 2压送到容积3m 3的储气罐里，起始表压力301=g p kPa ，终了表压力3.02=g p Mpa ，温度由t1＝45℃增加到t2＝70℃。试求被压入的CO 2的质量。当地大气压B ＝ kPa 。 解：热力系：储气罐。 应用理想气体状态方程。 压送前储气罐中CO 2的质量 1 111RT v p m = 压送后储气罐中CO 2的质量 2222RT v p m = 根据题意 容积体积不变；R ＝ B p p g +=11 （1） B p p g +=22 （2） 27311+=t T （3） 27322+=t T （4） 压入的CO 2的质量 )1122(21T p T p R v m m m -= -= （5） 将（1）、(2)、(3)、(4)代入（5）式得 m= 2-5当外界为标准状态时，一鼓风机每小时可送300 m 3的空气，如外界的温度增高到27℃，大气压降低到，而鼓风机每小时的送风量仍为300 m 3，问鼓风机送风量的质量改变多少 解：同上题 1000)273 325.1013003.99(287300)1122(21?-=-= -=T p T p R v m m m ＝ 2-6 空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15℃、压力为的空气3 m 3，充入容积 m 3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 288 2875.810722225???==RT v p m kg 压缩机每分钟充入空气量 288 28731015???==RT pv m kg 所需时间 ==m m t 2 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一定量的空气压缩为的空气；或者说、 m 3的空气在下占体积为多少的问题。 根据等温状态方程 const pv = 、 m 3的空气在下占体积为 5.591 .05.87.01221=?==P V p V m 3 压缩机每分钟可以压缩的空气3 m 3，则要压缩 m 3的空气需要的时间 == 3 5.59τ 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℃ 例1:如图，已知大气压p b=101325Pa ，U 型管内 汞柱高度差H =300mm ，气体表B 读数为0.2543MPa ，求：A 室压力p A 及气压表A 的读数p e,A 。 解： 强调： P b 是测压仪表所在环境压力 例2:有一橡皮气球，当其内部压力为0.1MPa （和大气压相同）时是自由状态，其容积为0.3m 3。当气球受太阳照射而气体受热时，其容积膨胀一倍而压力上升到0.15MPa 。设气球压力的增加和容积的增加成正比。试求： （1）该膨胀过程的p~f （v ）关系； （2）该过程中气体作的功； （3）用于克服橡皮球弹力所作的功。 解：气球受太阳照射而升温比较缓慢，可假定其 ，所以关键在于求出p~f （v ） (2) （3） 例3：如图，气缸内充以空气，活塞及负载195kg ，缸壁充分导热，取走100kg 负载，待平 衡后，不计摩擦时，求：（1）活塞上升的高度 ;（2）气体在过程中作的功和换热量，已 知 解：取缸内气体为热力系—闭口系 分析：非准静态，过程不可逆，用第一定律解析式。 计算状态1及2的参数： 过程中质量m 不变 据 因m 2=m 1,且 T 2=T 1 体系对外力作功 注意：活塞及其上重物位能增加 例4：如图，已知活塞与气缸无摩擦，初始时p 1=p b ，t 1=27℃，缓缓加热， 使 p 2=0.15MPa ，t 2=207℃ ，若m =0.1kg ，缸径=0.4m ，空气 求：过程加热量Q 。 解： 据题意 ()()121272.0T T m u u m U -=-=? 例6 已知：0.1MPa 、20℃的空气在压气机中绝热压缩后，导入换热器排走部分热量，再进入喷管膨胀到0.1MPa 、20℃。喷管出口截面积A =0.0324m2，气体流速c f2=300m/s 。已知压气机耗功率710kW ，问换热器的换热量。 解： 稳定流动能量方程 ——黑箱技术 例7:一台稳定工况运行的水冷式压缩机，运行参数如图。设空气比热 cp =1.003kJ/(kg·K)，水的比热c w=4.187kJ/(kg·K)。若不计压气机向环境的散热损失、动能差及位能差，试确定驱动该压气机所需功率。[已知空气的焓差h 2-h 1=cp (T 2-T 1)] 解：取控制体为压气机（不包括水冷部分 流入： 流出： 6101325Pa 0.254310Pa 355600Pa B b eB p p p =+=+?=()()63 02160.110Pa 0.60.3m 0.0310J 30kJ W p V V =-=??-=?=斥L ?{}{}kJ/kg K 0.72u T =1 2T T =W U Q +?=()()212211U U U m u m u ?=-=-252 1.96010Pa (0.01m 0.05m)98J e W F L p A L =??=???=???={}{}kJ/kg K 0.72u T =W U Q +?=g V m pq q R T =()f 22g p c A R T =620.110Pa 300m/s 0.0324m 11.56kg/s 287J/(kg K)293K ???==??()111 11111m V m P e q p q P q u p v ++?++() 1 2 1 22222m V m e q p q q u p v ++Φ?Φ++水水 工程热力学习题集 一、填空题 1．能源按使用程度和技术可分为 能源和 能源。 2．孤立系是与外界无任何 和 交换的热力系。 3．单位质量的广延量参数具有 参数的性质，称为比参数。 4．测得容器的真空度48V p KPa =，大气压力MPa p b 102.0=，则容器内的绝对压力为 。 5．只有 过程且过程中无任何 效应的过程是可逆过程。 6．饱和水线和饱和蒸汽线将压容图和温熵图分成三个区域，位于三区和二线上的水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水 饱和水 湿蒸气、 和 。 7．在湿空气温度一定条件下，露点温度越高说明湿空气中水蒸气分压力越 、水蒸气含量越 ，湿空气越潮湿。（填高、低和多、少） 8．克劳修斯积分 /Q T δ?? 为可逆循环。 9．熵流是由 引起的。 10．多原子理想气体的定值比热容V c = 。 11．能源按其有无加工、转换可分为 能源和 能源。 12．绝热系是与外界无 交换的热力系。 13．状态公理指出，对于简单可压缩系，只要给定 个相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。 14．测得容器的表压力75g p KPa =，大气压力MPa p b 098.0=，则容器内的绝对压力为 。 15．如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使 都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。 16．卡诺循环是由两个 和两个 过程所构成。 17．相对湿度越 ，湿空气越干燥，吸收水分的能力越 。（填大、小） 18．克劳修斯积分 /Q T δ?? 为不可逆循环。 19．熵产是由 引起的。 20．双原子理想气体的定值比热容p c = 。 21、基本热力学状态参数有：（ ）、（ ）、（ ）。 22、理想气体的热力学能是温度的（ ）函数。 23、热力平衡的充要条件是：（ ）。 24、不可逆绝热过程中，由于不可逆因素导致的熵增量，叫做（ ）。 25、卡诺循环由（ ）热力学过程组成。 26、熵增原理指出了热力过程进行的（ ）、（ ）、（ ）。 31.当热力系与外界既没有能量交换也没有物质交换时，该热力系为_______。 32.在国际单位制中温度的单位是_______。 1．闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？ 不一定，稳定流动系统内质量也保持恒定。 2．有人认为开口系统内系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系统不可能是绝热系。对不对，为什么？不对，绝热系的绝热是指热能单独通过系统边界进行传递（传热量），随物质进出的热能（准确地说是热力学能）不在其中。 3．平衡状态与稳定状态有何区别和联系？平衡状态一定是稳定状态，稳定状态则不一定是平衡状态。 4．倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公式 p =p b +p g (p > p b ), p = p b -p v (p < p b ) 中，当地大气压是否必定是环境大气 压？ 当地大气压p b 改变，压力表读数就会改变。当地大气压 p b 不一定是环境大气压。 5．温度计测温的基本原理是什么？ 6．经验温标的缺点是什么？为什么？ 不同测温物质的测温结果有较大的误差，因为测温结果 依赖于测温物质的性质。 7．促使系统状态变化的原因是什么？ 举例说明。 有势差（温度差、压力差、浓度差、电位差等等）存在。 8．分别以图1-20所示的参加公路自行车赛的运动员、运动手枪中的压缩空气、杯子里的热水和正在运行的电视机为研究对象，说明这些是什么系统。 参加公路自行车赛的运动员是开口系统、运动手枪中的压缩空气是闭口绝热系统、杯子里的热水是开口系统（闭口系统——忽略蒸发时）、正在运行的电视机是闭口系统。 9．家用电热水器是利用电加热水的家用设备，通常其表面散热可忽略。取正在使用的家用电热水器为控制体（但不包括电加热器），这是什么系统？把电加热器包括在研究对象内，这是什么系统？什么情况下能构成孤立系统？ 不包括电加热器为开口（不绝热）系统（a 图）。包括电加热器则为开口绝热系统（b 图）。 将能量传递和质量传递（冷水源、热水汇、热源、电源等）全部包括在内，构成孤立系统。或者说，孤立系统把所有发生相互作用的部分均包括在内。 4题图 9题图 第二章 热力学第一定律 思 考 题 1. 热量和热力学能有什么区别？有什么联系？ 答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系内部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。二者的联系可由热力学第一定律表达式 d d q u p v δ=+ 看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。 2. 如果将能量方程写为 d d q u p v δ=+ 或 d d q h v p δ=- 那么它们的适用范围如何？ 答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的内部平衡过程。因为 u h pv =-，()du d h pv dh pdv vdp =-=-- 对闭口系将 du 代入第一式得 q dh pdv vdp pdv δ=--+ 即 q dh vdp δ=-。 3. 能量方程 δq u p v =+d d （变大） 与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大） 很相像，为什么热量 q 不是状态参数，而焓 h 是状态参数？ 答：尽管能量方程 q du pdv δ=+ 与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大）似乎相象，但两者 的数学本质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。对焓的微分式来说，其循环积分：()dh du d pv =+??? 因为 0du =?，()0d pv =? 所以 0dh =?， 因此焓是状态参数。 而 对 于 能 量 方 程 来 说 ，其循环积分： 1. 热量和热力学能有什么区别？有什么联系？ 答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系内部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。二者的联系可由热力学第一定律表达式 d d q u p v δ=+ 看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。 2. 如果将能量方程写为 d d q u p v δ=+ 或 d d q h v p δ=- 那么它们的适用范围如何？ 答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的内部平衡过程。因为 u h p v =-，()du d h pv dh pdv vdp =-=-- 对闭口系将 du 代入第一式得 q dh pdv vdp pdv δ=--+ 即 q dh vdp δ=-。 3. 能量方程 δq u p v =+d d （变大） 与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大） 很相像，为什么热量 q 不是状态参数，而焓 h 是状态参数？ 答：尽管能量方程 q du pdv δ=+ 与焓的微分式 ()d d d h u pv =+（变大）似乎相象，但两者的数学本 质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。对焓的微分式来说，其循环积分：()dh du d pv =+??? 因为 0du =?，()0d pv =? 所以 0dh =?， 因此焓是状态参数。 而对于能量方程来说，其循环积分： q du pdv δ=+??? 虽然： 0du =? 但是： 0pdv ≠? 所以： 0q δ≠? 因此热量q 不是状态参数。 4. 用隔板将绝热刚性容器分成A 、B 两部分（图2-13），A 部分装有1 kg 气体，B 部分为高度真空。将隔板抽去后，气体热力学能是否会发生变化？能不能用 d d q u p v δ=+ 来分析这一过程？ 第一章基本概念与定义 1．答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定 2．答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。 3．答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。平衡状态并非稳定状态之必要条件。物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。 4．答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。当地大气压不一定是环境大气压。环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。 5．答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。 6．答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测定值可能有微小的差异。 7．答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变化的原因。 8．答：（1）第一种情况如图1-1（a）,不作功（2）第二种情况如图1-1（b）,作功（3）第一种情况为不可逆过程不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在p-v图上表示出来。 9．答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。 10．答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复到原来状态，外界没有变化；若存在不可逆因素，系统恢复到原状态，外界产生变化。 11．答：不一定。主要看输出功的主要作用是什么，排斥大气功是否有用。 2.5 典型例题 例题２－１ 一个装有２kg 工质的闭口系经历如下过程：过程中系统散热25kJ ，外界对系统做功100kJ ，比热力学能减少15kJ/kg ，并且整个系统被举高1000m 。试确定过程中系统动能的变化。 解 由于需要考虑闭口系统动能及位能的变化，所以应用第一定律的一般表达式（２－７b ），即 2 f 12 Q U m c m g z W =?+?+?+ 于是 2 f 1K E 2 m c Q W U m g z ?= ?=--?-? (25k J )(100k J )(2k g )(1 =----- 2 -3 (2k g )(9.8m /s )(1000m 10) -?? = +85 .4k 结果说明系统动能增加了 85.4kJ 。 讨论 （１） 能量方程中的Q ,W ，是代数符号，在代入数值时，要注意按规定的正负号含 义 代入。U ?，mg z ?及 2 f 12 m c ?表示增量，若过程中它们减少应代负值。 （２） 注意方程中每项量纲的一致，为此mg z ?项应乘以310-。 例题２－２ 一活塞汽缸设备内装有５kg 的水蒸气，由初态的比热力学能 12709.0kJ/kg u =，膨胀到22659.6kJ/kg u =，过程中加给水蒸气的热量为 80kJ ，通过 搅拌器的轴输入系统18.5kJ 的轴功。若系统无动能、位能的变化，试求通过活塞所做的功 解 依题意画出设备简图，并对系统与外界的相互作用加以分析。如图２－４所示，这是一闭口系，所以能量方程为 Q U W =?+ 方程中是总功，应包括搅拌器的轴功和活塞膨胀功，则能量方程为 p a d d l e p i Q U W W =?++ p s i t o n p a d d l e 2 ()W Q W m u u =--- (+80kJ)(18.5kJ)(5kg)(2659.62709.9)kJ/kg =---- 350kJ =+ 讨论 （１） 求出的活塞功为正值，说明系统通过活塞膨胀对外做功。 江苏科技大学 《工程热力学》练习题参考答案 第一单元 一、判断正误并说明理由： 1.给理想气体加热，其热力学能总是增加的。 错。理想气体的热力学能是温度的单值函数，如果理想气体是定温吸热，那么其热力学能不变。 1.测量容器中气体压力的压力表读数发生变化一定是气体热力状态发生了变 化。 错。压力表读数等于容器中气体的压力加上大气压力。所以压力表读数发生变化可以是气体的发生了变化，也可以是大气压力发生了变化。 2.在开口系统中，当进、出口截面状态参数不变时，而单位时间内流入与流出 的质量相等，单位时间内交换的热量与功量不变，则该系统处在平衡状态。 错。系统处在稳定状态，而平衡状态要求在没有外界影响的前提下，系统在长时间内不发生任何变化。 3.热力系统经过任意可逆过程后，终态B的比容为v B大于初态A的比容v A，外 界一定获得了技术功。 错。外界获得的技术功可以是正，、零或负。 4.在朗肯循环基础上实行再热，可以提高循环热效率。 错。在郎肯循环基础上实行再热的主要好处是可以提高乏汽的干度，如果中间压力选的过低，会使热效率降低。 6．水蒸汽的定温过程中，加入的热量等于膨胀功。 错。因为水蒸汽的热力学能不是温度的单值函数，所以水蒸汽的定温过程中，加入的热量并不是全部用与膨胀做功，还使水蒸汽的热力学能增加。 7．余隙容积是必需的但又是有害的，设计压气机的时候应尽可能降低余隙比。 对。余隙容积的存在降低了容积效率，避免了活塞和气门缸头的碰撞，保证了设备正常运转，设计压气机的时候应尽可能降低余容比。 8．内燃机定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高。 错。在循环增压比相同吸热量相同的情况下，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率高；但是在循环最高压力和最高温度相同时，定容加热理想循环热效率比混合加热理想循环热效率低。 9．不可逆过程工质的熵总是增加的，而可逆过程工质的熵总是不变的。 错。熵是状态参数，工质熵的变化量仅与初始和终了状态相关，而与过程可逆不可逆无关。 10．已知湿空气的压力和温度，就可以确定其状态。 错。湿空气是干空气与水蒸汽的混合物，据状态公理，确定湿空气的状态需要三 工程热力学课后作业答案第五版 2-2.已知2N 的M ＝28，求（1）2N 的气体常数；（2）标准状态下2N 的比容和密度；（3） MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩尔容积Mv 。 解：（1）2N 的气体常数 28 8314 0= = M R R ＝296.9)/(K kg J ? （2）标准状态下2N 的比容和密度 101325 2739.296?== p RT v ＝0.8kg m /3 v 1= ρ＝1.253/m kg （3） MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩尔容积Mv Mv ＝ p T R 0＝64.27kmol m /3 2-3．把CO 2压送到容积3m 3的储气罐里，起始表压力 301=g p kPa ，终了表压力3.02=g p Mpa ，温 度由t1＝45℃增加到t2＝70℃。试求被压入的CO 2的质量。当地大气压B ＝101.325 kPa 。 解：热力系：储气罐。 应用理想气体状态方程。 压送前储气罐中CO 2的质量 1 1 11RT v p m = 压送后储气罐中CO 2的质量 2 2 22RT v p m = 根据题意 容积体积不变；R ＝188.9 B p p g +=11 （1） B p p g +=22 （2） 27311+=t T （3） 27322+=t T （4） 压入的CO 2的质量 )1 122(21T p T p R v m m m -= -= （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300 m 3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300 m 3，问鼓风机送风量的质量改变多少？ 解：同上题 1000)273 325.1013003.99(287300)1122(21?-=-= -=T p T p R v m m m ＝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3 m 3，充入容积8.5 m 3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 288 2875 .810722225???==RT v p m kg 压缩机每分钟充入空气量 288 28731015???==RT pv m kg 所需时间 == m m t 2 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 、8.5 m 3的空气在0.1MPa 下占体积为多少的问题。 根据等温状态方程 const pv = 0.7MPa 、8.5 m 3的空气在0.1MPa 下占体积为 5.591 .05 .87.01221=?== P V p V m 3 压缩机每分钟可以压缩0.1MPa 的空气3 m 3，则要压缩59.5 m 3的空气需要的时间 == 3 5 .59τ19.83min 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？ 工程热力学习题集及答案 一、填空题 1．能源按使用程度和技术可分为 常规 能源和 新 能源。 2．孤立系是与外界无任何 能量 和 物质 交换的热力系。 3．单位质量的广延量参数具有 强度量 参数的性质，称为比参数。 4．测得容器的真空度48V p KPa =，大气压力MPa p b 102.0=，则容器内的绝对压力为 54kpa 。 5．只有 准平衡 过程且过程中无任何 耗散 效应的过程是可逆过程。 6．饱和水线和饱和蒸汽线将压容图和温熵图分成三个区域，位于三区和二线上的水和水蒸气呈现五种状态：未饱和水 饱和水 湿蒸气、 干饱和蒸汽 和 过热蒸汽 。 7．在湿空气温度一定条件下，露点温度越高说明湿空气中水蒸气分压力越 高 、水蒸气含量越 多 ，湿空气越潮湿。（填高、低和多、少） 8．克劳修斯积分/Q T δ? 等于零 为可逆循环。 9．熵流是由 与外界热交换 引起的。 10．多原子理想气体的定值比热容V c = g 72R 。 11．能源按其有无加工、转换可分为 一次 能源和 二次 能源。 12．绝热系是与外界无 热量 交换的热力系。 13．状态公理指出，对于简单可压缩系，只要给定 两 个相互独立的状态参数就可以确定它的平衡状态。 14．测得容器的表压力75g p KPa =，大气压力MPa p b 098.0=，则容器内的绝对压力为 173a KP 。 15．如果系统完成某一热力过程后，再沿原来路径逆向进行时，能使系统和外 界都返回原来状态而不留下任何变化，则这一过程称为可逆过程。 16．卡诺循环是由两个 定温 和两个 绝热可逆 过程所构成。 17．相对湿度越 小 ，湿空气越干燥，吸收水分的能力越 大 。（填大、小） 18．克劳修斯积分/Q T δ? 小于零 为不可逆循环。 19．熵产是由 不可逆因素 引起的。 20．双原子理想气体的定值比热容p c = 72g R 。 21．基本热力学状态参数有：（ 压力）、（温度 ）、（体积）。 22．理想气体的热力学能是温度的（单值 ）函数。 23．热力平衡的充要条件是：（系统内部及系统与外界之间各种不平衡的热力势差为零 ）。 24．不可逆绝热过程中，由于不可逆因素导致的熵增量，叫做（熵产）。 25．卡诺循环由（两个可逆定温和两个可逆绝热 ）热力学过程组成。 26．熵增原理指出了热力过程进行的（方向 ）、（限度）、（条件）。 31．当热力系与外界既没有能量交换也没有物质交换时，该热力系为_孤立系_。 32．在国际单位制中温度的单位是_开尔文_。 习题及部分解答 第一篇 工程热力学 第一章 基本概念 1. 指出下列各物理量中哪些是状态量，哪些是过程量： 答：压力，温度，位能，热能，热量，功量，密度。 2. 指出下列物理量中哪些是强度量：答：体积，速度，比体积，位能，热能，热量，功量，密度。 3. 用水银差压计测量容器中气体的压力，为防止有毒的水银蒸汽产生，在水银柱上加一段水。若水柱高 mm 200，水银柱高mm 800，如图2-26所示。已知大气压力为mm 735Hg ，试求容器中气体的绝对压力为多少kPa ？解：根据压力单位换算 kPa p p p p kPa Pa p kPa p Hg O H b Hg O H 6.206)6.106961.1(0.98)(6.10610006.132.133800.96.110961.180665.92002253=++=++==?=?==?=?= 4. 锅炉烟道中的烟气常用上部开口的斜管测量，如图2-27所示。若已知斜管倾角 30=α，压力计中 使用3/8.0cm g =ρ 的煤油，斜管液体长度mm L 200=，当地大气压力MPa p b 1.0=，求烟 气的绝对压力（用MPa 表示）解： MPa Pa g L p 6108.7848.7845.081.98.0200sin -?==???==α ρ MPa p p p v b 0992.0108.7841.06=?-=-=- 5.一容器被刚性壁分成两部分，并在各部装有测压表计，如图2-28所示，其中C 为压力表，读数为 kPa 110，B 为真空表，读数为kPa 45。若当地大气压kPa p b 97=，求压力表A 的读数（用kPa 表示） kPa p gA 155= 6. 试述按下列三种方式去系统时，系统与外界见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）.取图中虚线内空间为系统。 答案略。 7.某电厂汽轮机进出处的蒸汽用压力表测量，起读数为MPa 4.13；冷凝器内的蒸汽压力用真空表测量，其读数为mmHg 706。若大气压力为MPa 098.0，试求汽轮机进出处和冷凝器内的蒸汽的绝对压力（用MPa 表示） MPa p MPa p 0039.0;0247.021== 8.测得容器的真空度 mmHg p v 550=，大气压力 MPa p b 098.0=，求容器内的绝对压力。若大气 3．5 典型例题 例题3－１ 某电厂有三台锅炉合用一个烟囱，每台锅炉每秒产生烟气733 m （已折算成标准状态下的体积），烟囱出口出的烟气温度为100C ?，压力近似为101.33kPa ，烟气流速为30m/s 。求烟囱的出口直径。 解 三台锅炉产生的标准状态下的烟气总体积流量为 烟气可作为理想气体处理，根据不同状态下，烟囱内的烟气质量应相等，得出 因p =0p ，所以 烟囱出口截面积 32V 299.2m /s 9.97m q A = == 烟囱出口直径 3.56m 讨论 在实际工作中，常遇到“标准体积”与“实际体积”之间的换算，本例就涉及到此问题。又例如：在标准状态下，某蒸汽锅炉燃煤需要的空气量3V 66000m /h q =。若鼓风机送入的热空气温度为1250C t =?，表压力为g120.0kPa p =。当时当地的大气压里为b 101.325kPa p =，求实际的送风量为多少？ 解 按理想气体状态方程，同理同法可得 而 1g1b 20.0kPa 101.325kPa 121.325kPa p p p =+=+= 故 33V1101.325kPa (273.15250)K 66000m 105569m /h 121.325kPa 273.15kPa q ?+=?=? 例题３－２ 对如图３－９所示的一刚性容器抽真空。容器的体积为30.3m ，原先容 器中的空气为0.1MPa ，真空泵的容积抽气速率恒定为30.014m /min ，在抽气工程中容器内温度保持不变。试求： （１） 欲使容器内压力下降到0.035MPa 时，所需要的抽气时间。 （２） 抽气过程中容器与环境的传热量。 解 （１）由质量守恒得 即 所以 V d d q m m V τ-= （３） 一般开口系能量方程 由质量守恒得 out d d m m =- 又因为排出气体的比焓就是此刻系统内工质的比焓，即out h h =。利用理想气体热力性质得 工程热力学试题 （本试题的答案必须全部写在答题纸上，写在试题及草稿纸上无效） 说明： 1）答题前请考生务必认真阅读说明； 2）考生允许携带计算器； 3）重力加速度g＝9.80m/s2； 4）本套试题中所用到的双原子理想气体绝热指数K＝； 5）理想气体通用气体常数R＝(mol·k)； 6）标准大气压Pa＝； ' 7）氧原子量取16，氢原子量取1，碳原子量取12，N原子量取14；8）空气分子量取29，空气的定压比热Cp=(kg·K)。 一、是非题（每题2分，共20分；正确的打√，错误的打×。） 1、系统从同一始态出发，分别经历可逆过程和不可逆过程到达同一终态，则两个过程该系统的熵变相同。（） 2、循环功越大，热效率越高。（） 3、对于由单相物质组成的系统而言，均匀必平衡，平衡必均匀。（） 4、系统经历不可逆过程后，熵一定增大。（） 5、湿空气相对湿度越高，含湿量越大。（） 6、理想气体绝热节流前后温度不变。（） , 7、系统吸热，熵一定增大；系统放热，熵一定减小。（） 8、对于具有活塞的封闭系统，气体膨胀时一定对外做功。（） 9、可逆过程必是准静态过程，准静态过程不一定是可逆过程。（） 10、对于实际气体，由焓和温度可以确定其状态。（） 二、填空题（每题5分，共50分） 1、某气体的分子量为44，则该气体的气体常数为。 2、某甲烷与氮的混合气，两组分的体积百分含量分别为70％和30％，则该混气的平均分子量为。 3、300k对应的华氏温度为。 . 4、卡诺循环热机，从200℃热源吸热，向30℃冷源放热，若吸热率是10kw，则输出功率为。 5、自动升降机每分钟把50kg的砖块升高12m，则升降机的功率为。 6、、30℃的氦气经节流阀后压力降至100kpa，若节流前后速度相等，则节流前管径与节流后管径的比值为。 7、某双原子理想气体的定压比热为，则其定容比热可近似认为等于。 8、容积2m3的空气由、40℃被可逆压缩到1MPa、0.6m3，则该过程的多变指数为。 9、空气可逆绝热地流经某收缩喷管，若进口压力为2MPa，出口压力为，则喷管出口截面马赫数为。 10、某空调的输入功率为，需向环境介质输出热量，则空调的制冷系 工程热力学课后习题及 答案第六版完整版 Document number【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】 2-2.已知2N 的M ＝28，求（1）2N 的气体常数；（2）标准状态下2N 的比容和密度；（3）MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩 尔 容 积 Mv 。 解：（1）2N 的气体常数 28 83140== M R R ＝)/(K kg J ? （2）标准状态下2N 的比容和密度 101325 2739.296?== p RT v ＝kg m /3 v 1=ρ＝3/m kg （3）MPa p 1.0=，500=t ℃时的摩尔容积Mv Mv ＝ p T R 0＝kmol m /3 2-3．把CO 2压送到容积3m 3的储气罐里，起始表压力301=g p kPa ，终了表压力 3.02=g p Mpa ，温度由t1＝45℃增加到t2 ＝70℃。试求被压入的CO 2的质量。当地大气压B ＝ kPa 。 解：热力系：储气罐。 应用理想气体状态方程。 压送前储气罐中CO 2的质量 压送后储气罐中CO 2的质量 根据题意 容积体积不变；R ＝ B p p g +=11 （1） B p p g +=22 （2） 27311+=t T （3） 27322+=t T （4） 压入的CO 2的质量 )1 122(21T p T p R v m m m -= -= （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300 m 3的空气，如外界的温度增高 到27℃，大气压降低到，而鼓风机每小时的送风量仍为300 m 3，问鼓风机送风量的质量改变多少 解：同上题 1000 )273 325 .1013003.99(287300)1122(21?-=-= -=T p T p R v m m m ＝41.97kg 2-6 空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15℃、压力为的空气3 m 3，充入容积8.5 m 3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 288 2875.810722225???==RT v p m kg 压缩机每分钟充入空气量 288 28731015???==RT pv m kg 所需时间 == m m t 2 第二种解法 将空气充入储气罐中，实际上就是等温情 况下把初压为一定量的空气压缩为的空气；或者说、 m 3的空气在下占体积为多少的问题。 根据等温状态方程 、8.5 m 3的空气在下占体积为 5.591 .05.87.01221=?== P V p V m 3 压缩机每分钟可以压缩的空气3 m 3，则要压缩 m 3的空气需要的时间 == 3 5.59τ 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 工程热力学例题 1.已知一闭口系统沿a c b途径从状态a变化到状态b时，吸入热量80KJ/kg，并对外做功 30KJ/Kg。(1)、过程沿adb进行，系统对外作功10KJ/kg，问系统吸热多少? (2)、当系统沿曲线从b返回到初态a、外界对系统作功20KJ/kg，则系统 与外界交换热量的方向和大小如何? (3)、若ua=0，ud=40KJ/Kg，求过程ad和db的吸热量。 解：对过程acb，由闭口系统能量方程式得： （1）、对过程adb闭口系统能量方程得： （2）、对b-a过程，同样由闭口系统能量方程得： 即，系统沿曲线由b返回a时，系统放热70KJ/Kg。 (3)、当ua=0，ud=40KJ/Kg，由ub-ua=50KJ/Kg，得ub=50KJ/Kg，且： （定容过程过程中膨胀功wdb=0） 过程ad闭口系统能量方程得： 过程db闭口系统能量方程得： 2. 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）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. 空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后的参数是p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg。假定空气压缩过程中，1kg空气的热力学能增加146KJ，同时向外放出热量50KJ，压气机每分钟产生压缩空气10kg。求： （1）压缩过程中对每公斤气体所做的功； （2）每生产1kg的压缩空气所需的功； （3）带动此压气机至少需要多大功率的电动机？ 分析：要正确求出压缩过程的功和生产压缩气体的功，必须依赖于热力系统的正确选取，及对功的类型的正确判断。压气机的工作过程包括进气、压缩和排气3个过程。在压缩过程中，进、排气阀门均关闭，因此此时的热力系统式闭口系统，与外界交换的功是体积变化功w。 要生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出气缸，因此气体与外界交换的功为轴功ws。又考虑到气体动、位能的变化不大，可忽略，则此功也是技术功wt。 （1）解：压缩过程所做的功，由上述分析可知，在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此取气缸中的气体为热力系统，如图（a）所示。由闭口系统能量方程得： 一、1.若已知工质的绝对压力P=0.18MPa，环境压力Pa=0.1MPa，则测得的压差为( B ) A.真空pv=0.08Mpa B.表压力pg=0.08MPa C.真空pv=0.28Mpa D.表压力pg=0.28MPa 2.简单可压缩热力系的准平衡过程中工质压力降低，则( A ) A.技术功为正 B.技术功为负 C.体积功为正 D.体积功为负 3.理想气体可逆定温过程的特点是( B ) A.q=0 B. Wt=W C. Wt>W D. Wt
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