热工基础-课后题答案

1/78二零一七年，秋热工基础课后习题参考答案2/78第一章热力学第一定律1-1用水银压力计测量容器中的压力，在水银柱上加一段水，若水柱高1020mm，水银柱高900mm，当时大气压力计上的度数为b755mmHgp。求容器中气体的压力。解：查表可知：21mmHO=9.80665Pa1mmHg=133.3224Pa由题中条件可知2HOHgb1020mm9.80665Pa900mm133.3224Pa755mm133.3224Pa230.651KPa0.231MPapppp容器即容器中气体的压力为0.231MPa。1-2容器中的真空度为600mmHgvp，气压计上的高度是b755mmHgp，求容器中气体的绝对压力（用Pa表示）。如果容器中的绝对压力不变，而气压计上高度为b770mmHgp，求此时真空表的度数（以mmHg表示）.解：因为600mmHg=600mm133.3224Pa=79993.4Pavpb755mmHg=755mm133.3224Pa=100658.4Pap容器中气体的绝对压力为bv100658.479993.420665Pappp若以mmHg表示真空度，则2066520665Pa=mmHg155mmHg133.3224p则当气压计高度为b770mmHgp时，真空表的读数为770mmHg155mmHg615mmHgvbppp1-3用斜管压力计测量锅炉烟道气的真空度，管子倾斜角30，压力计使用密度30.8g/cm的煤油，斜管中液柱长200mml，当地大气压力b745mmHgp。求烟气的真空度（mmHg）及绝对压力。3/78解：压力计斜管中煤油产生的压力为33sin0.810kg/m9.80.2msin30=784Pajpgl当地大气压为b745mmHg=745mm133.3224Pa/mm=99325.2Pap则烟气的绝对压力为bj99325.2Pa784Pa98541.2Pappp若压力计斜管中煤油产生的压力用mmH2O表示，则烟气的真空度为22784=784Pa=mmHO=79.95mmHO9.80665jp1-6气体初态为3110.3MPa,0.2mpV，若在等压条件下缓慢可逆地膨胀到320.8mV，求气体膨胀所做的功。解：有条件可得气体膨胀所做的功为213321d0.3MPa0.8m0.2m180kJVVWpVpVV1-71m3空气，10.2MPap，在可逆定温膨胀后容积为原来的两倍。求：终压p2和气体所做的功（空气可逆定温膨胀时pv=常数）。解：由题意可知1122pvpv,32122mvv因此有121210.2MPa0.1MPa2vppv在可逆定温膨胀过程中，设某一时刻的压力为p，则有221136112111ddln0.2MPa1mln20.138610Jvvvvpvvwpvvpvvv1-8若系统在某一状态变化过程中满足1.4pv常数，试问该系统从初态311600kPa,0.3mpV膨胀到320.5mV时，对外做膨胀功多少？解：设某一时刻的压力为p，则有4/7822111.41.40.40.511110.31.41.430.40.43dd0.4600kPa0.3m0.50.383.210J0.4vvvvpvpvwpvvvv1-10气体在某一过程中吸收热量60J，同时热力学能增加了34J，问此过程是否压缩过程？气体对外做功多少？解：根据热力学第一定律QUW，故有12121,2WQU由题意可知，1260JQ,1,234JU，因此12121,260J34J=26JWQU由于约定工质膨胀做功为正，接受外界压缩功为负，可知此过程为膨胀过程。1-11在冬季，工厂某车间每一小时经过墙壁等处损失热量3000000kJ，车间各工作机器消耗的动力为400kW，假定其最终全部变成热能散发在车间内。另外，室内经常点着50盏100W的电灯。问为使车间内温度保持不变，每小时需另外加入多少热量？解：假设50盏电灯所耗能量最终全部变成热能散发在车间内，则每小时电灯产生的热能为50100W360018000kJLLQPTs工作机器产生的热能：400kW36001440000kJmmQPTs将车间看做是闭口系，则有=3000000kJ18000kJ1440000kJ1542000kJLmQQQQ吸散1-12水在101235Pa，100℃下定压汽化，比体积由0.001m3/kg增加到1.763m3/kg，若汽化潜能为2250kJ/kg。已知定压汽化过程汽化潜热即为焓差，试求1kg水在定压汽化过程中的热力学能变化量。解：由于水在定压汽化过程中温度保持不变，由焓的定义式可知21221121hhhupvupvupvv所以热力学能的变化量为21332250kJ/kg101.235kPa1.763m/kg0.001m/kg2071.6kJupvv5/781-13某定量工质经历了1-2-3-4-1循环，试填充下表所缺数据：过程/kJQ/kJW/kJU1390013902-30395-3953-4-10000-10004-10551-14质量为1275kg的汽车在以60000m/h速度行驶时被刹车制动，速度降至20000m/h，假定刹车过程中0.5kg的刹车带和4kg钢刹车鼓均匀加热，但与外界没有传热，已知刹车带和钢刹车鼓的比热容分别是1.1kJ/（kg•K）和0.46kJ/（kg•K），求刹车带和刹车鼓的温升。解：汽车动能的损耗为2222211120000600001275157407.4J2236003600kEmVV由题意可知，汽车动能的损耗将全部转换为刹车带和刹车鼓的热力学能：1122kEUmcmcT所以有331122157407.4J65.9K0.5kg1.110J/kgK4kg0.4610J/kgKkETmcmc1-15以压缩空气为工作介质的小型高速汽轮机进气参数400kPa、50℃，经绝热膨胀排出汽轮机时的参数为150kPa、-30℃，问为产生100W的功率所需的质量流量。已知空气的焓仅是温度的函数，h=cpT。解：由题意可知，进出空气的焓差即为汽轮机的功率2112pPmhhmcTT所以有121000.001245kg/s1004J/kgK50C30CpPWmcTT1-16便携式吹风机以18m/s吹出空气，流量为0.2kg/s，若吹风机前后的空气压力和温度均6/78无显著变化，求吹风机的最小功率。已知空气的焓仅是温度的函数，h=cpT。解：由题意可知，吹风机前后的空气焓差、热力学能差为零，吹风机所做的功全部转换为空气的宏观动能，于是有每秒钟吹风机所做的功为22221110.2kg18m/s032.4J/s22tffwmcc即吹风机的最小功率为32.4WtPw1-17空气在压气机中被压缩，压缩前空气的参数是：3110.1MPa,0.845m/kgpv。压缩后的参数是3221MPa,0.175m/kgpv。设在压缩过程中1kg空气的热力学能增加146.5kJ，同时向外放出热量50kJ。压气机每分钟产生压缩空气1kg。求带动此压气机要用多大功率的电动机？解：由题意可知，50kJ,146.5kJqu压缩1kg空气电动机所做的技术功为22211122113350kJ146.5kJ1000kPa0.175m100kPa0.845m287kJtwqhqupvupvqupvpv于是电动机的功率为1kg/s287kJ4.78kW60mtPqw1-181kg空气由111.0MPa,500Cpt，膨胀到220.1MPa,500Cpt，过程中空气吸热506kJ，（1）求空气的热力学能变化量及膨胀功；（2）若在与上述相同的初态之间空气仅吸热39.1kJ，求空气在过程中的做功量。假定空气可作为理想气体，其热力学能只是温度的函数。解：（1）由于过程中，空气的温度不变，热力学能只是温度的函数，所以0U，由热力学第一定律QUW，所以膨胀功为506kJ0506kJWQU（2）由于初终两态的温度相同，所以0U，39.1kJWQ1-19水在绝热容器中与水蒸气混合而被加热，水流入时压力为200kPa，温度为20℃，比焓为84kJ/kg，质量流量为100kg/min。水蒸气流入时的压力为200kPa，温度为300℃，比焓为7/783072kJ/kg，混合物流出时的压力为200kPa，温度为100℃，比焓为419kJ/kg，问每分钟需要多少水蒸气？解：设每分钟需要的水蒸气的质量为m2，由题意可得121221=mhhmhh所以每分钟需要的水蒸气的质量为121212100kg419kJ/kg84kJ/kg=12.63kg3072kJ/kg419kJ/kgmhhmhh即212.63kg/minmq1-20某蒸汽动力厂中，锅炉以质量流量40000kg/h向汽轮机供蒸汽。汽轮机进口处压力表的读数是8.9MPa，蒸汽的焓是3441kJ/kg。汽轮机出口处真空表的度数是730.6mmHg，出口蒸汽的焓是2248kJ/kg，汽轮机向环境散热为6.81×105kJ/h。若当地大气压为760mmHg，求：（1）进、出口处蒸汽的绝对压力；（2）不计进、出口动能差和位能差时汽轮机的功率；（3）若进、出口处蒸汽的速度分别为70m/s和140mm/s时对汽轮机的功率有多大影响？（4）若汽轮机进、出口的高度差为1.6m时对汽轮机的功率又有多大的影响？解：（1）进、出口处蒸汽的绝对压力618.9MPa760mmHg8.910Pa+760133.3224Pa9MPap2760mmHg730.6mmHg760730.6133.3224Pa=3919.7Pap（2）不计进、出口动能差和位能差时汽轮机的功率由题意可知，汽轮机的功率为51240000kg/h6.8110kJ/h3441kJ/kg2248kJ/kg13066.4kW3600s3600PmhhQ（3）考虑蒸汽的动能时，汽轮机的功率为212212ffPPmcc与不考虑动能差与位能差时汽轮机的功率变化率为212122222231400001140702360020.63%213066.410ffffPPmccmccPPPPP（4）位能差为8/78400009.81.8196J3600PEmgh与不考虑位能差时汽轮机的功率的变化率为3196013066.410pEPPPP即汽轮机进、出口存在1.6m高度差对汽轮机的功率几乎没有影响，可忽略不计。1-21500kPa饱和液氨进入锅炉加热成干饱和氨蒸汽，然后进入过热器等压加热到275K，若氨的质量流量为0.005kg/s，离开过热器时焓为h=-25.1kJ/kg，氨进入和离开锅炉时的焓分别为1396.2kJ/kghh、2223.2kJ/kghh。求锅炉和过热器的换热率。解：氨进入和离开锅炉的比焓差为21223.2kJ/kg396.2kJ/kg173kJ/kghhh锅炉的换热率为,0.005kg/s173kJ/kg0.865kWQBqmh氨蒸汽进入和流出过热器的焓差为25.1kJ/kg223.