工程热力学第2章习题答案

第2章热力学第一定律1第2章热力学第一定律2-1定量工质，经历了下表所列的4个过程组成的循环，根据热力学第一定律和状态参数的特性填充表中空缺的数据。过程Q/kJW/kJ△U/kJ1-20100-1002-3-11080-1903-4300902104-120-60802-2一闭口系统从状态1沿过程123到状态3，对外放出47.5kJ的热量，对外作功为30kJ，如图2-11所示。（1）若沿途径143变化时，系统对外作功为6kJ，求过程中系统与外界交换的热量；（2）若系统由状态3沿351途径到达状态1，外界对系统作功为15kJ，求该过程与外界交换的热量；（3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量，及状态1的热力学能U1。图2-11习题2-2解：（1）根据闭口系能量方程，从状态1沿途径123变化到状态3时，12313123QUW−=∆+，得1347.5kJ30kJ77.5kJU−∆=−−=−从状态1沿途径143变化到状态3时，热力学能变化量13U−∆保持不变，由闭口系能量方程14313143QUW−=∆+，得14377.5kJ6kJ71.5kJQ=−+=−，即过程中系统向外界放热71.5kJ（2）从状态3变化到状态1时，()31133113UUUUUU−−∆=−=−−=−∆，由闭口系能量方程35131351QUW−=∆+，得35177.5kJ15kJ62.5kJQ=−=，即过程中系统从外界吸热92.5kJ（3）从状态2变化到状态3体积不变，323232323232QUWUpdVU−−−=∆+=∆+=∆∫，因此23233287.5kJ175kJ87.5kJQUUU−=∆=−=−=−第2章热力学第一定律2由1331187.577.5kJUUUU−∆=−=−=−，得1165kJU=2-3某电站锅炉省煤器每小时把670t水从230℃加热到330℃，每小时流过省煤器的烟气的量为710t，烟气流经省煤器后的温度为310℃，已知水的质量定压热容为4.1868kJ/(kg·K)，烟气的质量定压热容为1.034kJ/(kg·K)，求烟气流经省煤器前的温度。解：设烟气流经省煤器前的温度为t℃，对省煤器列能量平衡方程：cmtcmt∆=∆水水水烟烟烟，4.1868670(330230)1.034710(310)t××−=××−由上式，可求得烟气流经省煤器前的温度为692℃2-4一台锅炉给水泵，将凝结水由p1=6kPa，升至p2=2MPa，假定凝结水流量为200t/h，水的密度=1000kg/m3，水泵的效率为88%，问带动此水泵至少需要多大功率的电动机？解：给水泵所做压缩功是技术功，在压缩过程中水的比体积可看作保持不变水泵耗功()()2632110.0012106101994J/kgPtwwvdpvpp=−==−=××−×=∫带动水泵所需电动机功率320010kg/s1994J/kg125.9kW36000.88mPPqwPη××===×2-5制造某化合物时，要把一定质量的液体在大桶中搅拌，为了不致因搅拌而引起温度上升，该桶外装有冷却水套利用水进行冷却。已知冷却水每小时取走的热量为29140kJ，化合物在合成时每小时放出20950kJ的热量。求该搅拌机消耗的功率。解：冷却水取走的热量与化合物合成放出的热量之差即为搅拌机消耗的功，搅拌机消耗的功率29140kJ/h20950kJ/h2275WP=−=2-6发电机的额定输出功率为100MW，发电机的效率为98.4%，发电机的损失基本上都转化成热能，为了维持发电机正常运行，需要对发电机冷却，将产生的热量传到外界。假设全部用氢气冷却，氢气进入发电机的温度为22℃，离开时的温度不能超过65℃，求氢气的质量流量至少为多少？已知氢气的平均质量定压热容为cpm=14.3kJ/(kg·K)。解：列能量平衡方程，()()631001010.98414.31065220.984mq××−=×××−可得氢气的质量流量2.644kg/s9.520t/hmq==2-7某实验室用如图2-12的电加热装置来测量空气的质量流量。已知加热前后空气的温度分别为t1=20℃，t2=25.5℃，电加热器的功率为800W。假设空气的平均定压质量比热容为cpm=1.005kJ/（kg·K），试求每分钟空气的质量流量。第2章热力学第一定律3图2-12习题2-7解：列能量平衡方程，()31.0051025.52080060mq×××−=可得空气的质量流量8.684kg/minmq=2-8某蒸汽动力厂中，锅炉以40t/h的蒸汽量供给汽轮机。汽轮机进口处的压力表读数为9MPa，蒸汽的焓为3440kJ/kg，汽轮机出口处真空表读数为95kPa，当时当地大气压力为0.1MPa，出口蒸汽焓为2245kJ/kg，汽轮机对环境换热率为6.36×105kJ/h。求：（1）进口和出口处蒸汽的绝对压力分别是多少？（2）若不计进、出口宏观动能和重力势能的差值，汽轮机输出功是多少千瓦？（3）如进口处蒸汽流速为70m/s，出口处速度为140m/s，对汽轮机功率有多大影响？解：（1）进口蒸汽绝对压力1,10.1MPa9MPa9.1MPabeppp=+=+=出口蒸汽绝对压力2,20.1MPa0.095MPa0.005MPabvppp=+=−=（2）根据稳定流动能量方程tQHW=∆+，每小时汽轮机所作技术功（输出功）为tmPQHQqh=−∆=−∆()576.3610kJ/h401000kg/h22453440kJ/kg=4.716410kJ/htP=−×−××−×因此汽轮机功率13101.1kWP=（3）若计进出口动能差，则稳定流动能量方程形式为212fiQHmcW=∆+∆+'221122tmfmmfPQHqcQqhqc=−∆−∆=−∆−∆()'72274.716410kJ/h0.54014070kJ/h=4.68710kJ/htP=×−××−×汽轮机功率13019.4kWP=，即功率减少了81.7kW2-9某发电厂一台发电机的功率为25000kW，燃用发热量为27800kJ/kg的煤，该发电机组的效率32%。求：（1）该机组每昼夜消耗多少吨煤？（2）每发一度电要消耗多少千克煤（1度电=1kW•h=3600kJ）？解：（1）煤消耗量为25000kW2.81kg/s242.8t/d27800kJ/kg32%==×，即每昼夜消耗煤242.8吨第2章热力学第一定律4（2）每发一度电消耗煤为3600kJ0.4047kg27800kJ/kg32%=×，即发一度电要消耗发热量为27800kJ/kg的煤404.7克2-10某机组汽轮机高压缸进口蒸汽的焓值为3461kJ/kg，出口焓为3073kJ/kg，蒸汽流量为380t/h，求该汽轮机高压缸产生的功率。解：汽轮机高压缸产生的功率为：()()12380t/h34613073kJ/kg40.96MWmtmPqwqhh==−=×−=2-11某电厂有一台国产400t/h的直流锅炉，蒸汽出口焓为3550kJ/kg，锅炉给水焓为1008kJ/kg，已知燃用发热量为22300kJ/kg的煤时，锅炉的耗煤量为53t/h。求：（1）该锅炉的效率；（2）若该锅炉产汽量提高到430t/h，耗煤量增加3t/h，入口和出口参数不变，则锅炉效率有何变化？解：（1）锅炉效率为锅炉获得热量与投入热量的比值：()400t/h33501008kJ/kg79.26%53t/h22300kJ/kgbη×−==×（2）()430t/h33501008kJ/kg80.64%56t/h22300kJ/kgbη×−==×2-12在一台水冷式空气压缩机的试验中，测出每压缩1kg空气压缩机需的功为176.3kJ/kg，空气离开压缩机时比焓增加96.37kJ/kg。求压缩每kg空气从压缩机传给大气总的热量。解：根据开口系稳定流动能量方程96.37176.379.93kJ/kgtqhw=∆+=−=−，即压缩每kg空气从压缩机传给大气的热量为79.93kJ2-13一个拟用氦冷却的高温核反应堆的排热系统如图2-13所示，氦入口温度为t1=230℃，出口为t2=40℃，流量为5000t/h。水在干冷塔被冷却到t3=32℃，流量为9000t/h。（1）试确定水的出口温度（不考虑水经过水泵后的温升）；（2）如果水回路中由于管道阻力有0.05MPa的压力降，需要水泵提高压力来弥补，且水泵效率为0.72，试计算所需要的泵功率；（3）干冷塔中空气入口温度为t6=20℃，出口温度为t7=70℃，计算所需空气的流量。已知氦、水、空气的质量定压热容分别为5.204kJ/(kg·K)、4.1868kJ/(kg·K)和1.004kJ/(kg·K)。第2章热力学第一定律5图2-13习题2-13解：（1）水流经换热器出口温度为t5℃，对换热器列能量平衡方程：cmtcmt∆=∆氦氦氦水水水，5.2045000(23040)4.18689000(32)t××−=××−5由上式，可求得水流经换热器出口温度为163.2℃（2）水泵耗功2610.0010.051050J/kgPtwwvdpvp=−==∆=××=∫水泵所需功率3500010kg/s50J/kg96.45kW36000.72mPPqwPη××===×（3）对干冷塔列能量平衡方程：cmtcmt∆=∆空空空水水水，1.004(7020)4.18689000(163.232)m××−=××−空由上式，可求得所需空气流量为98481.5t/h