工程熱力學第4版習題解1工程熱力學第4版習題解本題解是沈維道、童鈞耕編寫高等教育出版社出版的“十一五”國家級規(guī)劃教材工程熱力學第4版的配套資料。本題解提供的解法是從教學的角度出發(fā)的，未必是唯一的或是最好的，題解中出現(xiàn)的錯誤懇請讀者批評指正。上海交通大學機械與動力工程學院童鈞耕2007/11/22第一章基本概念11英制系統(tǒng)中采用華氏溫標，它規(guī)定在標準大氣壓（101325PA）下純水的冰點是32F，汽點是212F，試推導華氏溫度與攝氏溫度的換算關系。解CF032212321000TTFCC180932321005TTT12英制系統(tǒng)中朗肯溫度與華氏溫度的關系為RF45967TT。已知熱力學絕對溫標及朗肯溫標在純水冰點的讀數(shù)分別是27315K和49167R；汽點的讀數(shù)分別是37315K和67167R。（1）導出朗肯溫度和開爾文溫度的關系式；（2）開爾文溫標上絕對零度在朗肯溫標上是多少度解（1）若任意溫度T在朗肯溫標上讀數(shù)為RT在熱力學絕對溫標上讀數(shù)為T（K），則6716749167R491673731527315K27315TT解得RK18TT（2）據(jù)上述關系K0T時，R0T工程熱力學第4版習題解213設一新溫標，用符號N表示溫度單位（它的絕對溫標是用Q表示溫度單位）。規(guī)定純水的冰點和汽點100N和1000N。試求（1）該新溫標與攝氏溫標的關系；（2）若該溫標的絕對零度與熱力學溫標零度相同，則該溫標讀數(shù)為0N時，其絕對溫標讀數(shù)是多少Q解（1）NC100010001001000TTNC9100TT（2）QNCK9100927315100TTCTCTC據(jù)題意，當K0T時，Q0T，解得上式中235835C，代回原式得QN235835TTN0T時，2358385QT。14直徑為1M的球形剛性容器，抽氣后真空度為7525MMHG，若當?shù)卮髿鉃?101MPA，求（1）容器內絕對壓力為多少PA；（2）容器表面受力多少N解（1）6BV010110PA7525MMHG1333PA/MMHG69175PAPPP（2）222044314161M1257MAD00B2661257M010110PA69175PA126110NFAPAPP15用U型壓力計測量容器中氣體的壓力，在水銀柱上加一段水，則得水柱高1020MM，水銀柱高900MM，如圖11所示，若當?shù)卮髿鈮簽?55MMHG，求容器中氣體的壓力（MPA）。解EB51020981PA9001333PA7551333PA230610PA0231MPAPPP圖1116容器中的真空度為V600MMHGP，氣壓計上水銀柱高度為B755MMP，求容器中工程熱力學第4版習題解3的絕對壓力（以MPA表示）。如果容器中的絕對壓力不變，而氣壓計上水銀柱高度為770MMBP，求此時真空表上的讀數(shù)（以MMHG表示）是多少解容器中氣體壓力低于當?shù)卮髿鈮毫?，故絕對壓力BV755600MMHG155MMHG00207MPAPPP若容器中絕對壓力不變，而大氣壓力變?yōu)锽770MMHGP。則此時真空表上的讀數(shù)為VB770155MMHG615MMHGPPP17用斜管壓力計測量鍋爐煙道煙氣的真空度（如圖124）管子的傾斜角30，壓力計中使用密度330810KG/M的煤油，斜管中液柱長度200MML。當?shù)卮髿鈮毫745MMHGP。求煙氣的真空度（以MMH2O表示）及絕對壓力（以PA表示）。圖12解傾斜式壓力計上讀數(shù)即煙氣的真空度V3332SIN20010M050810KG/M981M/S80981PAPLG因211PAMMHO981、21MMHG13595MMHO，故V280MMHOP煙氣絕對壓力BV225274513595MMHO80MMHO100483MMHO0985710PAPPP18壓力鍋因其內部壓力和溫度比普通鍋高而縮短了蒸煮食物的時間。壓力鍋的蓋子密封良好，蒸汽只能從蓋子中間的縫隙逸出，在縫隙的上方有一個可移動的小柱塞，所以只有鍋內蒸汽的壓力超過了柱塞的壓力后蒸汽才能逸出（圖13）。蒸汽周期性逸出使鍋內壓力近似可認為恒定，也防止了鍋內壓力過高產生的危險。若蒸汽逸出時壓力鍋內壓力應達到201KPA，壓力鍋蓋縫隙的橫截面積為24MM，當?shù)卮髿鈮毫ζ骄鶠?01KPA，試求小柱塞的質量。圖13解蒸汽逸出時鍋內表壓力即為應由柱塞產生的壓力，所以工程熱力學第4版習題解4EB201KPA101KPA100KPAPPP柱塞質量362E210010PA410M00408KG408G981M/SPAMG19容器被分隔成AB兩室，如圖14所示，已知當場大氣壓B01013MPAP，氣壓表2讀為E2004MPAP，氣壓表1的讀數(shù)E10294MPAP，求氣壓表3的讀數(shù)（用MPA表示）。解圖14ABE101013MPA0294MPA03953MPAPPPABE2BAE2039153MPA004MPA03553MPAPPPPPPE3BB03553MPA01013MPA0254MPAPPP110起重機以每秒2M的恒速提升總質量為450KG的水泥塊，試求所需功率。解功率等于力與速度的乘積，因恒速提升，加速度為零，所以僅為重力。2450KG980665M/S2M/S8826W883KWPFCMGC111電阻加熱器的電阻15，現(xiàn)有10A的電流流經電阻絲，求功率。解221510A1500W15KWPEIRI112氣缸中密封有空氣，初態(tài)為31102MPA04MPV，緩慢脹到3208MV。（1）過程中PV保持不變；（2）過程中氣體先循3MPAM0405PV膨脹到306MAV，再維持壓力不變，膨脹到3208MV。分別求出兩過程中氣體作出的膨脹功。解（1）2221111136343DDLN08M0210PA04MLN55410J04MVPVWPVVPVVV工程熱力學第4版習題解5（2）2211DDDAAWPVPVPV2661040510D04050610DAAVVV22611222650504011020504060406040108061001510J2AAAVVVVVV113某種理想氣體在其狀態(tài)變化過程中服從NPV常數(shù)的規(guī)律，其中N是定值，P是壓力；V是比體積。試據(jù)21DWPV導出氣體在該過程中做功為1112111NNPVPWNP解22211111121111DDD1NNNNNNNPVPVVWPVVPVVVVV2211111111112221122112111NNNNNNPVPVPVPVVPVVPVPVPVPNN證畢。114測得某汽油機氣缸內燃氣的壓力與容積對應值如下表所示，求燃氣在該膨脹過程中所作的功。/MPAP1655106907240500039603170245019301033/CMV114711638724581327744096849161573556554870464解21DWPVPV3333316551069MPA10690724MPA638711471M2207240500MPA2458116387M3277424581M205000396MPA03960317MPA4096832774M03170245MPA4916140968M52333735549161M02450193MPA01930103MPA6554857355M227046465548M3047J工程熱力學第4版習題解6115有一絕對真空的鋼瓶，當閥門的打開時，在大氣壓50101310PAP的作用下有體積為301M的空氣被輸入鋼瓶，求大氣對輸入鋼瓶的空氣所作功為多少解5340101310PA01M101310J1013KJWPV116某種氣體在氣缸中進行一緩慢膨脹過程。其體積由301M增加到3025M。過程中氣體壓力循3MPAM02404PV變化。若過程中氣缸與活塞的摩擦保持為1200N；當?shù)卮髿鈮毫?1MPA；氣缸截面積為201M，試求（1）氣體所作的膨脹功W；（2）系統(tǒng)輸出的有用功UW；（3）若活塞與氣缸無摩擦，系統(tǒng)輸出的有用功U,REW。解活塞移動距離33212025M01M15M01MVVLA（1）氣體膨脹作功22222121112226D02404D0240202402501M0202501M0025510JWPVVVVVVV氣體膨脹排拆大氣功602101MPA025M01M001510JWPVV摩擦耗功“1200N15M1800JWFL（2）有用功66U“0025510J001510J1800J8700JWWWW（3）有用功66U,RE0025510J001510J10500JWWW117某蒸汽動力廠加入鍋爐的每1MW能量要從冷凝器排出058MW能量，同時水泵消耗002MW功，求汽輪機輸出功率和電廠的熱效率。解T12C1MW058MW002MW044MWPP工程熱力學第4版習題解72T1058MW110421MW118汽車發(fā)動機的熱效率為35，車內空調器的工作性能系數(shù)為3，求每從車內排除1KJ熱量消耗燃油能量。解汽車發(fā)動機輸出循環(huán)凈功1TWQ空調器耗功CQW所以C1TT1KJ0952KJ0353QWQ119據(jù)統(tǒng)計資料，某地各發(fā)電廠平均發(fā)1KWH的電耗標煤372G，若標煤的熱值是29308KJ/KG，試求電廠平均熱效率T是多少解NETT13600KJ3300372KG29308KJ/KGWQ120某空調器輸入功率15KW需向環(huán)境介質輸出熱量51KW，求空調器的制冷系數(shù)。解制冷速率21C51KW15KW36KWP制冷系數(shù)2C36KW2415KWP121某房間冬季通過墻壁和窗子向外散熱70000KJ/H，房內有2只40W電燈照明，其他家電耗電約100W，為維持房內溫度不變，房主購買供暖系數(shù)為5的熱泵，求熱泵最小功率。解熱泵供暖速率為3170000KJ/H240J/S100J/S101926KW3600S/H因1P，故11926KW385KW5P122一所房子利用供暖系數(shù)為21熱泵供暖維持20，據(jù)估算室外大氣溫度每低于房內工程熱力學第4版習題解8溫度1，房子向外散熱為08KW，若室外溫度為10，求驅動熱泵所需的功率。解熱泵供暖系數(shù)1P，為維持房子內溫度需使散熱與熱泵供熱平衡，所以1108KWC2010C24KWDD124KW1143KW21P123若某種氣體的狀態(tài)方程為GPVRT，現(xiàn)取質量1KG的該種氣體分別作兩次循環(huán)，如圖15中循環(huán)1231和循環(huán)4564所示，設過程12和過程45中溫度不變都等于AT，過程23和56中壓力不變，過程31和46中體積不變。又設狀態(tài)3和狀態(tài)6溫度相等，都等于BT。試證明兩個循環(huán)中1KG氣體對外界所作的循環(huán)凈功相同。證明循環(huán)1231和循環(huán)4564中過程12和45都是等圖15溫過程，ATT，據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，GPVRT，可知GGARTRTPVV2211GA212GA1DDLNVVVVRTVWPVVRTVV5544GA345GA4DDLNVVVVRTVWPVVRTVV根據(jù)已知條件134632652536ABVVVVPPPPTTTTTT，得G23A2223132G3BRTPTVVTVVPRTTT；G55565A465G66BRTVVPTTVVPRTTT故5214VVVV即1245WW過程23和56都是等壓過程，故232323322GBAWPVVPVPVRTT565656655GBAWPVVPVPVRTT工程熱力學第4版習題解92356WW過程31和64中V不變，故功為零。綜上兩循環(huán)的凈功相等，即NET1231122331455664NET4564WWWWWWWW，證畢。第二章熱力學第一定律21一輛汽車1小時消耗汽油341升，已知汽油發(fā)熱量為44000KJ/KG，汽油密度3075G/CM。測得該車通過車輪出的功率為64KW，試求汽車通過排氣，水箱散熱等各種途徑所放出的熱量。解汽油總發(fā)熱量33334110M750KG/M44000KJ/KG1125300KJQ汽車散發(fā)熱量OUT36001125300643600KJ/H894900KJ/HQQW22質量為1275KG的汽車在以60000M/H速度行駛時被踩剎車止動，速度降至20000M/H，假定剎車過程中05KG的剎車帶和4KG鋼剎車鼓均勻加熱，但與外界沒有傳熱，已知剎車帶和鋼剎車鼓的比熱容分別是11KJ/KGK和046KJ/KGK，求剎車帶和剎車鼓的溫升。解汽車速度降低，動能轉化為剎車帶和剎車鼓的熱力學能，沒有傳熱和對外作功，故22CAR212102MCCUUE160000M1667M/S3600SC，220000M556M/S3600SC21S,SB,B21VVUUMCMCTT22CAR2121S,SB,B2221275KG1667M/S556M/S659C205KG11KJ/KGK4KG046KJ/KGKVVMCCTTMCMCD231KG氧氣置于圖21所示氣缸內，缸壁能充分導熱，且活塞與缸壁無磨擦。初始時氧氣壓力為05MPA，溫度為27，若氣缸長度2L，活塞質量為10KG。試計算拔除釘后，活塞可能達到最大速度。工程熱力學第4版習題解10解可逆過程對外界作功最大，故按可逆定溫膨脹計算2G1LN2026KJ/KGK2731527KLN5409KJ/KGVWRTVALAL2200212MMWWCPVVC（A）圖21G3111611KG260J/KGK30015K01561M0510PAMRTVP321203122MVV代入式（A）363225409J/KG1KG100110PA01561M877M/S10KGC24氣體某一過程中吸收了50J的熱量，同時，熱力學能增加84J，問此過程是膨脹過程還是壓縮過程對外作功是多少J解取氣體為系統(tǒng)，據(jù)閉口系能量方程式50J84J34JWQU所以過程是壓縮過程，外界對氣體作功34J。25在冬季，工廠車間每一小時經過墻壁和玻璃等處損失熱量6310KJ，車間中各種機床的總功率是375KW，且最終全部變成熱能，另外，室內經常點著50盞100W的電燈，若使該車間溫度保持不變，問每小時需另外加入多少熱量解要使車間保持溫度不變，必須使車間內每小時產生的熱量等散失的熱量，即MEL0QQQQQB6M375KJ/S3600S13510KJQE5001KJ/S3600S18000KJQ6L310KJQ66LME310KJ13510KJ18000KJ1632000KJQQQQB26夏日，為避免陽光直射，密閉門窗，用電扇取涼，若假定房間內初溫為28，壓力為01MPA，電扇的功率為006KW，太陽直射傳入的熱量為01KW，若室內有三人，每人每工程熱力學第4版習題解11小時向環(huán)境散發(fā)的熱量為4187KJ，通過墻壁向外散熱1800KJ/H，試求面積為215M，高度為30M的室內空氣每小時溫度的升高值，已知空氣的熱力學能與溫度關系為K072KJ/KGUT。解室內空氣總質量62G0110PA15M30M5206KG287J/KGK2827315KPVMRT取室內空氣為系統(tǒng)，QUW，因0W，所以UQ07201006KJ/S36004187KJ31800KJ086K0725206KGQTMS27有一飛機的彈射裝置，如圖22，在氣缸內裝有壓縮空氣，初始體積為3028M，終了體積為3099M，飛機的發(fā)射速度為61M/S，活塞、連桿和飛機的總質量為2722KG。設發(fā)射過程進行很快，壓縮空氣和外界間無傳熱現(xiàn)象，若不計摩擦力，求圖22發(fā)射過程中壓縮空氣的熱力學能變化。解取壓縮空氣為系統(tǒng)，QUW，其中，0Q202122MWPVVC20212632322722KG0110PA099028M61M/S513510J2MUPVVC28如圖23所示，氣缸內空氣的體積為30008M，溫度為17。初始時空氣壓力為01013MPA，環(huán)境大氣壓力B01MPAP，彈簧呈自由狀態(tài)?，F(xiàn)向空氣加熱，使其壓力升高，并推動活塞上升而壓縮彈簧。已知活塞面積為2008M，彈簧剛度為40000N/MK，空氣熱力學能變化關系式為KJ/KGK0718UT。試求，使氣缸內空氣壓力達到015MPA所需的熱量。圖23工程熱力學第4版習題解12解先求活塞質量，初始時彈簧呈自由狀態(tài)PB1GMPAPA621BP2010130110PA008M1061KGG980665M/SPPAM空氣質量63311AG10101310PA0008M97310KG287J/KGK29015KPVMRT3120008M01M008MVHA終態(tài)2BP2GPPAMKX，2BP2GPPAMXK62220150110PA008M1061KG981M/S00974M40000N/MX2322008M0100974M00158MVAHX632223AG01510PA00158M84826K97310KG287J/KGKPVTMR213A97310KG0718KJ/KGK8482629015K390KJVUMCTTB222P1GDDAMKXWPVPAXA222BPBP21211622GDG20110PA008M1061KG981M/S00974M40000N/M00974M979J098KJ2KPAMKXXPAMXXXX390KJ098KJ488KJQUW29有一橡皮球，當其內部氣體的壓力和大氣壓相同，為01MPA時呈自由狀態(tài)，體積為303M。氣球受火焰照射而受熱，其體積膨脹一倍，壓力上升為015MPA，設氣球內的壓力與體積成正比。試求（1）該過程中氣體作的功；（2）用于克服橡皮氣球彈力所作的功，若初工程熱力學第4版習題解13始時氣體溫度為17，求球內氣體吸熱量。已知該氣體的氣體常數(shù)G287J/KGKR，其熱力學能KJ/KGK072UT。解據(jù)題意0PPPKVB（A）3103MV時0P；3206MV時，005MPAP。代入式（A），解得005B，0166K。所以01667005PV6311G10110PA03M0360KG287J/KGK29015KPVMRT（1）過程中氣體作的功21212016DD016670050110D37500J375KJVVVVWPVPPVVV（2）克服橡皮氣球彈力所作的功6300210110PA0603M30000J30KJWPVVE375KJ30KJ75KJWWW0（3）氣體吸熱量63222G01510PA06M87108K0360KG287J/KGKPVTMR210360KG072J/KGK8710829015K375KJ1881KJQUWMUUW210空氣在某壓氣機中被壓縮，壓縮前空氣的參數(shù)是101MPAP，310845MKGV。壓縮后的參數(shù)是201MPAP，320175MKGV。設在壓縮過程中1KG空氣的熱力學能增加1390KJ同時向外放出熱量50KJ。壓氣機每分鐘產生壓縮空氣10KG。求（1）壓縮過程中對1KG氣體所作的體積變化功；（2）生產1KG的壓縮空氣所需的功（技術功）；（3）帶動此壓氣機要用多大功率的電動機工程熱力學第4版習題解14解（1）已知50KJ/KGQ，1390KJ/KGU由閉口系能量方程QUW得50KJ1390KJ1895KJ/KGWQU即壓縮過程中壓氣機對1KG氣體作功1890KJ（2）壓氣機是開口熱力系，壓氣機耗功CTWW。由穩(wěn)定流動開口系能量方程TQHW，得T221333350KJ/KG1390KJ/KG0810KPA0175M/KG0110KPA0845M/KG2445KJ/KGWQHQUPVQUPVPV即每生產1公斤壓縮空氣所需技術功為2445KJ。（3）壓氣機每分鐘生產壓縮空氣10KG，故帶動壓氣機的電機功率為T1KG/S2445KJ/KG408KW6MNQW211某建筑物的排氣扇每秒能把25KG/S壓力為98KPA，溫度為20的空氣通過直徑為04M的排氣孔排出，經過排氣扇后氣體壓力升高50MMH2O，但溫度近似不變，試求排氣扇的功率和排氣速度。解2198000PA50981PA984905PAPPPG1311287J/KGK29315K08585M/KG98000PARTVPG2322287J/KGK29315K08542M/KG984905PARTVP排氣扇后的壓力和溫度計算空氣質量流量2F212GG4VMDCPPQQRTRT所以GF22224425KG/S287J/KGK29315K170M/S984905PA04MMQRTCPD由能量方程22F1F21122GG0QMMCCQQHZQHZP工程熱力學第4版習題解152F222112332170M/S98491KPA08542M/KG98KPA08585M/KG2100025KG/S0365KWMCPPVPVQ212進入蒸汽發(fā)生器中內徑為30MM管子的壓力水參數(shù)為10MPA、30，從管子輸出時參數(shù)為9MPA、400，若入口體積流量為3L/S，求加熱率。已知，初態(tài)時1348KJ/KGH、300010M/KGV；終態(tài)時31175KJ/KGH、300299M/KGV。解管截面積2242003M706910M44DA31F1420003M/S4244M/S706910MVQCA3310003M/S3KG/S0001M/KGVMQQV123212F2F12100299M/S4244M/S1269M/S00010MVVVQQVVCCAAV2221F2F122121269M4244M3KG/S311751348KJ/KG89722KW21000MQHHCC213某蒸汽動力廠中鍋爐以40T/H的蒸汽供入蒸汽輪機。進口處壓力表上讀數(shù)是9MPA，蒸汽的焓是3441KJ/KG。蒸汽輪機出口處真空表上的讀數(shù)是00974MPA，出口蒸汽的焓是2248KJ/KG，汽輪機對環(huán)境散熱為568110KJ/H。求（1）進、出口處蒸汽的絕對壓力，（當場大氣壓是101325PA）；（2）不計進、出口動能差和位能差時汽輪機的功率；（3）進口處蒸汽為70M/S，出口處速度為140M/S時對汽輪機的功率有多大的影響；（4）蒸汽進出、口高度并差是16M時，對汽輪機的功率又有多大影響工程熱力學第4版習題解16解（1）1E,1B9MPA0101325MPA91MPAPPP22BV,20101325MPA00974MPA0392510MPAPPP（2）據(jù)穩(wěn)流能量方程，TQHW5681101000KJ/S40KG/S34412248KJ/KG130667KW36003600MPHQH（3）若計及進出口動能差，則2221IF2F12MMQQHHPCC22IFF322324010130667KJ/S140M/S70M/S1023600130667KJ/S817KJ/S12985KWMMQPQHCC即汽輪機功率將減少817KW（4）若計及位能差，則I2“40000KG/H130667KJ/S981M/S14M3600S130667KJ/S0174KJ/S130669KWMMPQHQGZ已汽輪機功率將增加0174KW。214500KPA飽和液氨進入鍋爐加熱成干飽和氨蒸氣，然后進入壓力同為500KPA的過熱器加熱到275K，若氨的質量流量為0005KG/S，求鍋爐和過熱器中的換熱率。已知氨進入和離開鍋爐時的焓分別為123962KJ/KG“2232KJ/KGHHHH、，氨離開過熱器時的焓為251KJ/KGH。解由題意，氨進入和離開鍋爐及離開過熱器時的焓分別為13962KJ/KGHH，2“2232KJ/KGHH，251KJ/KGH鍋爐中的換熱率B210005KG/S2232KJ/KG3962KJ/KG0865KWMQHH工程熱力學第4版習題解17換熱器中的換熱率E320005KG/S251KJ/KG2232KJ/KG0991KWMQHH215向大廈供水的主管線在地下5M進入時，管內壓力600KPA。經水泵加壓，在距地面150M高處的大廈頂層水壓仍有200KPA，假定水溫為10，流量為10KG/S，忽略水熱力學能差和動能差，假設水的比體積為30001M/KG，求水泵消耗的功率。解整個水管系統(tǒng)從5M到150M。據(jù)穩(wěn)定流動能量方程有22F1F21122S0CCQHGZHGZW據(jù)題意，12120QTTUU、，所以S2213323200KPA0001M/KG600KPA0001M/KG981M/S150M5M10112KJ/KGWPVPVGZS10KG/S112KJ/KG112KWMPQW216用一臺水泵將井水從6M深的井里泵到比地面高30M的水塔中，水流量為325M/H，水泵耗功是12KW。冬天井水溫度為35，為防止冬天結冰，要求進入水塔的水溫不低于4。整個系統(tǒng)及管道均包有一定厚度的保溫材料，問是否有必要在管道中設置加熱器如有必要的話需加入多少熱量設管道中水進、出口動能差可忽略不計；水的比熱容取定值4187KJ/KGKPC且水的焓差PHCT，水的密度取31000KG/M。解22F2F121S2MQHCCMGZZW忽略管道中水進出口的動能差212121SSPQMMQQHGEEPQCTTGZZP33234M25/H1000KG/M4187KJ/KGK435C3600981M/S306M1012KJ/S499KJ/S1810KJ/HD所以有必要加入加熱器，加熱量最小為41810KJ/H。217一種工具利用從噴嘴射出的高速水流進行切割，若供水壓力200KPA、溫度20，噴嘴內徑為0002M，射出水流溫度20，流速1000M/S，假定噴嘴兩側水的熱力學能變化可工程熱力學第4版習題解18略去不計，求水泵功率。已知，在200KPA、20時水的比體積30001002M/KGV解2F21000M/S0002M3135KG/S40001002M/KGVMQCAQVV能量方程22F1F21122S0CCQHGZHGZW據(jù)題意，1212210QTTUUZZ、，所以22F2F2S22121231000M/S100200KPA0001002M/KG5000KJ/KG21000CCWPVPVPPV3135KG/S5000KJ/KG15672KWMSPQW218一剛性絕熱容器，容積為30028MV，原先裝有壓力為01MPA、溫度為21的空氣。現(xiàn)將與此容器連接的輸氣管道閥門打開，向容器充氣。設輸氣管道內氣體的狀態(tài)參數(shù)07MPA21CPT，保持不變。當容器中壓力達到02MPA時，閥門關閉。求容器內氣體到平衡時的溫度。設空氣可視為理想氣體，其熱力學能與溫度的關系為KJ/KGK072UT；焓與溫度的關系為KJ/KGK1005HT。解取剛性容器為控制體，則22CVF2F2221F111I11DQEHCGZMHCGZMW據(jù)題意，0Q，I0W，20M，12F2C和21GZZ可忽略不計，所以CV11ININDDEHMHM積分，CVININEHM。因CVEU，IN21MMM，所以221121INMUMUMMHIN2111IN2111222PVVVCTMMMCTHMMMUTMCMC（A）工程熱力學第4版習題解1963111G10210PA0028M00332KG287J/KGK29415KPVMRT6222G22202100028195287PVMRTTT（B）聯(lián)立求解式（A）、（B）得200571KGM，234269KT219醫(yī)用氧氣袋中空時是扁平狀態(tài)，內部容積為零。接在壓力為14MPA，溫度為17的鋼質氧氣瓶上充氣。充氣后氧氣袋隆起，體積為30008M，壓力為015MPA。由于充氣過程很快，氧氣袋與大氣換熱可以忽略不計，同時因充入氧氣袋內氣體質量與鋼瓶氣體內質量相比甚少，故可以認為鋼瓶內氧氣參數(shù)不變。設氧氣可作為理想氣體，其熱力學能和焓可表示為KJ/KGK0657UT，KJ/KGK0917HT，理想氣體服從GPVMRT。求充入氧氣袋內氧氣的質量氧氣G260J/KGKR。解據(jù)能量方程22FFCVOUTINIDCCQEHGZMHGZMW據(jù)題意，0Q，OUT0M，CVDDEU，忽略IN2F,2C和INGZ，則ININID0UHMW因I0DWPV，且氧氣袋內氧氣質量即充入氧氣的質量，所以積分后22IN20210MUHMPVV22IN020MUHPV（A）又222G2PVMRTB將322015MPA0008MPV，22KJ/KGK0657UT，ININKJ/KGK0917HT，代入式（A）、（B），解得231320KT，200147KGM工程熱力學第4版習題解20220兩個體重都是80KG的男子每天吃同樣的食物，完成相同的工作，但A每天上下班步行60MIN，而B則每天駕駛汽車20MIN上下班，另40MIN用于看電視，試確定100工作日后這兩人的體重差。解每個工作日男子A比B多消耗能量80KG20401H1810KJ/HH755KJ/HH300KJ/H15980KJ68KG6060Q100工作日后兩人的體重差15980KJ100404KG398MPAM221一間教室通過門窗散發(fā)熱量25000KJ/H，教室內有30名師生，15套電子計算機，若每人散發(fā)的熱量是100W，每臺計算機功率120W，為了保持室內溫度，是否有必要打開取暖器解取室內空氣為系統(tǒng)，可以認為空氣溫度是溫度的函數(shù)因0W，為保持溫度不變31225000KJ/H30100W15120W10214KW3600S/HQQQ所以需打開取暖器補充熱量。222一位55KG的女士經不住美味的誘惑多吃了025L冰激凌，為了消耗這些額外的冰激凌的能量她決定以72KM/H的速度步行55KM回家，試確定她能否達到預期目的解如果步行消耗的熱量與025L冰激凌提供的熱量相當，她即能達到預期目的。025L冰激凌提供的熱量250ML460KJ/ML1150KJQ55KG的女士步行55KM消耗的熱量55KG55KM1810KJ11183KJ68KG72KMQQQ，但相差微小，所以她基本上可以達到預期目的。第三章氣體和蒸氣的性質31已知氮氣的摩爾質量328110KG/MOLM，求（1）2N的氣體常數(shù)GR；工程熱力學第4版習題解21（2）標準狀態(tài)下2N的比體積V0和密度0；（3）標準狀態(tài)31M2N的質量M0；（4）01MPAP、500CTD時2N的比體積V和密度；（5）上述狀態(tài)下的摩爾體積MV。解（1）通用氣體常數(shù)83145J/MOLKR，查附表23N280110KG/MOLM。22G,N3N83145J/MOLK0297KJ/KGK280110KG/MOLRRM（2）1MOL氮氣標準狀態(tài)時體積為22233M,NNN22410M/MOLVMV，故標準狀態(tài)下2233M,N3N322410M/MOL08M/KG280110KG/MOLVVM223N3N11125KG/M08M/KGV（3）標準狀態(tài)下31M氣體的質量即為密度，即0125KGM。（4）由理想氣體狀態(tài)方程式GPVRTG36297J/KGK500273K2296M/KG0110PARTVP331104356KG/M2296M/KGV（5）222333M,NNN280110KG/MOL2296M/KG642910M/MOLVMV32壓力表測得儲氣罐中丙烷38CH的壓力為44MPA，丙烷的溫度為120，問這時比體積多大若要儲氣罐存1000KG這種狀態(tài)的丙烷，問儲氣罐的體積需多大解由附表查得383CH440910KG/MOLM3838G,CH3CH83145J/MOLK189J/KGK440910KG/MOLRRM由理想氣體狀態(tài)方程式GPVRT工程熱力學第4版習題解22G36189J/KGK120273K001688M/KG4410PARTVP331000KG001688M/KG1688MVMV或由理想氣體狀態(tài)方程GPVMRTG361000KG189J/KGK120273K1688M4410PAMRTVP33供熱系統(tǒng)矩形風管的邊長為100MM175MM，40、102KPA的空氣在管內流動，其體積流量是00185M3/S，求空氣流速和質量流量。解風管面積22100MM175MM17500MM00175MA空氣流速3F200185M/S106M/S00175MVQCA空氣質量流量33G10210PA00175M/S0020KG/S287J/KGK27335KVMPQQRT34一些大中型柴油機采用壓縮空氣啟動，若啟動柴油機用的空氣瓶體積303MV，內裝有18MPAP，1303KT的壓縮空氣，啟動后瓶中空氣壓力降低為2046MPAP，2303KT，求用去空氣的質量。解根據(jù)物質的量為N的理想氣體狀態(tài)方程，使用前后瓶中空氣的狀態(tài)方程分別為111PVNRT，222PVNRT用掉空氣的量3661212103M810PA4610PA405MOL83145J/MOLK303KVPPNNRT由附表查得空氣的相對分子質量RM2897，即摩爾質量3289710KG/MOLM，故用掉空氣的質量31212289710KG/MOL405MOL1173KGMMMNN工程熱力學第4版習題解2335空氣壓縮機每分鐘從大氣中吸入溫度B17CT，壓力等于當?shù)卮髿鈮毫750MMHGP的空氣302M，充入體積為31MV的儲氣罐中。儲氣罐中原有空氣的溫度117CT，表壓力E1005MPAP，參見圖31。問經過多長時間儲氣罐內氣體壓力才能提高到207MPAP，溫度250CT圖31習題35附圖解利用氣體的狀態(tài)方程式GPVMRT，充氣前儲氣罐里空氣質量511G1GG750051015172175006217273PVMRTRR充氣后儲氣罐里空氣質量522G2GG710121671850273PVMRTRR已知壓氣機吸入空氣體積流率IN302M/MINVQ，故質量流量INININ5INBGINGINGG7501002689675006217273VVMPQPQQRTRTRR若充氣時間為分鐘，由質量守恒IN21MQMM，得INGG21G216718/51721/2393MIN6896/MRRMMQR36鍋爐燃燒需要的空氣量折合標準狀態(tài)為35000M/H，鼓風機實際送入的是溫度為250C、表壓力為150MMHG的熱空氣。已知當?shù)卮髿鈮毫锽765MMHGP。設煤燃燒后產生的煙氣量與空氣量近似相同，煙氣通過煙囪排入上空，已知煙囪出口處煙氣壓力為201MPAP，溫度2480KT，要求煙氣流速為F3M/SC（圖32）。求圖32習題36附圖（1）熱空氣實際狀態(tài)的體積流量,INVQ；（2）煙囪出口內直徑的設計尺寸。工程熱力學第4版習題解24解（1）標準狀態(tài)下000101325MPA273KPT，33M22410M/MOLV。送入鍋爐的空氣的量0M,03335000M/H22321KMOL/H0062KMOL/S22410M/MOLVNVQQQ實際送風的體積流率IN3522321KMOL/H83145J/MOLK250273K79627M/H15076510PA750062NVQRTQP或000VVPQPQRTRT0303IN50101325PA5000M/H523K79627M/H15076510PA273K750062VVPQTQPT（2）煙囪出口處煙氣的體積流量32OUT620062MOL/S83145J/MOLK480K24745M/S0110PANVQRTQP設煙囪出口截面直徑為D2OUTFD4VQC3OUTF4424745M/D1025M3M/SVQSC37煙囪底部煙氣的溫度為250C，頂部煙氣的溫度為100C，若不考慮頂、底部兩截面間壓力微小的差異，欲使煙氣以同樣的速度流經此兩截面，求頂、底部兩截面面積之比。解設頂、底部兩截面面積分別為1A和2A，頂、底部兩截面上質量流量相同，即12MMQQ，2F21F121ACACVV由狀態(tài)方程式可以得出2211122211373K07132523KVMVMQPQTTQPQTT因流速相同，F(xiàn)2F1CC工程熱力學第4版習題解252122112211114VMVMVVQQQAVAVQQQ38截面積2100CMA的氣缸內充有空氣，活塞距底面高度10CMH，活塞及負載的總質量是195KG（見圖33）。已知當?shù)卮髿鈮毫?771MMHGP，環(huán)境溫度為027CT，氣缸內空氣外界處于熱力平衡狀態(tài)，現(xiàn)將其負載取去100KG，活塞將上升，最后與環(huán)境重新達到熱力平衡。設空氣可以通過氣缸壁充分與外界換熱，達到熱力平衡時，空氣的溫圖33習題38附圖度等于環(huán)境大氣的溫度。求活塞上升的距離，空氣對外作出的功以及與環(huán)境的換熱量。解據(jù)題意，活塞上負載未取走前氣缸內氣體的初始狀態(tài)為11B2143771195KG980665M/S10MPA0294MPA75006210010MMGPPA127273K300KT23331100CM10CM10CM10MV取走負載100KG后，因活塞與氣缸壁間無摩擦，又能充分與、外界交換熱量，最后重新建立熱力平衡時，氣缸內壓力與溫度等于外界的壓力與溫度，故22B2142771195100KG980665M/S10MPA0196MPA75006210010MMGPPA227273300KT由112212PVPVTT得333312120294MPA10M1510M0196MPAPVVP上升距離33214215110M005M5CM10010MVVVHAA氣缸內氣體由狀態(tài)1到狀態(tài)2，其間經過的是非準平衡過程，所以不能用21DWPV求解工程熱力學第4版習題解26過程功，但氣缸內氣體所做的功等于克服外力的功，故6422019610PA005M10010M98JWPAH理想氣體21TT時即21UU，所以98JQUWW39空氣初態(tài)時11480K02MPATP，經某一狀態(tài)變化過程被加熱到21100KT，這時205MPAP。求1KG空氣的1212UUUHHH、。（1）按平均質量熱容表；（2）按空氣的熱力性質表；（3）若上述過程為定壓過程，即1480KT，21100KT，1202MPAPP，問這時的1212UUUHHH、有何改變（4）對計算結果進行簡單的討論為什么由氣體性質表得出的UH，與平均質量熱容表得出的UH，不同兩種方法得出的UH，是否相同為什么解（1）11273480273207CTT，222731100273827CTT由附表查得空氣的氣體常數(shù)G0287KJ/KGKR及207C827C0C0C10125KJ/KGK10737KJ/KGK|PPCC，207C207CG0C0C10125KJ/KGK0287KJ/KGK07255KJ/KGK|VPCCR827C827CG0C0C10737KJ/KGK0287KJ/KGK07867KJ/KGK|VPCCR207C110C827C220C07255KJ/KGK207C1502KJ/KG07867KJ/KGK827C6506KJ/KG|VVUCTUCTDD216506KJ/KG1502KJ/KG5004KJ/KGUUU207C110C827C220C10125KJ/KGK207C2096KJ/KG10737KJ/KGK827C8879KJ/KG|PPHCTHCTDD218879KJ/KG2096KJ/KG6783KJ/KGHHH（2）利用空氣的熱力性質表根據(jù)12480K1100KTT，查得1248449KJ/KG116295KJ/KGHH，由定義工程熱力學第4版習題解2711G122G2212148449KJ/KG0287KJ/KGK480K34673KJ/KG116295KJ/KG0287KJ/KGK1100K84725KJ/KG84725KJ/KG34673KJ/KG50052KJ/KG116295KJ/KG48449KJ/KG67846KJ/KGUHRTUHRTUUUHHH（3）因為理想氣體的UH、只是溫度的函數(shù)，而與壓力的大小無關，所以不論過程是否定壓，只要是12480K1100KTT，不變，則1212UUHH、的數(shù)值與上相同，當然UH、也不會改變；（4）用氣體性質表得出的UH、是以0K為計算起點，而用比熱表求得的UH、是以0C為計算起點，故UH、值不同，但兩種方法得出的UH、是相同的。310體積305MV的密閉容器中裝有27C、06MPA的氧氣，加熱后溫度升高到327C，（1）按定值比熱容；（2）按平均熱容表；（3）按理想氣體狀態(tài)的比熱容式；（4）按平均比熱容直線關系式；（5）按氣體熱力性質表，求加熱量VQ。解（1）由低壓時氣體的比熱容表查得127273300KT和2327273600KT時，10658KJ/KGKVC時，20742KJ/KGKVC。600K300K0658KJ/KGK0742KJ/KGK07005KJ/KGK2|VC附表中查出23O32010KG/MOLM，2G3O83145J/MOLK260J/KGK32010KG/MOLRRM由理想氣體的狀態(tài)方程式11G1PVMRT631G0610PA05M3846KG260J/KGK27273KPVMRT600K21300K3846KG07005KJ/KGK600300K80827KJ|VVQMCTT（2）63110610PA05M1203MOL83145J/MOLK27273KPVNRT由附表查出127CT和2327CT時，27C,M0C29345J/MOLK|PC，327C,M0C30529J/MOLK|PC。因此工程熱力學第4版習題解2827C27C,