工程热力学(第五版_)课后习题答案(含题目).doc
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1、优质文本工程热力学第五版 课后习题答案2-2.的M28,求1的气体常数;2标准状态下的比容和密度;3,时的摩尔容积。解:1的气体常数296.92标准状态下的比容和密度0.81.253,时的摩尔容积64.272-3把CO2压送到容积3m3的储气罐里,起始表压力kPa,终了表压力Mpa,温度由t145增加到t270。试求被压入的CO2的质量。当地大气压B101.325 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CO2的质量压送后储气罐中CO2的质量根据题意容积体积不变;R188.91234压入的CO2的质量5将1、(2)、(3)、(4)代入5式得m=12.02kg2-5当外界
2、为标准状态时,一鼓风机每小时可送300 m3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 m3,问鼓风机送风量的质量改变多少?解:同上题41.97kg2-6 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 m3,充入容积8.5 m3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kg压缩机每分钟充入空气量kg所需时间19.83min第二种解法将空气充入储气罐
3、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 m3的空气在0.1MPa下占体积为多少的问题。根据等温状态方程0.7MPa、8.5 m3的空气在0.1MPa下占体积为 m3压缩机每分钟可以压缩0.1MPa的空气3 m3,那么要压缩59.5 m3的空气需要的时间19.83min28 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B101kPa,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?解:热力系:气缸和活塞
4、构成的区间。使用理想气体状态方程。1空气终态温度582K2空气的初容积p=30009.8/(r2)+101000=335.7kPa0.527 m3空气的终态比容0.5 m3/kg或者0.5 m3/kg3初态密度4 kg /m32 kg /m32-9 解:1氮气质量7.69kg2熔化温度361K214 如果忽略空气中的稀有气体,那么可以认为其质量成分为,。试求空气的折合分子量、气体常数、容积成分及在标准状态下的比容和密度。解:折合分子量28.86气体常数288容积成分20.9120.979.1标准状态下的比容和密度1.288 kg /m30.776 m3/kg2-15 天然气的容积成分,。试求:
5、(1) 天然气在标准状态下的密度;(2) 各组成气体在标准状态下的分压力。解:1密度16.482各组成气体在标准状态下分压力因为:98.285kPa同理其他成分分压力分别为:略31 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。2.67105kJ1热力系:礼堂中的
6、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。35,有一闭口系统,从状态1经a变化到状态2,如图,又从状态2经b回到状态1;再从状态1经过c变化到状态2。在这个过程中,热量和功的某些值,如表,试确定未知量。过程热量QkJ膨胀功WkJ1-a-210x12-b-1-7-41-c-2x22解:闭口系统。使用闭口系统能量方程(1)对1-a-2和2-b-1组成一个闭口循环,有即107x1+4x1=7 kJ(2)对1-c-2和2-b-1也组成一个闭口循环x272+4x2=5
7、kJ(3)对过程2-b-1,根据3 kJ3-6 一闭口系统经历了一个由四个过程组成的循环,试填充表中所缺数据。过程QkJWkJEkJ12110001100230100-10034-9500-95045050-50解:同上题3-7解:热力系:1.5kg质量气体闭口系统,状态方程:90kJ由状态方程得1000a*0.2+b200=a*1.2+b解上两式得:a=-800b=1160那么功量为900kJ过程中传热量990 kJ38 容积由隔板分成两局部,左边盛有压力为600kPa,温度为27的空气,右边为真空,容积为左边5倍。将隔板抽出后,空气迅速膨胀充满整个容器。试求容器内最终压力和温度。设膨胀是在
8、绝热下进行的。解:热力系:左边的空气系统:整个容器为闭口系统过程特征:绝热,自由膨胀根据闭口系统能量方程绝热自由膨胀W0因此U=0对空气可以看作理想气体,其内能是温度的单值函数,得根据理想气体状态方程100kPa3-9一个储气罐从压缩空气总管充气,总管内压缩空气参数恒定,为500 kPa,25。充气开始时,罐内空气参数为100 kPa,25。求充气终了时罐内空气的温度。设充气过程是在绝热条件下进行的。解:开口系统特征:绝热充气过程工质:空气理想气体根据开口系统能量方程,忽略动能和未能,同时没有轴功,没有热量传递。没有流出工质m2=0dE=dU=(mu)cv2-(mu)cv1终态工质为流入的工质
9、和原有工质和m0= mcv2-mcv1mcv2 ucv2- mcv1ucv1=m0h0(1)h0=cpT0ucv2=cvT2ucv1=cvT1mcv1=mcv2 =代入上式(1)整理得=398.3K310供暖用风机连同加热器,把温度为的冷空气加热到温度为,然后送入建筑物的风道内,送风量为0.56kg/s,风机轴上的输入功率为1kW,设整个装置与外界绝热。试计算:1风机出口处空气温度;2空气在加热器中的吸热量;3假设加热器中有阻力,空气通过它时产生不可逆的摩擦扰动并带来压力降,以上计算结果是否正确?解:开口稳态稳流系统1风机入口为0那么出口为1.78空气在加热器中的吸热量138.84kW(3)假
10、设加热有阻力,结果1仍正确;但在加热器中的吸热量减少。加热器中,p2减小故吸热减小。311一只0.06m3的罐,与温度为27、压力为7MPa的压缩空气干管相连接,当阀门翻开,空气流进罐内,压力到达5MPa时,把阀门关闭。这一过程进行很迅速,可认为绝热。储罐的阀门关闭后放置较长时间,最后罐内温度回复到室温。问储罐内最后压力是多少?解:热力系:充入罐内的气体由于对真空罐充气时,是焓变内能的过程罐内温度回复到室温过程是定容过程3.57MPa312压力为1MPa和温度为200的空气在一主管道中稳定流动。现以一绝热容器用带阀门的管道与它相连,慢慢开启阀门使空气从主管道流入容器。设1容器开始时是真空的;2
11、容器装有一个用弹簧控制的活塞,活塞的位移与施加在活塞上的压力成正比,而活塞上面的空间是真空,假定弹簧的最初长度是自由长度;3容器装在一个活塞,其上有重物,需要1MPa的压力举起它。求每种情况下容器内空气的最终温度?解:1同上题662K=3892h=cpT0L=kpT=552K=279同2只是W不同T=473K200313解:对理想气体314解:1理想气体状态方程586K2吸热:2500kJ3-15解:烟气放热等于空气吸热1m3空气吸取1.09 m3的烟气的热267kJ205t2=10+205=2153-16解:代入得:582K309317解:等容过程1.437.5kJ3-18解:定压过程T1=
12、216.2KT2=432.4K内能变化:156.3kJ焓变化:218.8 kJ功量交换: 62.05kJ热量交换: =218.35 kJp734-11kg空气在可逆多变过程中吸热40kJ,其容积增大为,压力降低为,设比热为定值,求过程中内能的变化、膨胀功、轴功以及焓和熵的变化。解:热力系是1kg空气过程特征:多变过程0.9因为内能变化为717.51004.53587.58103J膨胀功:32 103J轴功:28.8 103J焓变:1.4811.2 103J熵变:0.8210342 有1kg空气、初始状态为,进行以下过程:1可逆绝热膨胀到;2不可逆绝热膨胀到,;3可逆等温膨胀到;4可逆多变膨胀到
13、,多变指数;试求上述各过程中的膨胀功及熵的变化,并将各过程的相对位置画在同一张图和图上解:热力系1kg空气(1) 膨胀功:111.9103J熵变为0288.3103J116.83195.41030.462103467.1103J189.2K346.44-3具有1kmol空气的闭口系统,其初始容积为1m3,终态容积为10 m3,当初态和终态温度均100时,试计算该闭口系统对外所作的功及熵的变化。该过程为:1可逆定温膨胀;2向真空自由膨胀。解:1定温膨胀功7140kJ19.14kJ/K(2)自由膨胀作功为019.14kJ/K44质量为5kg的氧气,在30温度下定温压缩,容积由3m3变成0.6m3,
14、问该过程中工质吸收或放出多少热量?输入或输出多少功量?内能、焓、熵变化各为多少?解:627.2kJ放热627.2kJ因为定温,内能变化为0,所以内能、焓变化均为0熵变:2.1 kJ/K45为了试验容器的强度,必须使容器壁受到比大气压力高0.1MPa的压力。为此把压力等于大气压力。温度为13的空气充入受试验的容器内,然后关闭进气阀并把空气加热。大气压力B101.3kPa,试问应将空气的温度加热到多少度?空气的内能、焓和熵的变化为多少?解:1定容过程568.3K(2) 内能变化:202.6kJ/kg283.6 kJ/kg0.49 kJ/(kg.K)4-66kg空气由初态p10.3MPa,t1=30
15、,经过以下不同的过程膨胀到同一终压p20.1MPa:1定温过程;2定熵过程;3指数为n1.2的多变过程。试比拟不同过程中空气对外所作的功,所进行的热量交换和终态温度。解:1定温过程573.2 kJT2=T1=302定熵过程351.4 kJQ0221.4K3多变过程252.3K436.5 kJ218.3 kJ47空气的初态为p10.6MPa,v1=0.236m3/kg。经过一个多变过程后终态变化为p20.12MPa,v2=0.815m3/kg。试求该过程的多变指数,以及每千克气体所作的功、所吸收的热量以及内能、焓和熵的变化。解:1求多变指数1.301千克气体所作的功146kJ/kg吸收的热量=3
16、6.5 kJ/kg内能:146-36.5109.5 kJ/kg焓: 153.3 kJ/kg熵:90J/(kg.k)4-81kg理想气体由初态按可逆多变过程从400降到100,压力降为,该过程的膨胀功为200kJ,吸热量为40 kJ,设比热为定值,求该气体的和解:kJ533J/(kg.k)=200 kJ解得:n1.49R=327 J/(kg.k)代入解得:533+327=860 J/(kg.k)4-9将空气从初态1,t1=20,定熵压缩到它开始时容积的1/3,然后定温膨胀,经过两个过程,空气的容积和开始时的容积相等。求1kg空气所作的功。解:-116 kJ/kg454.7K143.4 kJ/kg
17、w=w1+w2=27.4 kJ/kg4-101kg氮气从初态1定压膨胀到终态2,然后定熵膨胀到终态3。设以下各参数:t1=500,v2=0.25m3/kg ,p30.1MPa,v3=1.73m3/kg。求11、2、3三点的温度、比容和压力的值。2在定压膨胀和定熵膨胀过程中内能的变化和所作的功。解:(1)1.5 MPa1263Kp1=p2=1.5 MPav1=0.15 m3/kg=583 K(2) 定压膨胀364 kJ/kg145.4 kJ/kg定熵膨胀505 kJ/kg-505 kJ/kg或者:其q=0,= -505 kJ/kg4-111标准m3的空气从初态1 p10.6MPa,t1=300定
18、熵膨胀到状态2,且v2=3v1。空气由状态2继续被定温压缩,直到比容的值和开始时相等,v3=v1,求1、2、3点的参数P,T,V和气体所作的总功。解:0.274 m3/kg 0.129 MPa369KV2=3V1=0.822 m3T3=T2=369KV3=V1=0.274 m30.387 MPa412 压气机抽吸大气中的空气,并将其定温压缩至p25MPa。如压缩150标准m3空气,试求用水冷却压气机气缸所必须带走的热量。设大气处于标准状态。解:-59260kJ4-13活塞式压气机吸入温度t1=20和压力p10.1MPa的空气,压缩到p20.8MPa,压气机每小时吸气量为600标准m3。如压缩按
19、定温过程进行,问压气机所需的理论功率为多少千瓦?假设压缩按定熵过程进行,那么所需的理论功率又为多少千瓦?解:定温:0.215kg/s37.8KW定熵51.3 KW414某工厂生产上需要每小时供给压力为0.6MPa的压缩空气600kg;设空气所初始温度为20,压力为0.1MPa。求压气机需要的最小理论功率和最大理论功率。假设按n1.22的多变过程压缩,需要的理论功率为多少?解:最小功率是定温过程m=600/3600=1/6 kg/s25.1 KW最大功率是定熵过程32.8 KW多变过程的功率29.6 KW415实验室需要压力为6MPa的压缩空气,应采用一级压缩还是二级压缩?假设采用二级压缩,最正
20、确中间压力应等于多少?设大气压力为0.1,大气温度为20,压缩过程多变指数n=1.25,采用中间冷却器能将压缩气体冷却到初温。试计算压缩终了空气的温度。解:压缩比为60,故应采用二级压缩。 中间压力: 0.775MPa =441K 4-16有一离心式压气机,每分钟吸入p10.1MPa,t1=16的空气400 m3,排出时p20.5MPa,t2=75。设过程可逆,试求: (1)此压气机所需功率为多少千瓦? (2)该压气机每分钟放出的热量为多少千焦? 解:1 =8.04kg/s =1.13 1183KW 2 =-712.3kJ/s 417三台空气压缩机的余隙容积均为6,进气状态均为0.1MPa、2
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