1、工程热力学第 4 版习题解 1 工程热力学第工程热力学第 4 版习题解版习题解 本题解是沈维道、童钧耕编写高等教育出版社出版的“十一五”国家级规划教材工程热力学第 4 版的配套资料。本题解提供的解法是从教学的角度出发的，未必是唯一的或是最好的，题解中出现的错误恳请读者批评指正。上海交通大学机械与动力工程学院 童钧耕 2007/11/22 第一章 基本概念 第一章 基本概念 1-1 英制系统中采用华氏温标，它规定在标准大气压（101 325 Pa）下纯水的冰点是32 F，汽点是212 F，试推导华氏温度与摄氏温度的换算关系。解解：CF 0 32212321000tt=FCC1809 32 321
2、005ttt=+=+1-2 英制系统中朗肯温度与华氏温度的关系为RF 459.67Tt=+。已知热力学绝对温标及朗肯温标在纯水冰点的读数分别是 273.15K 和491.67 R；汽点的读数分别是 373.15K 和671.67 R。（1）导出朗肯温度和开尔文温度的关系式；（2）开尔文温标上绝对零度在朗肯温标上是多少度？解解：（1）若任意温度 T 在朗肯温标上读数为(R)T 在热力学绝对温标上读数为 T（K），则 671.67491.67(R)491.67373.15273.15(K)273.15TT=解得 RK 1.8 TT=（2）据上述关系K 0T=时，R 0T=工程热力学第 4 版习题解
3、 2 1-3 设一新温标，用符号N表示温度单位（它的绝对温标是用Q表示温度单位）。规定纯水的冰点和汽点100 N和1000 N。试求：（1）该新温标与摄氏温标的关系；（2）若该温标的绝对零度与热力学温标零度相同，则该温标读数为0 N时，其绝对温标读数是多少Q？解解：（1）NC 100 010001001000tt=NC 9 100tt=+（2）QNCK 9 1009 273.15100TtCtCTC=+=+=+据题意，当K 0T=时，Q 0T=，解得上式中2358.35C=，代回原式得 QN 2358.35Tt=+N 0T=时，2358.385QT=。1-4 直径为 1m 的球形刚性容器，抽气
4、后真空度为 752.5mmHg，若当地大气为0.101MPa，求：（1）容器内绝对压力为多少 Pa；（2）容器表面受力多少 N？解解：（1）6bv0.101 10 Pa752.5mmHg 133.3Pa/mmHg691.75Pappp=（2）2220443.1416 1m12.57mAd=00b266()12.57 m(0.101 10 Pa-691.75Pa)1.261 10 NFApApp=1-5 用U型压力计测量容器中气体的压力，在水银柱上加一段水，则得水柱高 1020mm，水银柱高 900mm，如图 1-1 所示，若当地大气压为 755mmHg，求容器中气体的压力（MPa）。解：解：e
5、b5(1020 9.81)Pa(900 133.3)Pa(755 133.3)Pa2.306 10 Pa0.231MPappp=+=+=图 1-1 1-6 容器中的真空度为v600mmHgp=，气压计上水银柱高度为b755mmp=，求容器中工程热力学第 4 版习题解 3 的绝对压力（以MPa表示）。如果容器中的绝对压力不变，而气压计上水银柱高度为770mmbp=，求此时真空表上的读数（以 mmHg 表示）是多少？解：解：容器中气体压力低于当地大气压力，故绝对压力 bv(755600)mmHg155mmHg0.0207MPappp=若容器中绝对压力不变，而大气压力变为b770mmHgp=。则此时
6、真空表上的读数为 vb(770155)mmHg615mmHgppp=1-7 用斜管压力计测量锅炉烟道烟气的真空度（如图 1-24）管子的倾斜角30=，压力计中使用密度330.8 10 kg/m=的煤油，斜管中液柱长度200mml=。当地大气压力v745mmHgp=。求烟气的真空度（以 mmH2O 表示）及绝对压力（以 Pa 表示）。图 1-2 解：解：倾斜式压力计上读数即烟气的真空度 v3332sin200 10 m0.5 0.8 10 kg/m9.81m/s80 9.81Paplg=因211PammH O9.81=、21mmHg13.595mmH O=，故 v280mmH Op=烟气绝对压力
7、 bv2252(745 13.595)mmH O80mmH O10048.3mmH O0.9857 10 Pappp=18 压力锅因其内部压力和温度比普通锅高而缩短了蒸煮食物的时间。压力锅的盖子密封良好，蒸汽只能从盖子中间的缝隙逸出，在缝隙的上方有一个可移动的小柱塞，所以只有锅内蒸汽的压力超过了柱塞的压力后蒸汽才能逸出（图 1-3）。蒸汽周期性逸出使锅内压力近似可认为恒定，也防止了锅内压力过高产生的危险。若蒸汽逸出时压力锅内压力应达到 201kPa，压力锅盖缝隙的横截面积为24mm，当地大气压力平均为 101kPa，试求小柱塞的质量。图 1-3 解：解：蒸汽逸出时锅内表压力即为应由柱塞产生的压
8、力，所以 工程热力学第 4 版习题解 4 eb201kPa101kPa100kPappp=柱塞质量 362e2100 10 Pa4 10 m0.0408kg40.8g9.81m/sp Amg=1-9 容器被分隔成 AB 两室，如图 1-4 所示，已知当场大气压b0.1013MPap=，气压表 2 读为e20.04MPap=，气压表 1的读数e10.294MPap=，求气压表 3 的读数（用 MPa 表示）。解解：图 1-4 Abe10.1013MPa0.294MPa0.3953MPappp=+=+=ABe2BAe20.39153MPa 0.04MPa0.3553MPapppppp=+=e3Bb
9、0.3553MPa0.1013MPa0.254MPappp=1-10 起重机以每秒 2m 的恒速提升总质量为 450kg 的水泥块，试求所需功率。解解：功率等于力与速度的乘积，因恒速提升，加速度为零，所以仅为重力。2450kg9.80665m/s2m/s8826W8.83kWPFcmgc=1-11 电阻加热器的电阻 15，现有 10A 的电流流经电阻丝，求功率。解：解：2215(10A)1500W1.5kWPEiRi=1-12 气缸中密封有空气，初态为3110.2MPa0.4mpV=，缓慢胀到320.8mV=。（1）过程中pV保持不变；（2）过程中气体先循 3MPam0.40.5pV=膨胀到3
10、0.6maV=，再维持压力不变，膨胀到320.8mV=。分别求出两过程中气体作出的膨胀功。解解：（1）2221111136343ddln0.8m0.2 10 Pa0.4mln5.54 10 J0.4mVpVWp VVpVVV=工程热力学第 4 版习题解 5（2）2211dddaawp Vp Vp V=+2661(0.40.5)10 d(0.40.50.6)10daaVVV=+22611222650.50.4()()0.1()1020.50.4(0.60.4)(0.60.4)0.1(0.80.6)100.15 10 J2aaaVVVVVV=+=+=1-13 某种理想气体在其状态变化过程中服从np
11、v=常数的规律，其中 n 是定值，p 是压力；v 是比体积。试据21dwp v=导出气体在该过程中做功为 11 12111nnp vpwnp=解解：222111 11 121111ddd()1nnnnnnnp vpvvwp vvp vvvvvn+=+2211 1111 11 112221 1221 121111111nnnnnnp vp vp vp v vp v vp vp vp vpnnnnp+=证毕。1-14 测得某汽油机气缸内燃气的压力与容积对应值如下表所示，求燃气在该膨胀过程中所作的功。/MPap 1.655 1.069 0.724 0.500 0.396 0.317 0.245 0.
12、193 0.103 3/cmV 114.71 163.87 245.81 327.74 409.68 491.61 573.55 655.48 704.64 解解：21dWp Vp V=33333(1.6551.069)MPa(1.0690.724)MPa(63.87114.71)m22(0.7240.500)MPa(245.81 163.87)m(327.74245.81)m2(0.5000.396)MPa(0.3960.317)MPa(409.68327.74)m22(0.3170.245)MPa(491.61409.68)m(52+=+33373.55491.61)m(0.2450.19
13、3)MPa(0.1930.103)MPa(655.48573.55)m22(704.64655.48)m304.7J+=工程热力学第 4 版习题解 6 1-15 有一绝对真空的钢瓶，当阀门的打开时，在大气压501.013 10 Pap=的作用下有体积为30.1m的空气被输入钢瓶，求大气对输入钢瓶的空气所作功为多少？解解：53401.013 10 Pa0.1m1.013 10 J10.13kJWp V=1 16 某种气体在气缸中进行一缓慢膨胀过程。其体积由30.1m增加到30.25m。过程中气体压力循 3MPam0.240.4pV=变化。若过程中气缸与活塞的摩擦保持为1200N；当地大气压力为0
14、.1MPa；气缸截面积为20.1m，试求：（1）气体所作的膨胀功W；（2）系统输出的有用功uW；（3）若活塞与气缸无摩擦，系统输出的有用功u,reW。解解：活塞移动距离 332120.25m0.1m1.5m0.1mVVLA=（1）气体膨胀作功 22222121112226d(0.240.4)d0.24()0.2()0.24(0.250.1)m0.2(0.250.1)m0.0255 10 JWp VVVVVVV=气体膨胀排拆大气功 6021()0.1MPa(0.25m0.1m)0.015 10 JWp VV=摩擦耗功 1200N 1.5m1800JWFL=（2）有用功 66u0.0255 10
15、J0.015 10 J1800J8700JWWWW=（3）有用功 66u,re0.0255 10 J0.015 10 J10500JWWW=1 17 某蒸汽动力厂加入锅炉的每1MW能量要从冷凝器排出0.58MW能量，同时水泵消耗0.02MW功，求汽轮机输出功率和电厂的热效率。解解：T12C()(1MW0.58MW)0.02MW0.44MWPP=+=工程热力学第 4 版习题解 7 2t10.58MW110.421MW=1 18 汽车发动机的热效率为35%，车内空调器的工作性能系数为3，求每从车内排除1kJ热量消耗燃油能量。解解：汽车发动机输出循环净功 1tWQ=空调器耗功 cQW=所以 c1tt
16、1kJ0.952kJ0.35 3QWQ=1 19 据统计资料，某地各发电厂平均发1kW h的电耗标煤372g，若标煤的热值是29308kJ/kg，试求电厂平均热效率t是多少？解解：nett13600kJ33.0%0.372kg29308kJ/kgWQ=1 20 某空调器输入功率1.5kW需向环境介质输出热量5.1kW，求空调器的制冷系数。解解：制冷速率 21C5.1kW1.5kW3.6kWP=制冷系数 2C3.6kW2.41.5kWP=1 21 某房间冬季通过墙壁和窗子向外散热70 000 kJ/h，房内有2只40W电灯照明，其他家电耗电约100W，为维持房内温度不变，房主购买供暖系数为5的热
17、泵，求热泵最小功率。解解：热泵供暖速率为 3170000kJ/h(240J/s100J/s)1019.26kW3600s/h=+=因1P=，故 119.26kW3.85kW5P=1 22 一所房子利用供暖系数为2.1热泵供暖维持20，据估算室外大气温度每低于房内工程热力学第 4 版习题解 8 温度1，房子向外散热为0.8kW，若室外温度为-10，求驱动热泵所需的功率。解解：热泵供暖系数1P=，为维持房子内温度需使散热与热泵供热平衡，所以 110.8kWC(2010)C24kW=+=?124kW11.43kW2.1P=1 23 若某种气体的状态方程为gpvR T=，现取质量1kg的该种气体分别作
18、两次循环，如图1-5中循环1231和循环4564所示，设过程12和过程45中温度不变都等于aT，过程23和56中压力不变，过程31和46中体积不变。又设状态3和状态6温度相等，都等于bT。试证明两个循环中1kg气体对外界所作的循环净功相同。证明证明：循环1231和循环4564中过程1-2和4-5都是等 图 1-5 温过程，aTT=，据理想气体状态方程，gpvR T=，可知 ggaR TR Tpvv=2211ga21 2ga1ddlnvvvvR Tvwp vvR Tvv=5544ga34 5ga4ddlnvvvvR Tvwp vvR Tvv=根据已知条件：134632652536abvvvvpp
19、ppTTTTTT=，得 g23a2223132g3bR TpTvvTvvpR TTT=；g55565a465g66bR TvvpTTvvpR TTT=故 5214vvvv=即 1 24 5ww=过程2-3和5-6都是等压过程，故 2 32323322g()()bawp vvp vp vR TT=5 65656655g()()bawp vvp vp vR TT=工程热力学第 4 版习题解 9 2 35 6ww=过程3-1和6-4中 v 不变，故功为零。综上两循环的净功相等，即 net 1 2 3 11 22 33 14 55 66 4net 4 5 6 4WWWWWWWW =+=+=，证毕。第二
20、章 热力学第一定律 第二章 热力学第一定律 2-1 一辆汽车1小时消耗汽油34.1升，已知汽油发热量为44 000 kJ/kg，汽油密度30.75g/cm。测得该车通过车轮出的功率为64kW，试求汽车通过排气，水箱散热等各种途径所放出的热量。解解：汽油总发热量 33334.1 10m750kg/m44000kJ/kg1125300kJQ=汽车散发热量 out3600(112530064 3600)kJ/h894900kJ/hQQW=22 质量为1 275 kg的汽车在以60 000 m/h速度行驶时被踩刹车止动，速度降至20 000 m/h，假定刹车过程中0.5kg的刹车带和4kg钢刹车鼓均匀
21、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/(kgK)和0.46kJ/(kgK)，求刹车带和刹车鼓的温升。解解：汽车速度降低，动能转化为刹车带和刹车鼓的热力学能，没有传热和对外作功，故 22car2121()()02mccUUE+=160000m16.67m/s3600sc=，220000m5.56m/s3600sc=21s,sb,b21()()VVUUm cm ctt=+22car2121s,sb,b22()()2()1275kg(16.67m/s)(5.56m/s)65.9 C2 0.5kg 1.1kJ/(kg K)4kg0.46kJ/(kg K)VVmccttm
22、 cm c=+=+?23 1kg氧气置于图2-1所示气缸内，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无磨擦。初始时氧气压力为0.5MPa，温度为27，若气缸长度2l，活塞质量为10kg。试计算拔除钉后，活塞可能达到最大速度。工程热力学第 4 版习题解 10 解解：可逆过程对外界作功最大，故按可逆定温膨胀计算：2g1ln20.26kJ/(kg K)(273.1527)Kln54.09kJ/kgVwR TVAlA l=+=2200212()22mmWWcp VVc=+=+（a）图 2-1 g3111611kg260J/(kg K)300.15K0.1561m0.5 10 Pam R TVp=32120.312
23、2mVV=代入式（a）36322(54.09J/kg 1kg 100.1 10 Pa0.1561m)87.7m/s10kgc=24 气体某一过程中吸收了50J的热量，同时，热力学能增加84J，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外作功是多少J？解解：取气体为系统，据闭口系能量方程式 50J84J34JWQU=所以过程是压缩过程，外界对气体作功34J。25在冬季，工厂车间每一小时经过墙壁和玻璃等处损失热量63 10 kJ，车间中各种机床的总功率是375kW，且最终全部变成热能，另外，室内经常点着50盏100W的电灯，若使该车间温度保持不变，问每小时需另外加入多少热量？解解：要使车间保持温度不变，必
24、须使车间内每小时产生的热量等散失的热量，即 mEl0QQQQQ=+=B 6m375kJ/s3600s1.35 10 kJQ=E500.1kJ/s3600s18000kJQ=6l3 10 kJQ=66lmE3 10 kJ1.35 10 kJ18000kJ1632000kJQQQQ=B 26 夏日，为避免阳光直射，密闭门窗，用电扇取凉，若假定房间内初温为28，压力为0.1MPa，电扇的功率为0.06kW，太阳直射传入的热量为0.1kW，若室内有三人，每人每工程热力学第 4 版习题解 11 小时向环境散发的热量为418.7kJ，通过墙壁向外散热1800kJ/h，试求面积为215m，高度为3.0m的
25、室 内 空 气 每 小 时 温 度 的 升 高 值，已 知 空 气 的 热 力 学 能 与 温 度 关 系 为K0.72kJ/kguT=。解解：室内空气总质量 62g0.1 10 Pa 15m3.0m52.06kg287J/(kg K)(28273.15)KpVmR T=+取室内空气为系统，QUW=+，因0W=，所以 UQ=0.72(0.10.06)kJ/s3600418.7kJ3 1800kJ0.86K0.72 52.06kgQTms=+=27 有一飞机的弹射装置，如图2-2，在气缸内装有压缩空气，初始体积为30.28m，终了体积为30.99m，飞机的发射速度为61m/s，活塞、连杆和飞机的
26、总质量为2722kg。设发射过程进行很快，压缩空气和外界间无传热现象，若不计摩擦力，求 图 2-2 发射过程中压缩空气的热力学能变化。解解：取压缩空气为系统，QUW=+，其中，0=Q 20212()2mWp VVc=+202126323()22722kg0.1 10 Pa(0.990.28)m(61m/s)5135 10 J2mUp VVc=28 如图2-3所示，气缸内空气的体积为30.008m，温度为17。初始时空气压力为0.1013MPa，环境大气压力b0.1MPap=，弹簧呈自由状态。现向空气加热，使其压力升高，并推动活塞上升而压缩弹簧。已知活塞面积为20.08m，弹簧刚度为40 000
27、 N/mk=，空气热力学能变化关系式为 kJ/kgK0.718uT=。试求，使气缸内空气压力达到0.15MPa所需的热量。图 2-3 工程热力学第 4 版习题解 12 解解：先求活塞质量，初始时弹簧呈自由状态 pb1gmp Ap A+=621bp2()(0.10130.1)10 Pa0.08m10.61kgg9.80665m/sppAm=空气质量 63311ag10.1013 10 Pa0.008m9.73 10 kg287J/(kg K)290.15KpVmR T=3120.008m0.1m0.08mVhA=终态 2bp2()gppAmkx=，2bp2()gppAmxk=6222(0.150
28、.1)10 Pa0.08m10.61kg9.81m/s0.0974m40000N/mx=2322()0.08m(0.10.0974)m0.0158mVA hx=+=+=632223ag0.15 10 Pa0.0158m848.26K9.73 10 kg287J/(kg K)p VTm R=213a()9.73 10 kg0.718kJ/(kg K)(848.26290.15)K3.90kJVUm c TT=b222p1(g)dd()AmKxWp VpAxA+=+222bpbp212116222(g)d(g)()()2(0.1 10 Pa0.08m10.61kg9.81m/s)0.0974m40
29、000N/m(0.0974m)979J0.98kJ2kp Amkxxp Amxxxx=+=+=+=3.90kJ0.98kJ4.88kJQUW=+=+=29 有一橡皮球，当其内部气体的压力和大气压相同，为0.1MPa时呈自由状态，体积为30.3m。气球受火焰照射而受热，其体积膨胀一倍，压力上升为0.15MPa，设气球内的压力与体积成正比。试求：（1）该过程中气体作的功；（2）用于克服橡皮气球弹力所作的功，若初工程热力学第 4 版习题解 13 始时气体温度为17，求球内气体吸热量。已知该气体的气体常数g287J/(kg K)R=，其热力学能 kJ/kgK0.72uT=。解解：据题意 0()pppk
30、Vb=+（a）310.3mV=时0p=；320.6mV=时，0.05MPap=。代入式（a），解得0.05b=，0.166k=。所以 0.16670.05pV=6311g10.1 10 Pa0.3m0.360kg287J/(kg K)290.15KpVmR T=（1）过程中气体作的功 21212016d()d(0.16670.050.1)10 d37500J37.5kJVVvvWp VppVVV=+=+=（2）克服橡皮气球弹力所作的功 630021()0.1 10 Pa(0.60.3)m30000J30kJWp VV=e37.5kJ30kJ7.5kJWWW=0（3）气体吸热量 63222g0.
31、15 10 Pa0.6m871.08K0.360kg287J/(kg K)p VTmR=21()0.360kg0.72J/(kg K)(871.08290.15)K37.5kJ188.1kJQUWm uuW=+=+=+=210 空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数是：10.1MPap=，310.845mkgv=。压缩后的参数是20.1MPap=，320175mkgv=。设在压缩过程中1kg空气的热力学能增加139.0kJ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1kg气体所作的体积变化功；（2）生产1kg的压缩空气所需的功（技术功）；（3）带动此压气
32、机要用多大功率的电动机？工程热力学第 4 版习题解 14 解解：（1）已知50kJ/kgq=，139.0kJ/kgu=由闭口系能量方程quw=+得 50kJ139.0kJ189.5kJ/kgwqu=即压缩过程中压气机对1kg气体作功189.0kJ（2）压气机是开口热力系，压气机耗功Ctww=。由稳定流动开口系能量方程tqhw=+，得 t221 13333()()50kJ/kg139.0kJ/kg(0.8 10 kPa0.175m/kg0.1 10 kPa0.845m/kg)244.5kJ/kgwqhqupvqup vp v=即每生产1公斤压缩空气所需技术功为244.5kJ。（3）压气机每分钟生
33、产压缩空气10kg，故带动压气机的电机功率为 t1kg/s244.5kJ/kg40.8kW6mNq w=2-11 某建筑物的排气扇每秒能把2.5kg/s压力为98kPa，温度为20的空气通过直径为0.4m的排气孔排出，经过排气扇后气体压力升高50mmH2O，但温度近似不变，试求排气扇的功率和排气速度。解解：2198 000 Pa50 9.81 Pa98 490.5 Pappp=+=+=g1311287J/(kg K)293.15K0.858 5 m/kg98 000 PaR Tvp=g2322287J/(kg K)293.15K0.854 2 m/kg98 490.5 PaR Tvp=排气扇后
34、的压力和温度计算空气质量流量 2f212gg4VmD cpp qqR TR T=所以 gf2222442.5kg/s287J/(kg K)293.15K17.0m/s98 490.5 Pa(0.4m)mq R Tcp D=由能量方程 22f1f 21122gg022QmmccqqhzqhzP+=工程热力学第 4 版习题解 15 2f 2221 12332(17.0m/s)98.491kPa0.854 2m/kg98kPa0.858 5m/kg2 10002.5kg/s0.365 kWmcPp vp vq=+=+=212 进入蒸汽发生器中内径为30mm管子的压力水参数为10MPa、30，从管子输
35、出时参数为9MPa、400，若入口体积流量为3L/s，求加热率。已知，初态时134.8kJ/kgh=、3=0.0010m/kgv；终态时3117.5kJ/kgh=、30.0299m/kgv=。解解：管截面积 2242(0.03m)7.069 10 m44DA=31f1420.003m/s4.244m/s7.069 10 mVqcA=3310.003m/s3kg/s0.001m/kgVmqqv=123212f 2f1210.0299m/s4.244m/s126.9m/s0.0010mVVvqqvvccAAv=2221f 2f1221()2(126.9m)(4.244m)3kg/s(3117.5
36、134.8)kJ/kg+8972.2kW2 1000mqhhcc=+=213 某蒸汽动力厂中锅炉以40t/h的蒸汽供入蒸汽轮机。进口处压力表上读数是9MPa，蒸汽的焓是3441kJ/kg。蒸汽轮机出口处真空表上的读数是0.0974MPa，出口蒸汽的焓是2248kJ/kg，汽轮机对环境散热为56.81 10 kJ/h。求：（1）进、出口处蒸汽的绝对压力，（当场大气压是101325Pa）；（2）不计进、出口动能差和位能差时汽轮机的功率；（3）进口处蒸汽为70m/s，出口处速度为140m/s时对汽轮机的功率有多大的影响；（4）蒸汽进出、口高度并差是1.6m时，对汽轮机的功率又有多大影响？工程热力学第
37、 4 版习题解 16 解解：（1）1e,1b9MPa0.101325MPa9.1MPappp=+=+=22bv,20.101325MPa0.0974MPa0.3925 10 MPappp=（2）据稳流能量方程，tQHW=+56.81 101000kJ/s40kg/s(34412248)kJ/kg13066.7kW36003600mPHqh=?（3）若计及进出口动能差，则 2221if 2f1()()2mmqqhhPcc=+22if 2f13223()()240 1013066.7kJ/s(140m/s)(70m/s)102 360013066.7kJ/s81.7kJ/s12985kWmmqPq
38、hcc=即汽轮机功率将减少81.7kW（4）若计及位能差，则 i2()40000kg/h13066.7kJ/s9.81m/s(1.4)m3600s13066.7kJ/s0.174kJ/s13066.9kWmmPqhq g z=+=已汽轮机功率将增加0.174kW。2 14 500 kPa饱和液氨进入锅炉加热成干饱和氨蒸气，然后进入压力同为500 kPa的过热器加热到275 K，若氨的质量流量为0.005 kg/s，求：锅炉和过热器中的换热率。已知：氨进入和离开锅炉时的焓分别为12396.2kJ/kg223.2kJ/kghhhh=、，氨离开过热器时的焓为25.1kJ/kgh=。解解：由题意，氨进
39、入和离开锅炉及离开过热器时的焓分别为 1396.2kJ/kghh=，2=223.2kJ/kghh=，25.1kJ/kgh=锅炉中的换热率 b21()0.005kg/s 223.2kJ/kg(396.2kJ/kg)0.865kWmqhh=工程热力学第 4 版习题解 17 换热器中的换热率 e32()0.005kg/s 25.1kJ/kg(223.2kJ/kg)0.991kWmqhh=215 向大厦供水的主管线在地下5m进入时，管内压力600kPa。经水泵加压，在距地面150m高处的大厦顶层水压仍有200kPa，假定水温为10，流量为10kg/s，忽略水热力学能差和动能差，假设水的比体积为30.0
40、01m/kg，求水泵消耗的功率。解：整个水管系统从-5m到150m。据稳定流动能量方程有 22f1f 21122s022ccqhgzhgzw+=据题意，12120qttuu=、，所以 s221 13323()(200kPa0.001m/kg600kPa0.001m/kg)9.81m/s(150m5m)101.12kJ/kgwp vp vg z=+=+=s10kg/s 1.12kJ/kg11.2kWmPq w=216 用一台水泵将井水从6m深的井里泵到比地面高30m的水塔中，水流量为325m/h，水泵耗功是12kW。冬天井水温度为3.5，为防止冬天结冰，要求进入水塔的水温不低于4。整个系统及管道
41、均包有一定厚度的保温材料，问是否有必要在管道中设置加热器？如有必要的话需加入多少热量?设管道中水进、出口动能差可忽略不计；水的比热容取定值4.187kJ/(kg K)pc=且水的焓差phct，水的密度取31000kg/m。解解 22f 2f121s()()2mQHccmg zzW=+忽略管道中水进出口的动能差 212121s()()()spQmmqqhg eePqcttg zzP=+=+33234m25/h 1000kg/m4.187kJ/(kg K)(43.5)C36009.81m/s(306)m 10 12kJ/s4.99kJ/s1.8 10 kJ/h=+=?所以有必要加入加热器，加热量最
42、小为41.8 10 kJ/h。217 一种工具利用从喷嘴射出的高速水流进行切割，若供水压力200kPa、温度20，喷嘴内径为0.002 m，射出水流温度20，流速1 000 m/s，假定喷嘴两侧水的热力学能变化可工程热力学第 4 版习题解 18 略去不计，求水泵功率。已知，在200kPa、20时水的比体积30.001002m/kgv=解解 2f21000m/s(0.002m)3.135kg/s40.001002m/kgVmqc Aqvv=能量方程 22f1f 21122s022ccqhgzhgzw+=据题意，1212210qttuuzz=、，所以 22f 2f 2s221 121123()()
43、22(1000m/s)(100200)kPa0.001002m/kg=500.0kJ/kg2 1000ccwp vp vpp v=+=+=+3.135kg/s 500.0kJ/kg=1567.2kWmsPq w=218 一刚性绝热容器，容积为30.028mV=，原先装有压力为0.1MPa、温度为21的空气。现将与此容器连接的输气管道阀门打开，向容器充气。设输气管道内气体的状态参数0.7MPa21 Cpt=，保持不变。当容器中压力达到0.2MPa时，阀门关闭。求容器内气体到平衡时的温度。设空气可视为理想气体，其热力学能与温度的关系为 kJ/kgK0.72uT=；焓与温度的关系为 kJ/kgK1.
44、005hT=。解解：取刚性容器为控制体，则 22CVf 2f 2221f111i11d()()22QEhcgzmhcgzmW=+据题意，0Q=，i0W=，20m=，12f2c和21()g zz可忽略不计，所以 CV11ininddEh mhm=积分，CVininEh m=。因CVEU=，in21mmm=，所以 221121in()m umumm h=in2111in2111222()()pVVVc Tmmm c ThmmmuTm cm c+=（a）工程热力学第 4 版习题解 19 63111g10.2 10 Pa0.028m0.0332kg287J/(kg K)294.15KpVmR T=62
45、22g2220.2 100.02819.5287p VmR TTT=（b）联立求解式（a）、（b）得 20.0571kgm=，2342.69KT=219 医用氧气袋中空时是扁平状态，内部容积为零。接在压力为14MPa，温度为17的钢质氧气瓶上充气。充气后氧气袋隆起，体积为30.008m，压力为0.15MPa。由于充气过程很快，氧气袋与大气换热可以忽略不计，同时因充入氧气袋内气体质量与钢瓶气体内质量相比甚少，故可以认为钢瓶内氧气参数不变。设氧气可作为理想气体，其热力学能和焓可表示为 kJ/kgK0.657uT=，kJ/kgK0.917hT=，理想气体服从gpVmR T=。求充入氧气袋内氧气的质量
46、？氧气g260J/(kg K)R=。解解：据能量方程 22ffCVoutinid()()22ccQEhgzmhgzmW=+据题意，0Q=，out0m=，CVddEU=，忽略in2f,2c和ingz，则 ininid0UhmW+=因i0dWpV=，且氧气袋内氧气质量即充入氧气的质量，所以积分后 22in2021()0m uh mp VV+=22in02()0m uhp V+=（a）又 222g2p VmR T=(b)将3220.15MPa0.008mpV=，22kJ/kgK0.657uT=，ininkJ/kgK0.917hT=，代入式（a）、（b），解得 2313.20KT=，20.0147kg
47、m=工程热力学第 4 版习题解 20 220 两个体重都是80kg的男子每天吃同样的食物，完成相同的工作，但A每天上下班步行60 min，而B则每天驾驶汽车20 min上下班，另40 min用于看电视，试确定100工作日后这两人的体重差。解解：每个工作日男子A比B多消耗能量80kg20401h 1810kJ/hh755kJ/hh300kJ/h1598.0kJ68kg6060Q=100工作日后两人的体重差 1598.0kJ1004.04kg39.8MPam=221 一间教室通过门窗散发热量25 000 kJ/h，教室内有30名师生，15套电子计算机，若每人散发的热量是100 W，每台计算机功率1
48、20 W，为了保持室内温度，是否有必要打开取暖器？解解 取室内空气为系统，可以认为空气温度是温度的函数因0W=，为保持温度不变()31225 000kJ/h30 100W15 120W102.14kW3600s/hQQQ=+=所以需打开取暖器补充热量。222 一位55kg的女士经不住美味的诱惑多吃了0.25 L冰激凌，为了消耗这些额外的冰激凌的能量她决定以7.2 km/h的速度步行5.5 km回家，试确定她能否达到预期目的？解解 如果步行消耗的热量与0.25L冰激凌提供的热量相当，她即能达到预期目的。0.25L冰激凌提供的热量 250ml4.60kJ/ml1150kJQ=55kg的女士步行5.
49、5km消耗的热量 55kg5.5km1810kJ1118.3kJ68kg7.2kmQ=QQ，但相差微小，所以她基本上可以达到预期目的。第三章 气体和蒸气的性质 第三章 气体和蒸气的性质 31 已知氮气的摩尔质量328.1 10 kg/molM=，求：（1）2N的气体常数gR；工程热力学第 4 版习题解 21（2）标准状态下2N的比体积 v0和密度0；（3）标准状态31m2N的质量 m0；（4）0.1MPap=、500 Ct=?时2N的比体积 v 和密度；（5）上述状态下的摩尔体积mV。解解：（1）通用气体常数8.314 5 J/(mol K)R=，查附表23N28.01 10kg/molM=。
50、22g,N3N8.314 5 J/(mol K)0.297 kJ/(kg K)28.01 10kg/molRRM=（2）1mol氮气标准状态时体积为22233m,NNN22.4 10m/molVMv=，故标准状态下 2233m,N3N322.4 10m/mol0.8 m/kg28.01 10kg/molVvM=223N3N111.25 kg/m0.8 m/kgv=（3）标准状态下31m气体的质量即为密度，即01.25 kgm=。（4）由理想气体状态方程式gpvR T=g36297 J/(kg K)(500273)K2.296 m/kg0.1 10 PaR Tvp+=33110.435 6 kg
