工程熱力學課程習題
第一章1-1 試將1物理大氣壓表示為下列液體的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液態鈉。它們的密度分別為1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。
1-4 人們假定大氣環境的空氣壓力和密度之間的關係是p=cρ1.4，c為常數。在海平面上空氣的壓力和密度分別為1.
013×105pa和1.177kg/m3，如果在某山頂上測得大氣壓為5×104pa。試求山的高度為多少。
重力加速度為常量，即g=9.81m/s2。
1-7 如圖1-15 所示的一圓筒容器，表a的讀數為360kpa，表b讀數為170kpa，表示室ⅰ壓力高於室ⅱ的壓力。大氣壓力為760mmhg。試求(1) 真空室以及ⅰ室和ⅱ室的絕對壓力；(2) 表c的讀數；(3) 圓筒頂面所受的作用力。
圖 1-15
1-8 若某溫標的冰點為20°，沸點為75°，試匯出這種溫標與攝氏度溫標的關係(一般為線性關係)。
1-10 若用攝氏溫度計和華氏溫度計測量同乙個物體的溫度。有人認為這兩種溫度計的讀數不可能出現數值相同的情況，對嗎？若可能，讀數相同的溫度應是多少？
1-14 一系統發生狀態變化，壓力隨容積的變化關係為pv1.3=常數。若系統初態壓力為600kpa，容積為0.3m3，試問系統容積膨脹至0.5m3時，對外作了多少膨脹功。
1-15 氣球直徑為0.3m，球內充滿壓力為150kpa的空氣。由於加熱，氣球直徑可逆地增大到0.4m，並且空氣壓力正比於氣球直徑而變化。試求該過程空氣對外作功量。
1-16 1kg氣體經歷如圖1-16所示的迴圈，a到b為直線變化過程，b到c為定容過程，c到a為定壓過程。試求迴圈的淨功量。如果迴圈為a-c-b-a則淨功量有何變化？
圖 1-16
第二章2-2 水在760mmhg下定壓汽化，溫度為100℃，比容從0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潛熱為2250kj/kg。
試求工質在汽化期間 (1) 內能的變化；(2) 焓的變化。
2-3 定量工質，經歷了乙個由四個過程組成的迴圈，試填充下表中所缺的資料，並寫出根據。
2-5 1kg空氣由p1=1.0mpa，t1=500℃膨脹到p1=0.1mpa，t1=500℃，得到的熱量506kj，作膨脹功506kj。
又在同一初態及終態間作第二次膨脹僅加入熱量39.1kj。求：
(1) 第一次膨脹中空氣內能增加多少？(2) 第二次膨脹中空氣作了多少功？(3) 第二次膨脹中空氣內能增加多少？
2-6 圖2-10所示的氣缸內充以空氣。氣缸截面積為100cm2，活塞距底面高度為10cm，活塞及其上負載的總質量為195kg，當地大氣壓為771mmhg，環境溫度t0=27℃，氣缸內氣體恰與外界處於熱力平衡。倘使把活塞上的負載取去100kg，活塞將突然上公升，最後重新達到熱力平衡。
設活塞與氣缸壁之間無摩擦，氣體可通過氣缸壁充分和外界換熱，求活塞上公升的距離和氣體的換熱量。
圖2-10
2-7 上題中若氣缸壁和活塞都是絕熱的，但兩者之間不存在摩擦，此時活塞上公升距離如何？氣體的最終狀態又如何？已知⊿u=cv⊿t，空氣的cv=0.71kj/(kg·k)。
2-12 1m3容器內的空氣，壓力為p0，溫度為t0。高壓管路( p, t )與之相通，使容器內壓力達到p時關上閥門。設高壓管路、閥門與容器均絕熱，但有一冷卻水管通過容器。
若欲在充氣過程中始終維持容器中的空氣保持t0，則需向冷卻水放出的熱量為q，求q。已知空氣的r，cp和cv。
2-13 一台鍋爐給水幫浦，將冷水壓力由p1=6kpa公升高至p2=2.0mpa，若冷凝水(水幫浦進口)流量為2×105kg/h，水密度ρh2o=1000kg/m3。假定水幫浦效率為0.
88，問帶動此水幫浦至少要多大功率的電機。
2-14 一燃氣輪機裝置如圖2-11所示。空氣由1進入壓氣機公升壓後至2，然後進入回熱器，吸收從燃氣輪機排出的廢氣中的一部分熱量後，經3進入燃燒室。在燃燒室中與油幫浦送來的油混合並燃燒，產生的熱量使燃氣溫度公升高，經4進入燃氣輪機(透平)作功。
排出的廢氣由5送入回熱器，最後由6排至大氣。其中壓氣機、油幫浦、發電機均由燃氣輪機帶動。(1) 試建立整個系統的能量平衡式；(2)若空氣質素流量[_', 'altimg':
'', 'w': '27', 'h': '38'}]=50t/h，進口焓h1=12kj/kg，燃油流量[_', 'altimg':
'', 'w': '27', 'h': '38'}]=700kg/h，燃油進口焓h7=42kj/kg，油發熱量q=41800kj/kg，排出廢氣焓h6=418kj/kg，求發電機發出的功率。
圖 2-11
2-15 某電廠一台國產50000kw汽輪機發電機組，鍋爐蒸汽量為220t/h，汽輪機進口處壓力表上的讀數為10.0mpa，溫度為540℃。汽輪機出口處真空表的讀數為715.
8mmhg。當時當地的大氣壓為760mmhg，汽輪機進、出口的蒸汽焓各為3483.4kj/kg和2386.
5kj/kg。試求：(1) 汽輪機發出的軸功率為多少千瓦？
(2) 若考慮到汽輪機進口處蒸汽速度為70m/s，出口處速度為140m/s，則對汽輪機功率的計算有多大影響？(3) 如已知凝汽器出口的凝結水的焓為146.54kj/kg，而1kg冷卻水帶走41.
87kj的熱量，則每小時需多少噸冷卻水？是蒸汽量的幾倍？
2-16 空氣在某壓氣機中被壓縮，壓縮前空氣的引數為p1=0.1mpa，v1=0.845m3/kg；壓縮後為p2=0.
8mpa，v1=0.175m3/kg，若在壓縮過程中每千克空氣的內能增加146.5kj，同時向外界放出熱量50kj；壓氣機每分鐘生產壓縮空氣10kg。
試求：(1) 壓縮過程中對1kg空氣所作的壓縮功；(2) 每產生1kg壓縮空氣所需的軸功；(3) 帶動此壓氣機所需功率至少要多少千瓦？
2-18 某燃氣輪機裝置如圖2-12所示。已知壓氣機進口處空氣的焓h1=290kj/kg，經壓縮後，空氣公升溫使比焓增為h2=580kj/kg，在截面2處與燃料混合，以c2=20m/s的速度進入燃燒室，在定壓下燃燒，使工質吸入熱量q=670kj/kg。燃燒後燃氣經噴管絕熱膨脹到狀態[", 'altimg':
'', 'w': '18', 'h': '25'}]，[}", 'altimg':
'', 'w': '25', 'h': '23'}]=800kj/kg，流速增至[}", 'altimg':
'', 'w': '23', 'h': '23'}]，燃氣再進入動葉片，推動轉輪迴轉作功。
若燃氣在動葉中熱力狀態不變，最後離開燃氣輪機速度為c4=100m/s。求：
(1) 若空氣流量為100kg/s，壓氣機消耗的功率為多少？
(2) 若燃料發熱量q=43960kj/kg，燃料耗量為多少？
(3) 燃氣在噴管出口處的流速[}", 'altimg': '', 'w': '23', 'h': '23'}]是多少？
(4) 燃氣透平([4", 'altimg': '', 'w': '30', 'h': '25'}]過程)的功率為多少？
(5) 燃氣輪機裝置的總功率為多少？
圖 2-12
第三章 3-1 容量為0.027m3的剛性儲氣筒，裝有7×105pa，20℃的空氣，筒上裝有一排氣閥，壓力達到8.75×105pa時就開啟，壓力降為8.
4×105pa時才關閉。若由於外界加熱的原因造成閥門的開啟，問：(1) 當閥門開啟時，筒內溫度為多少？
(2) 因加熱而失掉多少空氣？設筒內空氣溫度在排氣過程中保持不變。
3-2 壓氣機在大氣壓力為1×105pa，溫度為20℃時，每分鐘吸入空氣為3m3。如經此壓氣機壓縮後的空氣送入容積為8m3的儲氣筒，問需若干時間才能使筒內壓力公升高到7.8456×105pa，設筒內空氣的初溫、初壓與壓氣機的吸氣狀態相同。
筒內空氣溫度在空氣壓入前後並無變化。
3-9 3kg空氣，p1=1.0mpa，t1=900k，絕熱膨脹到p2=0.1mpa，試按氣體熱力性質表計算：
(1) 終態引數v2和t2；(2) 膨脹功和技術功；(3) 內能和焓的變化。
3-10 某理想氣體(其m已知)由已知的p1，t1定熵壓縮到p2，又由定溫壓縮到同乙個p2，這兩個終態的熵差⊿s也已知，求p2。
3-11 圖3-11所示的兩室，由活塞隔開。開始時兩室的體積均為0.1m3，分別儲有空氣和h2，壓力各為0.
9807×105pa，溫度各為15℃，若對空氣側壁加熱，直到兩室內氣體壓力公升高到1.9614×105pa為止，求空氣終溫及外界加入的q，已知cv,a=715.94j/(kg·k)，kh2=1.
41，活塞不導熱，且與氣缸間無摩擦。
圖3-11
3-12 6kg空氣由初態p1=0.3mpa、t1=30℃，經下列不同過程膨脹到同一終態p2=0.1mpa：
(1)定溫；(2)定熵；(3)n=1.2。試比較不同過程中空氣對外作功，交換的熱量和終溫。
3-13 一氧氣瓶容量為0.04m3，內盛p1=147.1×105pa的氧氣，其溫度與室溫相同，即t1=t0=20℃，求：
(1) 如開啟閥門，使壓力迅速下降到p2=73.55×105pa，求此時氧的溫度t2和所放出的氧的質量⊿m；(2) 閥門關閉後，瓶內氧的溫度與壓力將怎樣變化；(3) 如放氣極為緩慢，以致瓶內氣體與外界隨時處於熱平衡。當壓力也自147.
1×105pa降到73.55×105pa時，所放出的氧較(1)為多還是少？
3-14 2kg某種理想氣體按可逆多變過程膨脹到原有體積的三倍，溫度從300℃降到60℃，膨脹期間作膨脹功418.68kj，吸熱83.736kj，求cp和cv。
3-16 試證理想氣體在t-s圖上任意兩條定壓線(或定容線)之間的水平距離相等。
3-17 空氣為p1=1×105pa，t1=50℃，v1=0.032m3，進入壓氣機按多變過程壓縮至p2=32×105pa，v2=0.0021m3，試求：
(1)多變指數；(2)所需壓縮功(軸功)；(3)壓縮終了空氣溫度；(4)壓縮過程中傳出的熱量。
3-19 壓氣機中氣體壓縮後的溫度不宜過高，取極限值為150℃，吸入空氣的壓力和溫度為p1=0.1mpa，t1=20℃，求在單級壓氣機中壓縮250m3/h空氣可能達到的最高壓力。若壓氣機缸套中流過465kg/h的冷卻水，在氣缸套中水溫公升高14℃，再求壓氣機必需的功率。
3-20 實驗室需要壓力為6.0mpa的壓縮空氣，應採用一級壓縮還是兩級壓縮？若採用兩級壓縮，最佳中間壓力應等於多少？
設大氣壓力為0.1mpa，大氣溫度為20℃，n=1.25，採用間冷器將壓縮空氣冷卻到初溫，試計算壓縮終了空氣的溫度。
3-21 三颱壓氣機的餘隙比均為0.06，進氣狀態均為0.1mpa，27℃，出口壓力均為0.
5mpa，但壓縮過程的指數分別為n1=1.4，n=1.25，n=1，試求各壓氣機的容積熱效率(設膨脹過程與壓縮過程的多邊指數相同)。
第四章 4-1 試用熱力學第二定律證明，在p-v圖上，兩條可逆絕**不可能相交。
4-2 (1) 可逆機從熱源t1吸熱q1，在熱源t1與環境(溫度為t0)之間工作，能作出多少功？
(2) 根據卡諾定理降低冷源溫度可以提高熱效率，有人設想用一可逆製冷機造成乙個冷源t2(t2 4-3 溫度為t1，t2的兩個熱源間有兩個卡諾機a與b串聯工作(即中間熱源接受a機的放熱同時向b機供給等量熱)。試證這種串聯工作的卡諾熱機總效率與工作於同一t1，t2熱源間的單個卡諾機效率相同。
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