清华大学工程热力学习题课

工程热力学课程习题

第一章

1-1 试将1物理大气压表示为下列液体的液柱高(mm)，(1) 水，(2) 酒精，(3) 液态钠。它们的密度分别为1000kg/m3，789kg/m3和860kg/m3。

1-4 人们假定大气环境的空气压力和密度之间的关系是p=cρ1.4，c为常数。在海平面上空气的压力和密度分别为1.013×105Pa和1.177kg/m3，如果在某山顶上测得大气压为5×104Pa。试求山的高度为多少。重力加速度为常量，即g=9.81m/s2。

1-7 如图1-15 所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa，表B读数为170kPa，表示室Ⅰ压力高于室Ⅱ的压力。大气压力为760mmHg。试求(1) 真空室以及Ⅰ室和Ⅱ室的绝对压力；(2) 表C的读数；(3) 圆筒顶面所受的作用力。

图 1-15

1-8 若某温标的冰点为20°，沸点为75°，试导出这种温标与摄氏度温标的关系(一般为线性关系)。 1-10 若用摄氏温度计和华氏温度计测量同一个物体的温度。有人认为这两种温度计的读数不可能出现数值相同的情况，对吗？若可能，读数相同的温度应是多少？ 1-14 一系统发生状态变化，压力随容积的变化关系为pV1.3=常数。若系统初态压力为600kPa，容积为0.3m3，试问系统容积膨胀至0.5m3时，对外作了多少膨胀功。

1-15 气球直径为0.3m，球内充满压力为150kPa的空气。由于加热，气球直径可逆地增大到0.4m，并且空气压力正比于气球直径而变化。试求该过程空气对外作功量。

1-16 1kg气体经历如图1-16所示的循环，A到B为直线变化过程，B到C为定容过程，C到A为定压过程。试求循环的净功量。如果循环为A-C-B-A则净功量有何变化？

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图 1-16

第二章

2-2 水在760mmHg下定压汽化，温度为100℃，比容从0.001m3/kg增加到1.1763m3/kg，汽化潜热为2250kJ/kg。试求工质在汽化期间 (1) 内能的变化；(2) 焓的变化。

2-3 定量工质，经历了一个由四个过程组成的循环，试填充下表中所缺的数据，并写出根据。 过程 12 23 34 41 Q/ kJ 0 0

2-5 1kg空气由p1=1.0MPa，t1=500℃膨胀到p1=0.1MPa，t1=500℃，得到的热量506kJ，作膨胀功506kJ。又在同一初态及终态间作第二次膨胀仅加入热量39.1kJ。求：(1) 第一次膨胀中空气内能增加多少？(2) 第二次膨胀中空气作了多少功？(3) 第二次膨胀中空气内能增加多少？ 2-6 图2-10所示的气缸内充以空气。气缸截面积为100cm2，活塞距底面高度为10cm，活塞及其上负载的总质量为195kg，当地大气压为771mmHg，环境温度t0=27℃，气缸内气体恰与外界处于热力平衡。倘使把活塞上的负载取去100kg，活塞将突然上升，最后重新达到热力平衡。设活塞与气缸壁之间无摩擦，气体可通过气缸壁充分和外界换热，求活塞上升的距离和气体的换热量。

图2-10

2-7 上题中若气缸壁和活塞都是绝热的，但两者之间不存在摩擦，此时活塞上升距

W/ kJ 0 395 0 ΔU/ kJ 1390 －1000 2

离如何？气体的最终状态又如何？已知⊿u=cv⊿T，空气的cv=0.71kJ/(kg·K)。 2-12 1m3容器内的空气，压力为p0，温度为T0。高压管路( p, T )与之相通，使容器内压力达到p时关上阀门。设高压管路、阀门与容器均绝热，但有一冷却水管通过容器。若欲在充气过程中始终维持容器中的空气保持T0，则需向冷却水放出的热量为Q，求Q。已知空气的R，cp和cv。 2-13 一台锅炉给水泵，将冷水压力由p1=6kPa升高至p2=2.0MPa，若冷凝水(水泵进口)流量为2×105kg/h，水密度ρH2O=1000kg/m3。假定水泵效率为0.88，问带动此水泵至少要多大功率的电机。 2-14 一燃气轮机装置如图2-11所示。空气由1进入压气机升压后至2，然后进入回热器，吸收从燃气轮机排出的废气中的一部分热量后，经3进入燃烧室。在燃烧室中与油泵送来的油混合并燃烧，产生的热量使燃气温度升高，经4进入燃气轮机(透平)作功。排出的废气由5送入回热器，最后由6排至大气。其中压气机、油泵、发电机均由燃气轮机带动。(1) 试建立整个系统的能量平衡式；(2)若空气质量流量m1=50t/h，进口焓h1=12kJ/kg，燃油流量m7=700kg/h，燃油进口焓h7=42kJ/kg，油发热量q=41800kJ/kg，排出废气焓h6=418kJ/kg，求发电机发出的功率。

图 2-11

2-15 某电厂一台国产50000kW汽轮机发电机组，锅炉蒸汽量为220t/h，汽轮机进口处压力表上的读数为10.0MPa，温度为540℃。汽轮机出口处真空表的读数为715.8mmHg。当时当地的大气压为760mmHg，汽轮机进、出口的蒸汽焓各为3483.4kJ/kg和2386.5kJ/kg。试求：(1) 汽轮机发出的轴功率为多少千瓦？(2) 若考虑到汽轮机进口处蒸汽速度为70m/s，出口处速度为140m/s，则对汽轮机功率的计算有多大影响？(3) 如已知凝汽器出口的凝结水的焓为146.54kJ/kg，而1kg冷却水带走41.87kJ的热量，则每小时需多少吨冷却水？是蒸汽量的几倍？

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2-16 空气在某压气机中被压缩，压缩前空气的参数为p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后为p2=0.8MPa，v1=0.175m3/kg，若在压缩过程中每千克空气的内能增加146.5kJ，同时向外界放出热量50kJ；压气机每分钟生产压缩空气10kg。试求：(1) 压缩过程中对1kg空气所作的压缩功；(2) 每产生1kg压缩空气所需的轴功；(3) 带动此压气机所需功率至少要多少千瓦？

2-18 某燃气轮机装置如图2-12所示。已知压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg，经

压缩后，空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处与燃料混合，以c2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3'，h3'=800kJ/kg，流速增至c3'，燃气再进入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为c4=100m/s。求：

(1) 若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？ (2) 若燃料发热量q=43960kJ/kg，燃料耗量为多少？ (3) 燃气在喷管出口处的流速c3'是多少？ (4) 燃气透平(3'4过程)的功率为多少？ (5) 燃气轮机装置的总功率为多少？

图 2-12

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