工程热力学第4版习题解 解：(1)P,=Pa+A,=9MPa+0.101325MPa=9.1MPa P,=-p2=0.101325MPa-0.0974MPa=0.3925×102MPa (2)据稳流能量方程，Q=△H+W, P=D-△1=Φ-qM -us-40:3器4esx64l-28Ne=13n67元w 3600 (3)若计及进出口动能差，则 中=g.-M)+P4号(c2-c,) P'=(Φ-9.)-2(em2-c) 40×103 =130667us-2x3600×040ms-(70m6r]x10 =13066.7kJs-81.7kJs=12985kW 即汽轮机功率将减少81.7kW (4)若计及位能差，则 P"=(④-q△h)-qg4 13067kJ/s-0000kg.1m/s(14)m 3600s =13066.7kJs+0.174kJ/s=13066.9kW 已汽轮机功率将增加0.174kW。 2-14500kPa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500kPa的过 热器加热到275K,若氨的质量流量为0.005kg5,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h=h'=-396.2kJkg、么=h"=-223.2kJg,氨离开过热器时 的烙为h=-25.1kJkg 解：由题意，氨进入和离开锅炉及离开过热器时的焓分别为 h=h'=-396.2kJ/kg,h=h"=-223.2kJ/kg,h=-25.1kJ/kg 锅炉中的换热率 ①。=9(h-h) =0.005kgs×[-223.2kkg-(-396.2kJkg】=0.865kW 16
工程热力学第 4 版习题解 16 解：（1） 1 e,1 b pp p = += + = 9MPa 0.101325MPa 9.1MPa 2 2 b v,2 ppp 0.101325MPa 0.0974MPa 0.3925 10 MPa − =− = − = × （2）据稳流能量方程，Q HWt =Δ + 5 6.81 10 1000 kJ/s 40 kg/s (3441 2248)kJ/kg 13066.7kW 3600 3600 P H qh m =Φ−Δ =Φ− Δ − × = −× × − = （3）若计及进出口动能差，则 2 2 2 1 i f2 f 1 ( )' ( ) 2 m m q Φ= − + + − qh h P c c 2 2 i f2 f1 3 2 23 '( ) ( ) 2 40 10 13066.7kJ/s [(140m/s) (70m/s) ] 10 2 3600 13066.7kJ/s 81.7kJ/s 12985kW m m q P qh c c − = Φ− Δ − − × = −× − × × = −= 即汽轮机功率将减少 81.7kW （4）若计及位能差，则 i 2 "( ) 40000kg/h 13066.7kJ/s 9.81m/s ( 1.4)m 3600s 13066.7kJ/s 0.174kJ/s 13066.9kW P q h qg z m m = Φ− Δ − Δ = − × ×− = += 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 1 2 hh hh = =− = =− ' 396.2kJ/kg " 223.2kJ/kg 、 ，氨离开过热器时 的焓为 h = −25.1kJ/kg 。 解：由题意，氨进入和离开锅炉及离开过热器时的焓分别为 1 h h = =− ' 396.2kJ/kg ， 2 h h= " 223.2kJ/kg = − ， h = −25.1kJ/kg 锅炉中的换热率 b 21 ( ) 0.005kg/s [ 223.2kJ/kg ( 396.2kJ/kg)] 0.865kW m Φ= − qh h = ×− −− =
工程热力学第4版习题解 换热器中的换热率 .=g(h-) =0.005kgs×[-25.1kJ/kg-(-223.2kJkg】=0.991kW 2-15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10kgs,忽略水热力学能差 和动能差，假设水的比体积为0.001mkg,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 据题意，q=0、1=4=4,所以 "=-P2-P)+gA] =-(200kPax0.001mkg-600kPax0.001m'/kg) 9.81m/s2×(150m+5m)×103=-1.12kJkg P=9n"=-10kg/s×1.12kJ/kg=-112kW 2-16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 25m2/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c,=4187 kJ/(kg.K)且水的培差△h三C,△1，水的密度取1000kgm'. 解 Q=AH+ge2-c)+mg5-)+形 忽略管道中水进出口的动能差 9g=9[△h+ge,-e】+P=9[c,43-4)+g5,-=月+P _25m'/hx10o0kemx4.187kgK)x4-3.5)'C+ 3600 9.81m/s2×(30+6)m×10]-12kJ/s=4.99ks=1.8×10kJh 所以有必要加入加热器，加热量最小为1.8×10kh。 2-17一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0.002m,射出水流温度20℃，流速1000m5,假定喷嘴两侧水的热力学能变化可 17
工程热力学第 4 版习题解 17 换热器中的换热率 e 32 ( ) 0.005kg/s [ 25.1kJ/kg ( 223.2kJ/kg)] 0.991kW m Φ= − qh h = ×− −− = 2−15 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 3 0.001m /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 2 2 f1 f2 1 1 2 2s 0 2 2 c c q h gz h gz w + + + − + + −= ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ 据题意， 121 2 q ttuu == = 0、 、 ，所以 s 2 2 11 3 3 2 3 [( ) ] (200kPa 0.001m /kg 600kPa 0.001m /kg) 9.81m/s (150m 5m) 10 1.12kJ/kg w pv pv g z − =− − + Δ =− × − × − × + × =− s P qw = =− × =− m 10kg/s 1.12kJ/kg 11.2kW 2−16 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 3 25m / 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) p c = ⋅ 且水的焓差 p Δhct ≅ Δ ，水的密度取 3 1000kg/m 。 解 2 2 f2 f1 2 1 s ( )( ) 2 m Q H c c mg z z W = Δ+ − + − + 忽略管道中水进出口的动能差 2 1 21 2 1 s [ ( )] [ ( ) ( )] Qm m s p q q h ge e P q c t t gz z P = Δ+ − + = − + − + 3 3 2 3 4 25 / h 1000kg/m m [4.187kJ/(kg K) (4 3.5) C 3600 9.81m/s (30 6)m 10 ] 12kJ/s 4.99kJ/s 1.8 10 kJ/h − × = × ⋅ ×− + × + × − = =× D 所以有必要加入加热器，加热量最小为 4 1.8 10 kJ/h × 。 2−17 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 略去不计，求水泵功率。已知，在200kPa、20C时水的比体积v=0.001002m3kg g.=4=S4-100msXx00w2m-=3135kgs vv4×0.001002m2/kg 能量方程 4*++=小=0 据题意，q=0、1=5、4,=4、52=5,所以 =[臣+a-a时-[手+a-a] -[gg+0m-2kaxanome-aue P=9",=-3.135kgs×500.0kJkg=-1567.2kW 2-18一刚性绝热容器，容积为V=0.028m,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 p=0.7MPa,1=21C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{w=0.72{T}k:烩 与温度的关系为{hn=1.005{T}x· 解：取刚性容器为控制体，则 80=dw+:+5+g=,m-+与6+g6m+8所 据题盒，60=0,8斯=0，m=0,号和86-可忽略不计，所以 dEw=hδim=h.dm。 积分，△Ecv=hm。因△E=△U,mn=m,-m,所以 万=(m,-m)+m4_9工m,-m)+m6工 (a) m.c m.Cy 18
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 3 v = 0.001002m /kg 解 2 f 2 1000m/s (0.002m) 3.135kg/s 4 0.001002m /kg V m q c A q v v × × π == = = × 能量方程 2 2 f1 f2 1 1 2 2s 0 2 2 c c q h gz h gz w + + + − + + −= ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎝ ⎠ 据题意， 121 22 1 q ttuuz z == = = 0、 、 ，所以 2 2 f2 f2 s 2 2 11 2 1 1 2 3 ( ) () 2 2 (1000m/s) (100 200)kPa 0.001002m /kg = 500.0kJ/kg 2 1000 c c w pv pv p p v =− + − =− + − =− + − × − × ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ P qw = m s =− × − 3.135kg/s 500.0kJ/kg= 1567.2kW 2−18 一刚性绝热容器，容积为 3 V = 0.028m ，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 p t = =° 0.7MPa 21 C ， 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/kg K u T = 0.72 ；焓 与温度的关系为{ } { } kJ/kg K h T = 1.005 。 解：取刚性容器为控制体，则 2 2 CV f 2 f 2 2 2 1 f 1 1 1 i 1 1 δ d( )δ ( )δ δ 2 2 Q E h c gz m h c gz m W = + + + −+ + + 据题意，δQ = 0 ， i δW = 0， 2 δm = 0 ， 1 2 f 2 c 和 2 1 g( ) z z − 可忽略不计，所以 CV 1 1 in in dE = = hm h m δ d 积分， ECV in in Δ = h m 。因 Δ =Δ ECV U ， m mm in 2 1 = − ，所以 2 2 1 1 2 1 in mu mu m m h − =− ( ) in 2 1 1 1 in 2 1 1 1 2 2 2 ( ) ( ) p V V V h m m mu c T m m mc T T mc mc − + − + = = （a）
工程热力学第4版习题解 %=2'-02x10Pax0028m R7287kg-KN)x29415K=0.032g 02- (b) T, 联立求解式(a、(b)得 m2=0.0571kg,T=342.69K 2-19医用氧气袋中空时是扁平状态，内部容积为零。接在压力为14MP阳，温度为17℃ 的钢质氧气瓶上充气。充气后氧气袋隆起，体积为0.008m,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，其热力学能和培可表示为 {四uw=0.657{T}k,{u=0.917{T}k,理想气体服从pr=mRT。求充入氧气袋内氧 气的质量？氧气R=260JgK). 解：据能量方程 60=。++号+i8-+号+g0m+8 2 据题意，80=0,6mu=0,d6v=d0U,忽略号和g.,则 dU-hδm.+δW=0 因δW=P,业，且氧气袋内氧气质量即充入氧气的质量，所以积分后 m,4-hm+P,(化-)=0 m,(4-h)+P,=0 (a) 又 风学 将A=0.15MPa,g=0.08m,{aue=0657亿x,仇=0.917{亿k,代入式(a小 (b),解得 T=313.20K,m,=0.0147kg 19
工程热力学第 4 版习题解 19 6 3 1 1 1 g 1 0.2 10 Pa 0.028m 0.0332kg 287J/(kg K) 294.15K p V m R T × × == = ⋅ × 6 2 2 2 g2 2 2 0.2 10 0.028 19.5 287 p V m R T TT × × == = × （b） 联立求解式（a）、（b）得 2 m = 0.0571kg ， 2 T = 342.69K 2−19 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 3 0.008m ，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/kg K u T = 0.657 ，{ } { } kJ/kg K h T = 0.917 ，理想气体服从 g pV mR T = 。求充入氧气袋内氧 气的质量？氧气 g R = ⋅ 260J/(kg K) 。 解：据能量方程 2 2 f f CV out in i δ d( )δ ( )δ δ 2 2 c c Q E h gz m h gz m W = ++ + −+ + + 据题意，δQ = 0 ， out δm = 0 ， CV d d E = U ，忽略 in 2 f, 2 c 和 in gz ，则 in in i dU hm W − += δ δ 0 因 i 0 δW pV = d ，且氧气袋内氧气质量即充入氧气的质量，所以积分后 2 2 in 2 0 2 1 mu h m p V V − + −= ( )0 2 2 in 0 2 m u h pV () 0 −+ = （a） 又 2 2 2 g 2 p V m R T = (b) 将 3 2 2 p V = = 0.15MPa 0.008m ， ，{ 2 2 } { } kJ/kg K u T = 0.657 ，{ in in } { } kJ/kg K h T = 0.917 ，代入式（a）、 （b），解得 2 T = 313.20K ， 2 m = 0.0147kg
工程热力学第4版习题解 2-20两个体重都是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60min,而B则每天驾驶汽车20min上下班，另40min用于看电视，试确定100工作日 后这两人的体重差。 解：每个工作日男子A比B多消耗能品 是1510-器4：7suh830wua小-56 100工作日后两人的体重差 -m35 =4.04kg 2-21一间教室通过门窗散发热量25000kJh,教室内有30名师生，15套电子计算机， 若每人散发的热量是100W,每台计算机功率120W,为了保持室内温度，是否有必要打开取 暖器？ 解取室内空气为系统，可以认为空气温度是温度的函数因甲=0，为保持温度不变 Q=g-Q,=(60x10w+15x120w)x102_2500Jh.-214kw 3600sh 所以需打开取暖器补充热量。 2-22一位55kg的女士经不住美味的诱惑多吃了0.25L冰激凌，为了消耗这些额外的冰 激凌的能量她决定以7.2kmh的速度步行5.5km回家，试确定她能否达到预期目的？ 解如果步行消耗的热量与025L冰激凌提供的热量相当，她即能达到预期目的。0.25 冰激凌提供的热量 0=250ml×4.60kJ/ml=1150kJ 55kg的女士步行5.5km消耗的热量 _5k3×55mx18101=1183W g'=6g72km Q>Q',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 31己知氨气的摩尔质量M=28.1x103kgm0l,求： (1)N2的气体常数R: 20
工程热力学第 4 版习题解 20 2−20 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：每个工作日男子 A 比 B 多消耗能量 80kg 20 40 1h 1810kJ/h h 755kJ/h h 300kJ/h 1598.0kJ 68kg 60 60 Q = ×× − × − × = ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 100 工作日后两人的体重差 1598.0kJ 100 4.04kg 39.8MPa Δ= × = m 2−21 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 120 W，为了保持室内温度，是否有必要打开取 暖器？ 解 取室内空气为系统，可以认为空气温度是温度的函数因W = 0，为保持温度不变 ( ) 3 1 2 25 000kJ/h 30 100W 15 120W 10 2.14kW 3600s/h QQQ − = − = × + × × − =− 所以需打开取暖器补充热量。 2−22 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 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 Q = 250ml 4.60kJ / ml 1150kJ × = 55kg 的女士步行 5.5km 消耗的热量 55kg 5.5km ' 1810kJ 1118.3kJ 68kg 7.2km Q =× × = Q Q> '，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 3−1 已知氮气的摩尔质量 3 M 28.1 10 kg/mol − = × ，求： （1） N2 的气体常数 Rg ；