·22· 工程热力学 4=(信)a.07159-0.08620)+0.08620=008174, r=0.00120 由式(2.3)得v=0.00120+(0.85)(0.08474-0.00120)=0.07221(m2/kg)。 2.3一个50ft的容积中装有101bm的水蒸气。如果温度为263℉，求其干度和压力。 解面表C-1E中没有直接给出温度值，我们在260℉和270℉之间插值得 w=(3)10.06-11.768)+11.768-11.257, y5-0.017 由已知条件得 v=岩-器=om） 由式(2.3)可得干度如下： 5=0.017+x(11.257-0.017),x=0.4433 压力可插值得 P=(晶)水41.35-35.42+35.2=37.35p0) 2.4加热体积为1.2m3的饱和水，直至其完全汽化。如果压力保持600kPa恒定，求最终的 体积。 解球由表C-2查得斯，则质量为 、1.2 -0.00=1091(kg) 当完全汽化时，其比体积变为®，所以 V=mv.=(1091)(0.3157)=344.4(m3) 2.5一个5m3的刚性容器中装有干度为0.8，压力为2MPa的水。如果用冷却容器的方法将 压力降到400kPa,求最终蒸汽的质量mg和液体的质量f。 解密由表C-2可得初始比体积 t=+x(a-y)=0.00118+(0.8)(0.09963-0.00118)-0.07994(m3/kg) 因为容器是刚性的，所以比体积没有改变。压力为400kPa的状态下比体积仍为0.07994。这样我们 可以求解干度如下： 0.07994=0.0011+x(04625-0.0011).x=0.1709 水的总质量是 m=业=5 -a.07994=62.55(kg) 由式(2.2)可得燕汽的质量m=.xm=(0.1709)(62.55)=10.69kg。则液体的质量为 m4=m-m.=62.55-10,69=51.86(kg) 2.6一刚性容器里的水处于临界点状态。冷却容器和水，直至压力达到10Psi,计算最终的 千度。 解锣在表C-2E中根据压力等于3203.6psi查得初始比体积=0.05053f忙/八6m。因为容器是 刚性的，所以比体积没有改变，因此，P2=10psi时 =0.05053=0.01659+x2(38.42-0.01659),x=0.000884 这表明最终状态非常接近饱和液体线。 2.7-个活塞-气缸装置中装有两公斤的氟里昂12，如图2-1所示。直径20mm,质量为 48kg的活塞可以自由升降。计算温度达到160℃时的体积。 解切气缸内的绝对压力是由大气压力和活塞重力共同引起的 P=P.+兴=1o000+868=160×10(P)度1.6MP 在此压力和160℃的温度下，氟里昂12处于过热态。从表D-3可得比体积v=0.0169m/kg。则容 积为
第二章纯质的性质 ·23· V=mv=(2)(G.0169)-0.0338(m3) 2.8如图2-7所示，气缸中有干度为0.9的水蒸气0.01kg。弹簧 刚好与活塞顶部接触。加热至弹簧被压缩了15.7cm。计算 最终温度。 K=50 kNim 解围气缸内的初始压力是由大气压力和活塞重力共同引起的 160kg h=P+署=1o0o0+4890 r(0.2)2/4 =150000(Pa)或0.150(MPa) 由表C一2经插值得初始比体积 功=r十x(xU） =0.0011+(0.9)(1.164-0.0011)二1.048(m2/kg) 20cm- 气缸内所含蒸汽的初始容积是：V1=m=(1.048)(0.01)= 0.01048m。其高度H可以计算如下： 图2-7 V=4H,0.01048=0,2y2H,H-0.334m 4 4 则最终容积为 -(H+a15m)=40,2(0,34+0.15n=001536m） 4 最终比体积为 =片-085=上58（me） 0.01 最终压力为 A=B+74=15000+50029,}52=40000(Pa)或Q40MP π(0.2)2/4 该压力和比体积能使我们确定温度。它显然高于过热状态表中的最后一个值00℃，我们可以外椎或 用理想气体定律 T,-P:-400》.543)=1337K或1064℃ R 0.4615 2.9一个20×100×10t的房间，请估算夏天T=90℉和冬天T=10℉两种情况下房间中空 气重量的差别。取P=14psi。 解审冬天和夏天空气的质量为 %-器-w8810D-1375.4ubm） (53.3)(90+460) m=L4)144201c010)]=1609.51bm (53.3)(10+460) 两者质量差为△m=1609.5-1375.4=234.11bm。假定使用标准重力加速度，重量和质量在数值上相 等，于是△W=234.11bf。 2.10一增压仓内的空气在温度为70℉时表压力为40psi。当表压力达到200psi时会发生爆 裂，此时的温度是多少？ 解团我们假定随着温度的增加其容积保持恒定。由式(2.9)可以写成 y=mRTmRT: P, 因为m和R是常数， 君-； 采用压力和温度的绝对值，我们有 T,-T景-(70+460)20+鹄-2080R=1620T (40+14.7)(144)
·24· 工程热力学 补充习题 2.11利用附录中的水蒸气表C-1和C-2,按一定比例绘制(a)Pv图，(b)PT图(c)Tv图。选择线 性线性图或对数对数图中的一种绘制。注意2.2节和2.3节中不同图的变形，为了展现不同的区 域，这样的变形是需要的。 2.12计算下列情况下的比体积：(a)200℃的水，千度为80%；(b)一60℃的氟里昂12，干度为90%； (c)500kPa的氨，千度85%。 答案(a)0.1c22m3/kg(b)0.5736m/kg(c)0.2133m/kg 2.13下列每种物质的干度都是80%。计算其比体积。(a)500psi的水；(b)80Psi的氟里昂12：(c)20℉的 氨。 答案(a)0.7466f3Ibm(b)0.4078fr3/1bm(c)4.733frf1bm 2.145kg的水蒸气占据了10m的体积，如果温度为(a)40℃(b)86℃，求干度和压力。 答案(a)0.1024,7.383kPa(b)0.7312,60.3kPa 2.15如果3kg的水在恒压下被加热至干度为60%，请确定水和水蒸气的混合物的最终体积。压力为 (a)25kPa,(b)270kPa。 答秦(a)11.6m3(b)1.24m3 2.162kg的饱和水在125kPa下完全汽化。计算(a)汽化前和(b)汽化后的体积。 答素(a)0.002m3(b)2.76m2 2.17101bm的水的温度保持205℉恒定，其压力从很高的值一直下降到水完全汽化。请确定水蒸气的最终 体积。 答案307.2ft3 2.18容积为10m2的刚性容器中装有400kPa的水蒸汽混合物。如果干度为60%，求其质量。通过冷却该 容器使压力降到300kPa,求me和m/。 答案35.98kg,16.47kg,19,51kg 2,19一刚性容器中装有干度为0.85，压力为200kPa的水蒸气。加热至温度达到(a)400℃(b)140℃。 确定最终压力。 答案(a)415kPa(b)269kPa 2,20一刚性容器内有400℉的水。对其加热，水的状态将经过临界点。在温度为400℉时的干度是多少？ 答案0.01728 2.21氟里昂12装在一个密封的玻璃容器中，温度为50℃。当它被冷却到20℃时，侧壁面上明显有蒸气凝 结戒液滴。求该容器中的初始压力。 答案650kPa 2,2一活塞-气缸装置中有2kg的水，无摩擦的活塞质量为1600kg,直 旅 径2m,见图2-1。加热至温度达到(a》400℃，(b)650℃，(c) 140℃。计算其最后的体积。 K=500 kN/m 无摩搬 答案(a)4.134m3(b)5.678m3(c)2.506m 活塞 2,23图示（图2-8）的容积中有干度为0.8的水蒸气2kg。然后将一个 16000kg 弹簧与活塞顶部相接触，加热至温度达到500℃。请确定最终的 压力。（弹簧力为Kx,其中x是弹簧的位移。这需要反复试验得 到结果。) 答案220kPa 2.2410kg水在10MPa的压力下，当温度为(a)5℃，(b)200℃，(c) 400℃，(d)800℃，(e)1500℃，(f)一10℃时的体积是多少？ 答案：（a)0.00996m3(b)0.0115m3(c)0.2641m3 2m (d)0.4859m3(e)0.8182m3(fD0.01089m3 2.25计算100pi和60℉下的空气的(a)密度，(b)比体积，(c)重度， 图2-8 取g=32.1ft/sec2.(d)200fr中含有的质量。 答案(a)0.51961bm/e(b)1.925f/1bm(c)0.5181bf/fr(dD103.91bm
第二章纯质的性质 ·25· 2.26请给出某一海拔高度空气的被遗漏的数据，g=9.82m/s2。 P/kPa T℃ /(m3/kg) o/(kg/m) Y/(/m3) (a) 100 名 (b) 100 2 e 500 0.1 (d) 400 20 (e) 200 2 答案(a)0.8409,1.189,1.68 (b)53.53,0.5,4.91(c)一98.8,10,98.2，(d)393.4,0.491, 2.037(e)75.4,0.5,19.64 2.27假设大气是等温的，其温度等于一20℃，清确定海拔(a)3000m和(b)10000m处的压力。令在地球表 面，P=101kPa。计算百分比误差，将压力的计算值分别与测得值70.1kPa和26.5kPa进行对比。 答案(a)67.3kPa,-3.99%(b)26.2kPa,一I.13% 2.28(a)假定大气温度可以用T=15-0.00651z℃计算，请确定在海拔10km处的压力。在海平面处P- 101kPa。(b)计算百分比误差，将(a)的结果与测得值26.5kPa进行对比。 答案(a)26.3kPa(b)-0.74% 2,29温度为0℉时一汽车轮胎的表压力是35psi。该汽车驶人气侯温暖的地区，源度升高到10℉。估算 轮胎压力是多少。 答案47.97ps 2.30压力为4200kPa的氮气存放在一个4m3的刚性容器中。如果温度为(a)30℃，(b)一120℃，请确定其 质量。 答案(a)0.1867kg(b)0.3697kg 2.31利用(a)理想气体方程，(b)范德瓦耳斯方程，(c)瑞德里奇-邝方程，(d)压缩因子估算温度为220K, 比体积为0.04m3kg的氮气的压力。 (a)1630kPa (b)1580kPa (c)1590kPa (d)16000kPa 2.3210kg,600℃的水蒸气装在一个182升的罐中。利用(a)理想气体方程，(b)范德瓦耳斯方程，(c)瑞德 里奇-邝方程，(d)压缩因子，(e)水蒸气表。求其压力。 (a)22.2MPa (b)19.3MPa (c)19.5MPa (d)19.5MPa (e)20MPa 2.33200℉的氯里号12的密度为1.84bm/f。利用(a)理想气体方程.(b)范德瓦耳斯方程，(c)瑞德里 奇-邝方程，(d)压缩因子，(e)氟里昂12表。求其压力。 (a)108psi (b)101psi (c)100psi (d)100psi (e)100psi
第三章 功和热量 3.1引曹 在这一章中，我们将讨论导致能量穿越系统边界的两个量：功和热量。这也将引出热力学 第一定律的表述。我们将详细讨论功，并对一些常见的情况进行计算。对热量的计算则需要 进行充分的分析。在大部分工程项目中，传热课题被包含在不同的过程当中。在热力学中，热 量是作为代数方程中的未知量被计算或是作为已知量给出的。 3.2功的定义 功这一术语的含义是如此广泛，以至于我们在技术上的定义必须是很特定的。例如，它必 须包含如图3-1所示的汽车发动机气缸中的燃烧结束后，由于排气膨胀所作的功。在燃烧过 程中能量通过连杆以功的形式释放到曲轴。在这个例子中，功可以看成是穿越系统边界转移 的能量，这个系统就是气缸中的气体。 活塞 速度 气缸 连杆 图3-1 功，指定符号为W,常被定义为力与在力的方向上移动距离的乘积。这是功的机械定义。 功的更加通用的定义是热力学定义：功，是系统及其外界间相互作用的一种形式，如果对外界 的惟一外在影响是能提升重物，则系统对外界作了功。功的大小等于重量与提升距离的乘积。 图3-2(b)表现了图3-2(a)中显示的相互作用如何被看作热力学意义上的功。 电阻 100%高效 尤摩粮 电动机 清轮 系统边界 电池 系统边界 电池 重物 (b) 图3-2 选定正功的习惯方法是，如果系统向外界环境作功，功为正。活塞压缩流体作的是负功， 反之，流体膨胀推动活塞作正功。功的单位可以很快由力与距离的乘积的单位得到：在国际单 位制中是牛顿·米(N·m)或焦耳(J);在英制中是ft-lbf。 作功的比率被称为功率，用W表示。在国际单位制中功率的单位是焦耳每秒(J/s)或瓦 特(W);在英制中是tb/sec。我们还会碰到以马力为单位的情况，这一单位广泛用于对发 动机的评价中。换算关系很简单：1hp=0.746Kw一550ft-lbf/sec