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工程热力学(第五版)习题答案

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工程热力学（第五版）廉乐明 谭羽非等编 中国建筑工业出版社

第二章 气体的热力性质

2-2.已知

N2的M＝28，求（1）N2的气体常数；Np?0.1MPa，

（2）标准状态下2的比容和密度；（3）

t?500℃时的摩尔容积Mv。

解：（1）

N2的气体常数

R?R08314?M28＝296.9

J/(kg?K)

（2）标准状态下

N2的比容和密度

v?RT296.9?273?p101325＝0.8m3/kg

??13v＝1.25kg/m

p?0.1MPa，t?500℃时的摩尔容积Mv

（3）

R0TMv ＝p＝64.27m3/kmol

pg1?30kPa，终了表压力

2-3．把CO2压送到容积3m3的储气罐里，起始表压力

pg2?0.3Mpa，温

度由t1＝45℃增加到t2＝70℃。试求被压入的CO2的质量。当地大气压B＝101.325 kPa。 解：热力系：储气罐。 应用理想气体状态方程。 压送前储气罐中CO2的质量

m1?p1v1RT1 p2v2RT2

压送后储气罐中CO2的质量

m2?根据题意

容积体积不变；R＝188.9

p1?pg1?B

（1） （2） （3） （4）

p2?pg2?BT1?t1?273 T2?t2?273

压入的CO2的质量

m?m1?m2?vp2p1(?)RT2T1

（5）

将（1）、(2)、(3)、(4)代入（5）式得 m=12.02kg

2-5当外界为标准状态时，一鼓风机每小时可送300 m3的空气，如外界的温度增高到27℃，大气压降低到99.3kPa，而鼓风机每小时的送风量仍为300 m3，问鼓风机送风量的质量改变多少？ 解：同上题

m?m1?m2?

vp2p130099.3101.325(?)?(?)?1000RT2T1287300273＝41.97kg

2-6 空气压缩机每分钟自外界吸入温度为15℃、压力为0.1MPa的空气3 m3，充入容积8.5 m3的储气罐内。设开始时罐内的温度和压力与外界相同，问在多长时间内空气压缩机才能将气罐的表压力提高到0.7MPa？设充气过程中气罐内温度不变。 解：热力系：储气罐。 使用理想气体状态方程。 第一种解法：

首先求终态时需要充入的空气质量

p2v27?105?8.5m2??RT2287?288kg

压缩机每分钟充入空气量

pv1?105?3m??RT287?288kg

所需时间

t?m2?m19.83min

第二种解法

将空气充入储气罐中，实际上就是等温情况下把初压为0.1MPa一定量的空气压缩为0.7MPa的空气；或者说0.7MPa、8.5 m3的空气在0.1MPa下占体积为多少的问题。 根据等温状态方程

pv?const

0.7MPa、8.5 m3的空气在0.1MPa下占体积为

V1?p2V20.7?8.5??59.5P10.1 m3

，则

59.5 m3的空气需要的时间

压缩机每分钟可以压缩0.1MPa的空气3 m3

??

59.5?319.83min

2－8 在一直径为400mm的活塞上置有质量为3000kg的物体，气缸中空气的温度为18℃，质量为2.12kg。加热后其容积增大为原来的两倍。大气压力B＝101kPa，问：（1）气缸中空气的终温是多少？（2）终态的比容是多少？（3）初态和终态的密度各是多少？ 解：热力系：气缸和活塞构成的区间。 使用理想气体状态方程。 （1）空气终态温度

T2?V2T1?V1582K

（2）空气的初容积

p=3000×9.8/(πr2)+101000=335.7kPa

V1?mRT1?p0.527 m3

空气的终态比容

v2?或者

V22V1?mm＝0.5 m3/kg

v2?RT2?p0.5 m3/kg

（3）初态密度

?1?m2.12?V10.527＝4 kg /m3 1?v22 kg /m3

?2? 2-9

解：（1）氮气质量

pv13.7?106?0.05m??RT296.8?300＝7.69kg

（2）熔化温度

pv16.5?106?0.05T??mR7.69?296.8＝361K

2－14 如果忽略空气中的稀有气体，则可以认为其质量成分为

go2?23.2%，gN2?76.8%。试求

空气的折合分子量、气体常数、容积成分及在标准状态下的比容和密度。 解：折合分子量

M?11?gi0.2320.768??M3228i＝28.86

气体常数

R?R08314?M28.86＝288J/(kg?K)

容积成分

ro2?go2M/Mo2rN2?

＝20.9％

1－20.9％＝79.1％

标准状态下的比容和密度

??M28.86?22.422.4＝1.288 kg /m3 1v?

?＝0.776 m3/kg

2-15 已知天然气的容积成分

rCH4?97%，

rC2H6?0.6%，

rC3H8?0.18%，

rC4H10?0.18%，

rCO2?0.2%，

rN2?1.83%。试求：

天然气在标准状态下的密度； 各组成气体在标准状态下的分压力。 解：（1）密度

M??riMi?(97?16?0.6?30?0.18?44?0.18?58?0.2?44?1.83?28)/100＝16.48

?0?M16.48??0.736kg/m322.422.4 pi?rip

98.285kPa

（2）各组成气体在标准状态下分压力 因为：

pCH4?97%*101.325?

同理其他成分分压力分别为：（略）

第三章 热力学第一定律

3－1 安静状态下的人对环境的散热量大约为400KJ/h，假设能容纳2000人的大礼堂的通风系统坏了：（1）在通风系统出现故障后的最初20min内礼堂中的空气内能增加多少？（2）把礼堂空气和所有的人考虑为一个系统，假设对外界没有传热，系统内能变化多少？如何解释空气温度的升高。 解：（1）热力系：礼堂中的空气。 闭口系统

根据闭口系统能量方程

Q??U?W

因为没有作功故W=0；热量来源于人体散热；内能的增加等于人体散热。

Q?2000?400?20/60＝2.67×105kJ

（1）热力系：礼堂中的空气和人。 闭口系统

根据闭口系统能量方程

Q??U?W

因为没有作功故W=0；对整个礼堂的空气和人来说没有外来热量， 所以内能的增加为0。

空气温度的升高是人体的散热量由空气吸收，导致的空气内能增加。

3－5，有一闭口系统，从状态1经a变化到状态2，如图，又从状态2经b回到状态1；再从状态1经过c变化到状态2。在这个过程中，热量和功的某些值已知，如表，试确定未知量。