工程热力学廉乐明 - - 第五版答案

工程热力学作业题

2-2.已知N2的M＝28，求（1）N2的气体常数；（2）标准状态下N2的比容和密度；（3）p?0.1MPa，

t?500℃时的摩尔容积Mv。

解：（1）N2的气体常数

R?R08314?＝296.9J/(kg?K) M28（2）标准状态下N2的比容和密度

v?RT296.9?2733?＝0.8m/kg p10132513＝1.25kg/m v??（3）

p?0.1MPa，t?500℃时的摩尔容积Mv

Mv ＝

R0Tp＝64.27m3/kmol

2-3．把CO2压送到容积3m3的储气罐里，起始表压力

pg1?30kPa，终了表压力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?p1v1 RT1p2v2 RT2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

1

p1?pg1?B p2?pg2?B

T1?t1?273 T2?t2?273

压入的CO2的质量

（1） （2） （3） （4）

m?m1?m2?m=12.02kg

vp2p1(?) RT2T1（5）

将（1）、(2)、(3)、(4)代入（5）式得

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(?)?(?)?1000＝41.97kg RT2T12873002732-6 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??kg

RT2287?288压缩机每分钟充入空气量

pv1?105?3m??kg

RT287?288所需时间

t?m2?19.83min m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；

2

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??59.5 m3 P10.1，则要压缩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?19.83min 32－8 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?582K V1（2）空气的初容积

p=3000×9.8/(πr2)+101000=335.7kPa

V1?mRT1?0.527 m3

pV22V1?＝0.5 m3/kg mm空气的终态比容

v2?或者

v2?RT2?0.5 m3/kg p（3）初态密度

?1?m2.12?＝4 kg /m3 V10.5271?2??2 kg /m3

v2

3

2-9

解：（1）氮气质量

pv13.7?106?0.05m??＝7.69kg

RT296.8?300（2）熔化温度

pv16.5?106?0.05T??＝361K

mR7.69?296.8

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?＝28.86 gi0.2320.768??M3228i气体常数

R?R08314?＝288J/(kg?K) M28.86容积成分

ro2?go2M/Mo2＝20.9％ rN2?

1－20.9％＝79.1％

标准状态下的比容和密度

??v?

M28.86?＝1.288 kg /m3

22.422.41?＝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%，

4

rCO2?0.2%，rN2?1.83%。试求：

（1） 天然气在标准状态下的密度； （2） 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/m3 22.422.4（2）各组成气体在标准状态下分压力 因为：

pi?rip

pCH4?97%*101.325?98.285kPa

同理其他成分分压力分别为：（略） p51

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。

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