工程热力学第 4 版习题解
解：（1） p1 ? pe,1 ? pb ? 9MPa ? 0.101325MPa ? 9.1MPa
2 p2 ? pb pv,2 ? 0.101325MPa 0.0974MPa ? 0.3925?10MPa
（2）据稳流能量方程，Q ? ?H ?Wt
P ? ? ?H ? ? qm?h
? 6.81?10 5 kJ/s 40? 1000 kg/s?(3441 2248)kJ/kg ? 13066.7kW
3600
（3）若计及进出口动能差，则
3600
qm 2
? ? qm(h2 h1) ? Pi '? 2 (cf 2 cf 2 )
1
qm 2 2 Pi ' ? (? qm?h) 2 (c f 2 cf1 )
40?10 3 2
]?10 3 ?13066.7kJ/s 2?3600 ?[(140m/s)2 (70m/s) ?13066.7kJ/s 81.7kJ/s ?12985kW
即汽轮机功率将减少 81.7kW
（4）若计及位能差，则
P \? (? qm?h) qmg?z
i
?13066.7kJ/s 40000kg/h ?9.81m/s 2
?( 1.4)m
3600s
?13066.7kJ/s ? 0.174kJ/s ?13066.9kW
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 h1 ? h' ? 396.2kJ/kg、h2 ? h\? 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
h1 ? h' ? 396.2kJ/kg， h2=h\? 223.2kJ/kg， h ? 25.1kJ/kg
锅炉中的换热率
?b ? qm(h2 h1)
? 0.005kg/s?[ 223.2kJ/kg ( 396.2kJ/kg)] ? 0.865kW
16
工程热力学第 4 版习题解
换热器中的换热率
?e ? qm(h3 h2)
? 0.005kg/s?[ 25.1kJ/kg ( 223.2kJ/kg)] ? 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 10kg/s，忽略水热力学能差 和动能差，假设水的比体积为 0.001m /kg，求水泵消耗的功率。
3
2 2 解：整个水管系统从-5m到 150m ? ? ? ? q ??h1 ? cf1 ? gz1 ? 。据稳定流动能量方程有? h2 ? cf 2 ? gz2 ? ws ? 0 2 2 ? ? ? ?
据题意， q ? 0、t1 ? t2、u1 ? u2，所以
ws ? [( p2v2 p1v1) ? g?z]
3
? (200kPa?0.001m /kg 600kPa?0.001m /kg) 3
9.81m/s2 ?(150m ? 5m)?10 3 ? 1.12kJ/kg
P ? qmws ? 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
25m
3
/ 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 cp ? 4.187kJ/(kg ?K)且水的焓差?h ? cp?t，水的密度取1000kg/m 。
3
解
Q ? ?H ? m2 (cf 2
cf1 ) ? mg(z2 z1) ?Ws
2 2
忽略管道中水进出口的动能差
qQ ? qm[?h ? g(e2 e1)]? Ps ? qm[cp (t2 t1)? g(z2 z1)]? Ps
m3 / h?1000kg/m ?[4.187kJ/(kg ?K)?(4 3.5) ? 25 D
C ?
3600
9.81m/s 2 ?(30? 6)m?10 3] 12kJ/s ? 4.99kJ/s ? 1.8?104
kJ/h
所以有必要加入加热器，加热量最小为1.8?10 4
kJ/h。
3
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
17
工程热力学第 4 版习题解
略去不计，求水泵功率。已知，在 200kPa、20℃时水的比体积v ? 0.001002m
3
解 能量方程
qV cf A ? 1000m/s?? ?(0.002m) qm ? v ? 2
v 4?0.001002m /kg
2
/kg
? 3.135kg/s
? ? ? ? q ??h1 ? cf1 ? gz1 ? ? h2 ? cf 2 ? gz2 ? ws ? 0
2 2 ? ? ? ?
2
2
据题意， q ? 0、t1 ? t2、u1 ? u2、z2 ? z1，所以
2 2 ?c ? ?c ? ws ? f 2 ? ( p2v2 p1v ) ? f 2 ? ( p2 p1)v 1 ? 1 ? ? ?
? 2 ? ?
? 2
2
?(1000m/s) ? 3 ? ? ? (100 200)kPa?0.001002m /kg = ? 500.0kJ/kg
? 2?1000 ?
P ? qmws ? 3.135kg/s?500.0kJ/kg= 1567.2kW
3
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，t ? 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?u?
kJ/kg
? ?
? 0.72 T ；焓
K
与温度的关系为?h?
kJ/kg
? ?
?1.005 T 。
K
解：取刚性容器为控制体，则
δQ ? dECV ? (hf 2 ? 12 c2 f 2 ? gz2)δm2 (h1 ? 12 cf1
? gz1)δm1 ? δWi
2
据题意，δQ ? 0，δWi ? 0，δm2 ? 0， cf
1
2
2
dECV ? h1δm1 ? hindmin
积分，?ECV ? hinm
in
和 g(z2 z1)可忽略不计，所以
? ?U ， min ? m2 m1，所以
。因?ECV
m2u2 m1u1 ? (m2 m1)hin
1 ? cpTin (m2 m1) ? m1cVT1 hin (m2 m1) ? m u1
T2 ?
m2cV m2cV
（a）
18
工程热力学第 4 版习题解
p1V1 0.2?10 Pa ?0.028m m1 ? ? ? 0.0332kg
6 3
RgT1 287J/(kg ?K)? 294.15K m2 ?
2
p V2 RgT2
6
? 0.2?10 ?0.028 ? 19.5
? 2 287 T
T2
（b）
联立求解式（a）、（b）得
m2 ? 0.0571kg，T2 ? 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 0.008m 3 ，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 ， h ?u? ? 0.657 T ? ? ? ? K kJ/kg
kJ/kg
? ?
? 0.917 T ，理想气体服从 pV ? mRgT 。求充入氧气袋内氧
K
气的质量？氧气 Rg ? 260J/(kg ?K)。
解：据能量方程
2
cf 2 δQ ? dECV ? (h ? c f
? gz)δmout (h ? 2 ? gz)δmin ? δWi 2
据题意，δQ ? 0，δmout ? 0，dECV ? dU ，忽略c f,in
和 gzin，则 2
2
dU hinδmin ? δWi ? 0
因δWi ? p0dV ，且氧气袋内氧气质量即充入氧气的质量，所以积分后
m2u2 hinm2 ? p0(V2 V1) ? 0 m2(u2 hin ) ? p0V2 ? 0 ? p2V2
又
（a） (b)
m2
R T g 2
3
? 0.657 T ， h 将 p2 ? 0.15MPa，V2 ? 0.008m ， u ? ? ? ? ? ? 2 kJ/kg 2 K in kJ/kg
? ?
? 0.917 T ，代入式（a）、
in
K
（b），解得
T2 ? 313.20K， m2 ? 0.0147kg
19
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 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 ? ? ? 1598.0kJ ??? 1h?1810kJ/h 6020 h?755kJ/h 40 h?300kJ/hQ ?
68kg ? 60 ?
100工作日后两人的体重差
?m ? 100? 1598.0kJ ? 4.04kg
39.8MPa
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
Q ? Q1 Q2 ? ?10 3 ? 30?100W ?15?120W ?
所以需打开取暖器补充热量。
25 000kJ/h ? 2.14kW 3600s/h
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
Q ' ? 55kg 5.5km
? ?1810kJ ? 1118.3kJ 68kg 7.2km
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 M ? 28.1?10 kg/mol，求：
3
（1） N2的气体常数 Rg；
20
工程热力学第四版课后习题答案-pdf
