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1、工程热力学例题1已知一闭口系统沿a c b途径从状态a变化到状态b时，吸入热量80KJ/kg，并对外做功30KJ/Kg。(1) 、过程沿adb进行，系统对外作功10KJ/kg，问系统吸热多少？(2) 、当系统沿曲线从b返回到初态a、外界对系统作功20KJ/kg,则系统 与外界交换热量的方向和大小如何？ 、若ua=O, ud=40KJ/Kg，求过程ad和db的吸热量。解：对过程acb，由闭口系统能量方程式得：乙讪尙t 岭= 80 30 = 50kJ/kg(1) 、对过程adb闭口系统能量方程得：g龈=S泌+甜讪 畑=甸+ 10 = 60kJ/kg(2) 、对b-a过程，同样由闭口系统能量方程得:
2、処7=，1 + Wba- + uvn 二-50 - 20 = - 70kJ/kg即，系统沿曲线由b返回a时，系统放 热 70KJ/Kg。(3)、当 ua=0, ud=40KJ/Kg，由 ub-ua=50KJ/Kg，得 ub=50KJ/Kg，且： (定容过程过程中膨胀功wdb=0)卩询=+馆曲=叫 =lUkJ/kg过程 ad 闭口系统能量方程得： 讥：二.h” ； - 40 I过程db 闭口系统能量方程得：:x _ h -I：, - sn (二-Jk.l k.L2. 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2
3、0min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fi = At7 + JF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 x 400x20/60= 2.67X105kJ(2)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. 空气在某压气机中被压缩。压
4、缩前空气的参数是p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg；压缩后的参数是p2=0.8MPa, v2=0.175m3/kgo假定空气压缩过程中，1kg空气的热力学能增加146KJ,同时向外放出热量50KJ，压气机 每分钟产生压缩空气10kg。求：(1) 压缩过程中对每公斤气体所做的功；(2) 每生产1kg的压缩空气所需的功；(3) 带动此压气机至少需要多大功率的电动机？分析：要正确求出压缩过程的功和生产压缩气体的功，必须依赖于热力系统的正确选取，及对功的类型的 正确判断。压气机的工作过程包括进气、压缩和排气3个过程。在压缩过程中，进、排气阀门均关闭，因 此此时的热力系统式闭口系统，与外界交
5、换的功是体积变化功w。要生产压缩气体，则进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出气缸，因此气体与外界交换的功为 轴功ws。又考虑到气体动、位能的变化不大，可忽略，则此功也是技术功wt。(1)解：压缩过程所做的功，由上述分析可知，在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此取气缸中的气体 为热力系统，如图(a)所示。由闭口系统能量方程得：:z = g -= -和 kJ伽）一 146 klkg - - 19b kjAg(2)生产压缩空气所需的功，选气体的进出口、气缸内壁及活塞左端面所围空间为热力系统，如(b)图 虚线所示，由开口系统能量方程得：=(50kJ/k迅 L (46kJ/kg) - (0.8 X
6、10s kE5ax U. 175 m3zkg0. I x 1 ( kPa ： 0.845 ti?/hg-251.5UJ佻电动机的功率：加宀7代7 c4.某燃气轮机装置如图所示，已知压气机进口处空气的比焓h1=290kJ/kg。经压缩后空气升温使比焓增为 h2=580kJ/kg，在截面2处空气和燃料的混合物以cf2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸 入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3，h3=800kJ/kg，流速增加到cf3，此燃气进 入动叶片，推动转轮回转作功。若燃气在动叶片中的热力状态不变，最后离开燃气轮机的速度cf4=100m/s, 若空气流量
7、为100kg/s，求：(1) 压气机消耗的功率为多少？(2) 若燃气的发热值qB=43960kJ/kg,燃料的耗量为多少？(3) 燃气喷管出口处的流速是多少？(4) 燃气轮机的功率为多少？(5) 燃气轮机装置的总功率为多少？解(1)压气机消耗的功率，取压气机开口系统为热力系。 假定压缩过程是绝热的，忽略宏观动、位能差的影响。由稳 定流动能量方程：得：压233媾烧室AZi +卜必比乂 + tvtt,r = 一讪二 A i - h ? - 29( kjAg 3 580 kJ /k耳 一 -290 kJ /kg由此可见压缩机消耗的轴功增加了气体的焓值。压气机消耗的功率：匕-电花 = 100 kg A
8、 x 290 kJ/kg =翦 000 kW(2)燃料的耗量：认(3)燃料在喷管出口处的流速cf3、取截面2至截面3的空间作为热力系，工质做稳定流动，若忽略重 力位能差值，则能量方程为：q - (Aj-心 + yG.-L -壮)1 g因 ws=0 ， 故 ：5.1kg空气在可逆多变过程中吸热40kJ，其容积增大为v2=10v1，压力降低为p2=p1/8，设比热为定值， 求过程中内能的变化、膨胀功、轴功以及焓和熵的变化。解：热力系是1 kg空气，过程特征：多变过程ln(vl/v2) h(l/10)77cp-R-cv=Jf(kgK)J因为：二内能变化为：:=-R =2膨胀功：w=q-Au=32X1
9、03J 轴功：ws二nw=28.8X103J焓变：h=cpAT=kAu=1.4X8=n.2X103J熵变：As二=0.82X 103J/(kgK )6.某可逆机同时与温度为Tl=420K、T2=630K、T3=840K的三个热源连接，如下图所示。假定在一个循环中 从T3热源吸取1260KJ的热量，对外做功210KJ。求：热机与其它两个热源交换的热量大小及方向和各热源 熵变？解：设Q1、Q2方向如图所示，由热机循环工作,可知： 八 : 即又由热力学第一定律可知：儿- e 一仍 F联立方程得：由熵的定义可知各热源的熵变为：|=丁匕g =-；二+ g + g = o7.某人声称可以在TH=385K、
10、T=350、TL=297.5K 3个热源(恒温)之间设计一整套理想的热力设备，如图所示。该设备可将T热源中100KJ热量的50%传给TH高温热源，其余50%放给TL低温热源，试判断该方 案能否实现？如能实现，计算传给TH高温热源的极限值？解：由三热源及热机，热泵组成的孤立系统的总熵增：仏叽芒+欝+齐誰+ 2詮+ (證)=0.0122U/K由于该装置满足能量守恒定律和孤立系统熵增原理,故可能实现。若热机和热泵可逆，则传给TH热源的热量为Qmax，则有：66kJ故极限情况下，传给TH热源的热量为66KJ。Q tiHix *山嘶_ 仆7. V=1m3的容器有N2，温度为20 C，压力表读数lOOOm
11、mHg, pb=1atm,求N2质量。(00 + 1)x 1.013x105 xl.0x288.3143 xlOOO x 293.15m =业=母=2.658kgRTc 0&压缩空气的质量流量与体积流量某台压缩机输出的压缩空气，其表压力为p =0.22MPa，温度t=156C，这时压缩e空气为每小时流出3200mao设当地大气压p=765mmHg，求压缩空气的质量流量 q (kg/h)，以及标准状态体积流量q (ma/h)。mv0解：压缩机出口处空气的温度:T=156+273=429K绝对压力为：P - P + P - 0.22 + 765 x 133.3x 10-6 = 0.322MPaeb
12、该状态下体积流量q =3200ma/h。将上述各值代入以流率形式表达的理想气体状态方程式。得出摩尔流量vq (mol/h)pqvRT0.322 x106 Pa x 3200 m3 h8.3145x 429Kmol - KT 7 n=288.876x 103 molh (- = q) z h n qn9.已知某理想气体的比定容热容cv = a+bT，其中a、b为常数.试导出其热力学能、焓和熵的计算式?九=,丁 =+ /；丁)dr = dUr：. - 7 , j + 軌-2 J r-:3 - r-,dT -儿3 + bl + WJTT s + 尺f iTl- It)叭rt艺:-tv U2 t J?
13、s In = (a. + 丁) + 鸣 In 、r IH 一 6iK ?u In 4 b j ： - 3)+ /(! Lr. - L、K ： 110. 一容积为0.15m3的储气罐。内装氧气，其初态压力Pl=0.55MPa、温度11=38C。若对氧气加热，其温度、 压力都升高。储气罐上装有压力控制阀，当压力超过0.7MP时.阀门便自动打开，放走部分氧气，储气罐 中维持的最大压力为0.7MP。问当罐中氧气温度为285C时，对罐内氧气共加入了多少热量?设氧气的比热 容为定值。1237/1 12 _ J打 h i ;解:分析，题中隐含两个过程，一是由Pl=0.55MPa、温度11=38C被定容加热到
14、P2=0.7MPa；二是由P2=0.7MPa, 被定压加热到P3=0.7MPa、温度13=285C，如下图所示：由于 PP2=0.7MPa 时，阀门不会打开，因而储气罐的气体质量不变，又储气罐的容积V不变，则比体积v=V/m为定值。当 PP2=0.7MPa后，阀门开启，氧气随着热量的加入不断跑出，以便维持罐中最大压力P2=0.7MPa不变，因而 此过程又是一个质量不断变化的定压过程。加 K汀勰mK该过程吸热量为:解：1-2定容过程，根据定容过程状态参数之间的变化规律，有 = an . t r - i 二 色 K? ( r. r. i * i 丁丁 ) 尸l0iV-11lril：5.8K-3Uk；上311 K=56.24 x 1(FJ - 56.24 k2-3过程定压过程，由于该过程中质量随时间在变, 0 -茫;冷尺討丁 一 器于是：因此应先列出其微元变化的吸热量:碣-lJjp2V - In P7 丁一 血尸-n I =-和(273 + 285)K =-= X 0,7 x i(r Pa x U s 15 m In 一如点 口 *-126.2 x 1沪-I2(j 2 kJ故，对罐内氧气共加入热量:Q = Ov 1 Qp - 56.24 kJ i 126.2 W = 182.4111.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%
