《热力学重点第4章_secret.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热力学重点第4章_secret.doc（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、工程热力学例题与习题第4章 理想气体热力过程及气体压缩41 本章基本要求熟练掌握定容、定压、定温、绝热、多变过程中状态参数p、v、T、u、h、s的计算，过程量Q、W的计算，以及上述过程在p-v 、T-s图上的表示。42 本章重点结合热力学第一定律，计算四个基本热力过程、多变过程中的状态参数和过程参数及在p-v 、T-s图上表示。本章的学习应以多做练习题为主，并一定注意要在求出结果后，在p-v 、T-s图上进行检验。 43 例 题例12kg空气分别经过定温膨胀和绝热膨胀的可逆过程，如图4.1，从初态=9.807bar,=300膨胀到终态容积为初态容积的5倍，试计算不同过程中空气的终态参数，对外所
2、做的功和交换的热量以及过程中内能、焓、熵的变化量。图4.1解：将空气取作闭口系对可逆定温过程1-2，由过程中的参数关系，得按理想气体状态方程，得=0.1677=0.8385=573K =300气体对外作的膨胀功及交换的热量为=529.4kJ过程中内能、焓、熵的变化量为=0 =0 =0.9239kJ /K 或=mRln=0.9238kJ /K 对可逆绝热过程1-2, 由可逆绝热过程参数间关系可得 其中=0.8385故 =1.03bar =301K =28气体对外所做的功及交换的热量为=390.3kJ过程中内能、焓、熵的变化量为 或 =0 例2. 1kg空气多变过程中吸取41.87kJ的热量时，将
3、使其容积增大10倍，压力降低8倍，求：过程中空气的内能变化量，空气对外所做的膨胀功及技术功。解：按题意 空气的内能变化量：由理想气体的状态方程 得： 多变指数 多变过程中气体吸取的热量气体内能的变化量空气对外所做的膨胀功及技术功：膨胀功由闭系能量方程或由公式来计算技术功：A B图4.2例3：一气缸活塞装置如图4.2所示，气缸及活塞均由理想绝热材料组成，活塞与气缸间无摩擦。开始时活塞将气缸分为A、B两个相等的两部分，两部分中各有1kmol的同一种理想气，其压力和温度均为p1=1bar，t1=5。若对A中的气体缓慢加热（电热），使气体缓慢膨胀，推动活塞压缩B中的气体，直至A中气体温度升高至127。
4、试求过程中B气体吸取的热量。设气体kJ/(kmolK)，kJ/(kmolK)。气缸与活塞的热容量可以忽略不计。解：取整个气缸内气体为闭系。按闭系能量方程U=QW因为没有系统之外的力使其移动，所以W=0则 其中 kmol故 （1）在该方程中是已知的，即。只有是未知量。当向A中气体加热时，A中气体的温度和压力将升高，并发生膨胀推动活塞右移，使B的气体受到压缩。因为气缸和活塞都是不导热的，而且其热容量可以忽略不计，所以B中气体进行的是绝热过程。又因为活塞与气缸壁间无摩擦，而且过程是缓慢进行的，所以B中气体进行是可逆绝热压缩过程。按理想气体可逆绝热过程参数间关系 （2）由理想气体状态方程，得初态时 终
5、态时 其中V1和V2是过程初，终态气体的总容积，即气缸的容积，其在过程前后不变，故V1=V2，得因为 kmol所以 （3）合并式（2）与（3），得比值可用试算法求用得。按题意已知： =445K，=278K 故 计算得： =1.367代式入（2）得代入式（1）得Q=12.56(445278)+(315278)=2562kJ例4：2kg的气体从初态按多变过程膨胀到原来的3倍，温度从300下降至60，已知该过程膨胀功为100kJ自外界吸热20kJ，求气体的cp和cv各是多少？现列出两种解法：解1：由题已知：V1=3V2由多变过程状态方程式即 由多变过程计算功公式：故 =0.1029kJ/kgK式中
6、得 代入热量公式得 k=1.6175 cp=cvk=0.16661.6175=0.2695kJ/kgK解2：用解1中同样的方法求同n=1.494R=0.1029kJ/kgK由 即 得 例5：1kg空气分两种情况进行热力过程，作膨胀功300kJ。一种情况下吸热380kJ，另一情况下吸热210kJ。问两种情况下空气的内能变化多少？若两个过程都是多变过程，求多变指数，并将两个过程画在同一张p-v图上。按定比热容进行计算。解：（1）求两个过程的内能变化。两过程内能变化分别为：（2）求多变指数。因为 所以，两过程的多变指数分别为：（3）两多变过程p-v图T-s图如图4.3所示。简短讨论：（1）仅给出过程
7、量q和w时，还不能说明该过程程必是一个多变过程。所以，题目中又给中出“两个过程都是多变过程”的假设。（2）求解时根据w和T求出n，求出cp，再求得n。图4.3（3）求得n即可画出图4.3根据图4.3上过程的走向和过程线下面积的的正负可了解过程进行中参数的变化情况和功量、热量的正负。对照题给条件可定性判断求解结果的正确性。 图4.344 思考及练习题1在p-v图上，T和s减小的方向分别在哪个方向，在T-s图上p和v减小的方向分别在哪个方向。2工质为空气，试在p-v和T-s图上画出n=1.5的膨胀过程和n=1.2的压缩过程的大概位置，并分析二过程中q、w、u的正负。3如果气体按规律膨胀，其中c为常
8、数，则此过程中理想气体被加热还是被冷却。4在多变过程中热量和功量之间的关系等于什么，即 =?5试在T-s图上用过程线和横坐标之间的面积来分析相同初态和相同终态压力下的定温、多变、绝热压缩中的能量转换关系，比较哪种压缩时耗功量最小。6如果气体压缩机在汽缸中采取各种冷却方法后，已能按定温过程进行压缩，这时是否还要采用分级压缩，为什么。7在常压下对3kg水加热，使水温由25升到95，设环境温度为15,求水吸收热量的可用能为多少，若将95的3kg水与20的2kg水混合，求混合过程中的可用能损失8一台两级空气压缩机，进口流量为10/min，压力从1bar升高到1.5bar，如压缩轴功为最小，则中间压力为
9、多少，如n=1.3 , 求两级压缩比单级压缩所节约的轴功。9容器被闸门分成两部分，A中气体参数为PA、TA，B为真空。现将隔板抽去，气体作绝热自由膨胀，终压降为P2。试问终了温度T2是否可用下式计算？为什么？10一绝热刚体容器，用隔板分成两部分，左边为高压气体，右边为真空，抽去隔板时，气体立即充满整个容器，问工质内能、温度如何变化，如该刚体容器是绝对导热的，则工质内能，温度又如何变化？11如图4.4所示，与 谁大 图4.4 图4.512如图4.5所示，与 谁大，与 谁大13试比较图4.6中所示的循环12341与卡诺循环24的热效率，并讨论上述比较结果与“卡诺循环热效率最高”这一结论是否矛盾。1
10、4导出循环1231与循环131（见图4.7）的热效率的计算（以T1、T2为变量）。15设有卡诺循环12341与实际循环131，见图4.8。实际循环中，1所示的绝热理膨胀过程，3为实际的绝热压缩过程。试证明：对于卡诺循环 对于实际循环0 图4.6 图4.7 图4.8160.4kg空气，在p1=1.98bar，t1=300下等温膨胀到v2=1.68m3/kg，后经等压压缩，再在等容下加热使其回到初态，求每一过程中内能的变化，焓的变化和所作的功，并求出各状态点的p、v、T值。在pv和Ts图中表示出各过程线来。17一定质量的空气初始为25，压力为6.85bar，容积为0.02m3，此空气先在定压下膨胀
11、至0.08m3，然后按n=1.5的多变过程膨胀，并由一等温过程完成一个循环，此循环中所有过程是可逆的。将此三个过程画在pv图上，并求出各状态点的p、v、T值。求出这些过程中的功量和热量。18R=377J(kgK)，k=1.25的理想气体1.36kg，从p1=551.6kPa，t1=60经定容过程达到p1=1655kPa。过程中除了以搅拌器搅动气体外，还加入热量105.5kJ。求：（1）终态温度t2；（2）经搅拌器输入的功量；（3）气体内能的变化；（4）气体熵的变化。191.134kg理想气体,cp=2.232kJ/(kgK)，cv=1.713kJ/(kgK)，p1=586kPa，t1=26.7
12、。经可逆定温过程到状态2，过程中放出热量317kJ。求：（1）过程初、终态的容积V1、V2和过程终了的压力p2；（2）过程中所作的功量W；（3）过程中S和H。20气缸内盛1kg氢气，初态p1=10MPa，v1=0.16m3/kg，进行一不可逆过程。当过程到达终态时，p2=1.5MPa，v2=1.0m3/kg。过程中加热400kJ/kg。（1）求此不可逆过程所作的功；（2）若自终态先经可逆定压过程，再经可逆定容过程回到初态，问所需量功多少？（3）若自终态先经可逆定容过程，再经可逆定压过程回到初态，问所需功量多少？与（2）的结果是否相等？21贮氧气的钢性容积为0.04m3，环境温度20，筒内氧气p
13、1=15MPa，t1=20。由于迅速开启阀门，筒内氧气定熵地达到p2=7.5MPa，随后阀门又立即关闭，筒内氧气又重新恢复到20，问时氧气的压力为多少？并求阀门开启前筒内氧气的质量和阀门开启后还残留在筒内的氧气质量？如果氧气在初态时，阀门慢慢打开，因而气筒里温度始终保持20，压力则降为3.5Mpa，问此时残留在筒内的氧气质量又为多少？22空气稳定流经控制容积，进行定熵过程。温度从4.44增至115.6，质量流量为1.36kg/s，动能和位能变化可略去不计。求：（1）流动过程中与外界交换的功量、热量和U、H和S；（2）空气所作的膨胀功量。23柴油机气缸吸入温度t1=60的空气2.510-3m3，经可逆绝热压缩，空气的温度等于（或约等于）燃料的着火温度。若燃料的着火点为72
