工程热力学例题

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？(3）、若ua=0，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：(1）、对过程adb闭口系统能量方程得：（2）、对b-a过程,同样由闭口系统能量方程得：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ubu

2、a=50KJ/Kg，得ub=50KJ/Kg，且：(定容过程过程中膨胀功wdb=0)过程ad闭口系统能量方程得:过程db闭口系统能量方程得：2。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，(2)热力系：礼堂中的空气和人。(闭口系统）根据闭口系统能量

3、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/kg。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

4、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：（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

5、虚线所示,由开口系统能量方程得：（3）电动机的功率:4.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

6、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：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：（2）燃料的耗量:(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：因ws=0,故：51kg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

7、焓和熵的变化。解:热力系是1kg空气，过程特征:多变过程因为：内能变化为：膨胀功:w=qu=32×103J轴功：ws=nw=28。8×103J焓变：h=cpT=ku=1。4×8=11.2×103J熵变:s= =0。82×103J/（kg·K）6.某可逆机同时与温度为T1=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：即又由热力学第一定律可

8、知：联立方程得:由熵的定义可知各热源的熵变为：7。某人声称可以在TH=385K、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：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：故极限情况下，传给TH热源的热量为66KJ.7。V=1m3的容器有N2,温度为20 ，压力表读数1000mmHg,pb=1a

9、tm，求N2质量。8。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pe=0。22MPa，温度t=156，这时压缩空气为每小时流出3200m3。设当地大气压pb=765mmHg，求压缩空气的质量流量qm（kg/h），以及标准状态体积流量qv0(m3/h）.解：压缩机出口处空气的温度:T=156+273=429K绝对压力为:该状态下体积流量qv =3200m3/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qn（mol/h)9.已知某理想气体的比定容热容cva+bT,其中a、b为常数试导出其热力学能、焓和熵的计算式？10。一容积为0.15m³的储气

10、罐.内装氧气，其初态压力P1=0.55MPa、温度t1=38.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285时，对罐内氧气共加入了多少热量？设氧气的比热容为定值。解：分析，题中隐含两个过程，一是由P1=0。55MPa、温度t1=38被定容加热到P2=0。7MPa;二是由P2=0.7MPa，被定压加热到P3=0.7MPa、温度t3=285，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

11、=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.解：12定容过程，根据定容过程状态参数之间的变化规律,有该过程吸热量为：23过程定压过程，由于该过程中质量随时间在变，因此应先列出其微元变化的吸热量：于是：故,对罐内氧气共加入热量：11.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体积和密度。解：折合分子量：气体常数：容积成分：标准状态下的比体积和密度：12。利用水蒸气表判断下列各点的状态，并确定h、s

12、、x值。（1）P1=2Mpa，t1=300。C(2）P2=9Mpa，v1=0。017m³/Kg（1）解:P1=2Mpa，ts=212.417C，可知该状态为过热蒸汽，查未饱和水和过热蒸汽表,得P1=2Mpa，t1=300.C时，h=3021.6KJ/Kg ，s=6. 6101KJ/（Kg 。K ），干度x无意义。(2）解：查饱和表得P2=9Mpa时,v0。0205m3/kg,v0.001477m3/kg，由vvv可知该状态为湿蒸汽状态，其干度为:查饱和表得P2=9Mpa时,按湿蒸汽参数计算得：13。如图所示，容器中盛有温度为150。C的4kg水和0。5kg水蒸气,现对容器加热，工质所

13、得热量Q=4000kJ。试求容器中工质热力学能的变化和工质对外做的膨胀功（设活塞上的作用力不变，活塞与外界绝热，并与器壁无摩擦）解：确定初态的干度查饱和表得:t1=150 C时，p1=0。47571MPa，计算得：确定终态参数。因过程为定压过程，则Q=m（h2h1）于是：2状态：因为所以2状态处于两相区：于是得:工质对外做功：或根据闭口系统能量方程：14。有一刚性容器，用一薄板将它分隔为A、B两部分。在A中盛有1kg、压力pA0.5 MPa的干饱和蒸汽，B中盛有2kg pB1 MPa，x0。80的湿蒸汽。当隔板抽去后，经过一段时间容器中的压力稳定在p30。7 MPa。求（1）容器的总容积及终了

14、时蒸汽的干度；（2）由蒸汽传给环境的热量。解：（1）容器的总容积：pA0.5 MPa的干饱和蒸汽参数v0。37481m3/kgh2748。5kJ/kguA2561.1kJ/kgA占容积：VA=mAv=0。37481 m3pB1 MPa的饱和蒸汽参数:v0.1943m3/kg v0.0011274m3/kg，h2777kJ/kg，h762.6kJ/kgvB=xv+（1x)v=0。155 m3/kg,hBxh+（1-x)h=2374kJ/kguB2219kJ/kg B占容积：VB=mBvB=0。31 m3总容积：V=VA+VB=0.685 m30.7MPa的饱和蒸汽参数v0.27274m3/kg，

15、v0。0011082m3/kgh2762.9kJ/kg，h697。1kJ/kg蒸汽比容：蒸汽干度：（2）由蒸汽传给环境的热量终了时的焓：hxxh+(1x）h=2502kJ/kg，ux2342.4kJ/kg15.已知空气的t1=20 C，p1=0。1013MPa将其加热至t2=50 C,后送入喷淋室,从喷淋室排出时t3=30 C,求:1）2）从喷淋室每吸收1kg水分所需空气量和加热量解：根据t1=20oC，p1=0。1MPa，1=0。6，查图知d1=8。9g水蒸气/kg干空气，h1=42。8kJ/kg干空气根据d2=d1， t2=50 C,查图知h2=73。5kJ/kg干空气根据h3=h2， t

16、3=30 C，查图知3=0。63d3=17。0g水蒸气/kg干空气含1kg干空气的湿空气所吸收水分每吸收1kg水分所需干空气每吸收1kg水分所需湿空气每吸收1kg水分所需加热量17.将0。1013MPa，60，32的湿空气送入空调机。在空调机中，湿空气经冷却盘管冷却和冷凝去湿后，以15的饱和湿空气离开.已知32时,水蒸气饱和压力4.7574kPa；15时，水蒸气饱和压力1。7053kPa。求1 kg干空气在空调机中除去的水分。解：18。某空调系统每小时需要 t221， 相对湿度为60%的湿空气若干（其中干空气质量 4500 kg/h）。现将室外温度 t135, 相对湿度为70的空气经处理后达到上述要求。求在处理过程中所除去的水分及放热量。解:查图得h1=99。78 kJ/kg（a）d1=25。17 g/kg（a）h2=44。76kJ/kg(a)d2=9.3 g/kg(a)处理过程除去的水分：放热量:19。某厂房产生余热16500kJ/h,热湿比7000。为保持室内温度 t227及相对湿度为40的要求，向厂房送入湿空气的温度 t119,求每小