工程热力学课件例题.doc

65例1.1：已知甲醇合成塔上压力表的读数150kgf/cm2，这时车间内气压计上的读数为780mmHg。试求合成塔内绝对压力等于多少kPa？14819kPa例1.2：在通风机吸气管上用U型管压力计测出的压力为300mmH2O，这时气压计上的读数750mmHg。试：（1）求吸气管内气体的绝对压力等于多少kPa？103kPa（2）若吸气管内的气体压力不变，而大气压下降至735mmHg，这时U型管压力计的读数等于多少？504mmH2O例1.3：某容器被一刚性壁分成两部分，在容器的不同部位安装有压力计，如图所示。压力表A、C位于大气环境中，B位于室Ⅱ中。设大气压力为97KPa：（1）若压力表B、表C的读数分别为75kPa、0.11MPa，试确定压力表A上的读数及容器两部分内气体的绝对压力；pA=35kPa，pⅠ=207kPa，pⅡ=132kPa（2）若表C为真空计，读数为24kPa，压力表B的读数为36kPa，试问表A是什么表？读数是多少？A为真空计，且pA=60kPa例1.4：判断下列过程中哪些是①可逆的②不可逆的③不确定是否可逆的，并扼要说明不可逆的原因。（1）对刚性容器内的水加热，使其在恒温下蒸发；是不确定的。（2）对刚性容器内的水作功，使其在恒温下蒸发；是不可逆的。（3）对刚性容器中的空气缓慢加热。使其从50℃升温到100℃。是不确定的。（4）一定质量的空气，在无摩擦、不导热的汽缸和活塞中被缓慢压缩。是可逆的。（5）50℃的水流与25℃的水流绝热混合。是不可逆的。例2.1：如图所示，某种气体工质从状态1（p1、V1）可逆地膨胀到状态2（p2、V2）。膨胀过程中：（a）工质的压力服从p=a-bV，其中a、b为常数；（b）工质的pV值保持恒定为p1V1试：分别求两过程中气体的膨胀功。答案：（a）；（b）例2.2：如图所示，一定量气体在气缸内体积由0.9m3可逆地膨胀到1.4m3，过程中气体压力保持定值，且p=0.2MPa，若在此过程中气体内能增加12000J，试求：（1）求此过程中气体吸入或放出的热量；112000J（2）若活塞质量为20kg，且初始时活塞静止，求终态时活塞的速度（已知环境压力p0=0.1Mpa）。70.7m/s例2.3：一封闭系统从状态1沿1-2-3途径到状态3，传递给外界的热量为47.5kJ，系统对外作功为30kJ，如图。（1）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功15kJ，求过程中系统与外界传递的热量。Q143=-62.5kJ（2）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态1，外界对系统作功6kJ，求该过程中系统与外界传递的热量。Q31=71.5kJ（3）若U2=175kJ，U3=87.5kJ，求过程2-3传递的热量及状态1的内能。U1=165kJ 例2.4：某燃气轮机装置，如图所示。已知压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg。经压缩后，空气升温使焓增加为h2=580kJ/kg。在截面2处空气和燃料的混合物以c2=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’，h’3=800kJ/kg，流速增加到c3’，此燃气进入动叶片，推动转轮回转做功。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c4=100m/s。求：（1）若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多大？Ns1=-29000kW（2）若燃料发热值qB=43960kJ/kg，燃料的耗量为多少？qm2=1.524m/s（3）燃气在喷管出口处的流速是多少？c3’=949m/s（4）燃气轮机的功率是多大？Ns2=45209kW（5）燃气轮机装置的总功率为多少？Ns=16209kW例2.5：空气在某压气机中被压缩。压缩前空气参数：p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg。在压缩过程中1kg空气的热力学能增加146kJ，同时向外放出热量50kJ，压气机每分钟生产压缩空气10kg。求：①压缩过程中对每公斤气体所做的功；②每产生1kg的压缩气体所需的功；③带动此压气机至少需要多大功率的电动机？w=-196kJ/kg，ws=-251.5kJ/kg，Ns==-41.9kW例2.6：某热机从t1=1000℃的热源吸热1000kJ，又向t2=150℃的冷源放热。①求该热机可能达到的最高热效率；66.8%②最多可产生多少循环净功；668kJ③若在传热时存在温差，吸热时有200℃温差，放热时有100℃温差，试求其热效率和循环净功。51.3%，513kJ例2.7：利用逆向卡诺循环作为热泵向房间供热，设室外温度为-5℃，室内温度保持20℃。要求每小时向室内供热2.5×104kJ，试问：（1）每小时从室外吸收多少热量？（2）此循环的供暖系数多大？（3）热泵由电动机驱动，如电动机效率为95%，电动机的功率多大？（4）如果直接用电炉取暖，每小时耗电多少kW·h？2.3×104kJ/h，11.72，0.585kW，6.94kW例2.8（2-9）：有人声称设计了一套热力设备，可将65℃的热水的20%变成100℃的水，而其余的80%将热量传给15℃的大气，最终水温为15℃，试判断该设备是否可能。水的比热容为。孤立系统ΔSiso=0.0265mkJ/K>0，所以该设备可以实现。例2.9：某热机工作于T1=2000K，T2=300K的两个恒温热源之间，试问下列几种情况能否实现，是否是可逆循环？（1）Q1=1kJ，Wnet=0.9kJ；（2）Q1=2kJ，Q2=0.3kJ；（3）Q2=0.5kJ，Wnet=1.5kJ。解：（1）方法一在T1、T2之间工作的可逆循环的热效率是最高的，等于卡诺循环的热效率。Q2=Q1-Wnet=1-0.9=0.1kJ所以不可能实现方法二：克劳修斯不等式不可能实现方法三：孤立系统熵增原理。取高温热源和低温热源为孤立系统，高温热源放热，低温热源吸热，则熵变 ，不可能实现（2）能实现，是可逆循环；（3）能实现，是不可逆循环例2.10：欲设计一热机，使之能从温度为973K的高温热源吸热2000kJ，并向温度为303K的冷源放热800kJ。（1）问此循环能否实现；欲使之从高温热源吸热2000kJ，该热机最多能向外做多少功？（2）若把此热机当制冷机用，从温度为303K的冷源吸热800kJ，向温度为973K的热源放热，该过程与外界交换的功为1200kJ，该过程能否实现？欲使之从冷源吸热800kJ，至少需耗多少功？（1）此循环能实现，1377kJ；（2）该过程不能实现，-1769kJ例2.11：5kg的水起初与温度为295K的大气处于热平衡状态，用一制冷机在这5kg的水和大气之间工作，使水定压冷却到280K，求所需的最小功是多少？水的比热容为8.19kJ例2.12：气体在气缸中被压缩，气体的内能和熵的变化分别为45kJ/kg和，外界对气体作功165kJ/kg，过程中气体只与环境交换热量，环境温度300K，问该过程是否能实现？该过程能够实现。例2.13：将200℃10g的铁块浸入20℃1L的水中，整个系统的熵变是多少？该过程是否为可逆过程？已知铁的比容cFe=480kJ/(kg·K)，水的比容cH2O=4.2kJ/(kg·K)0.252kJ/K，不可逆过程例3.1：体积为0.0283m3的瓶内装有氧气，压力为6.865×105Pa，温度为294K。发生泄漏后，压力降至4.901×105Pa才被发现，而温度未变。问至发现为止，共漏去多少kg氧气？0.073kg例3.2：某电厂有三台锅炉合用一个烟囱，每台锅炉每秒产生烟气73m3（已折算成标准状态下的体积），烟囱出口处的烟气温度为100℃，压力近似为101.33kPa，烟气流速为30m/s，求烟囱的出口直径。3.56m例3.3：在直径为d=40cm的活塞上放置mb=3000kg的重物，气缸内盛有温度为T1=18℃、质量为m=2.12kg的空气。对汽缸加热后，气体容积增加到原来的2倍。设大气压力为pb=0.1MPa，求空气的初态比体积、终态比体积、终态压力和终态温度。空气按理想气体计算，且其气体常数R=0.287kJ/(kg·K)。比体积0.5m3/kg，0.33MPa，302℃例3.4：在燃气轮机装置中，用从燃气轮机中排出的乏气对空气进行加热（加热在空气回热器中进行），然后将加热后的空气送入燃烧室进行燃烧。若空气在回热器中，从127℃定压加热到327℃。试按下列比热容值计算对每kg空气所加入的热量。（1）按真实比热容计算（经验公式）；207.546kJ/kg（2）按平均比热容表计算；206.03kJ/kg（3）按定值比热容计算；200.8kJ/kg（4）按空气的热力性质计算。206.04kJ/kg例3.5：已知某理想气体的比定容热容cv=a+bT，其中a、b为常数，T为绝对温度。试导出其内能、焓、熵的计算式。答案：内能；焓；熵 例3.6：0.25kg的CO在闭口系统中由p1=0.25MPa、t1=120℃膨胀到p2=0.125MPa、t2=25℃，做出膨胀功W=8.0kJ。已知环境温度t0=25℃，CO的气体常数R=0.297kJ/(kg·K)，定容比热容cv=0.747kJ/(kg·K)，试计算过程热量，并判断该过程是否可逆。-9.74kJ，不可逆例3.7：空气是氧和氮的混合物，其组成近似为1kmol氧对应于3.1894kmol氮，求空气的摩尔质量，气体常数及质量分数。M=28.95kg/kmol；R=0.287kJ/(kg/K)；xO2=0.2638，xN2=0.7362例3.8：烟囱每秒排出绝对压力为0.11MPa、温度为300℃的烟气30m3，由烟气分析仪测得烟气体积分数为，，，。试求每秒排出烟气的质量以及各组成气体的质量。m=38.19kg/s；mCO2=6.051kg/s，mO2=2.2kg/s，mH2O=2.356kg/s，mN2=27.583kg/s例3.8：管路中输送9.5MPa、55℃的乙烷，若乙烷在定压下温度升高到110℃，为保证原来输送的质量流量，试用压缩因子图计算乙烷气的流速应提高多少？2.09倍例3.9：试利用压缩因子图计算正丁烷在460K、1.5MPa下的比体积，并与实验值比较。已知实验值为0.0384m3/kg。v=0.0392m3/kg，与实验值的偏差为2.08%例3.10：利用水蒸汽表判断下列各点的状态，并确定其h、s、x值。（1），；过热蒸汽；h=3024.2kJ/kg；s=6.8022kJ/(kg•K)（2），；x=0.8166；h=2491.3kJ/kg；s=5.2427kJ/(kg•K)（3），；h=2536.8kJ/kg；s=6.3233kJ/(kg•K)（4），；未饱和水；h=741.2kJ/kg；s=2.0904kJ/(kg•K)（5），。过热蒸汽；h=2976.0kJ/kg；s=6.988kJ/(kg•K)例3.11：某锅炉每小时生产10000kg的蒸汽，蒸汽的表压力pg=2.4MPa，温度t1=350℃。设锅炉给水的温度为t2=40℃，锅炉效率ηB=0.78。煤的发热量（热值）为qP=2.97×104kJ/kg。求每小时锅炉的煤耗量是多少？汽锅内水的加热和汽化、以及蒸汽的过热都在定压下进行。1278kg/h例3.12：压力为100kPa，温度为30℃，相对湿度为60%的湿空气经绝热节流至50kPa。试求节流后空气的相对湿度（湿空气按理想气体处理）。30%例3.13：有100m3的湿空气，其参数为大气压力p=0.1MPa，温度t1=35℃，φ=0.7。（1）试求其td、d、ma、mst；28.66℃，25.48g/kg(干空气)，108.68kg，2.769kg（2）将空气定压冷却至t2=5℃，试确定被冷凝的水蒸汽量△mst。2.174kg例3.14：房间的容积为50m3，室内空气温度为30℃，相对湿度为60%，大气压力pb=0.1013MPa。求湿空气的露点温度td，含湿量d，干空气的质量ma，水蒸汽的质量mst及湿空气的焓值H。若湿空气定压冷却到10℃，求冷凝水量△mst和放热量Q。21.1℃，16.03g/kg(干空气)，56.78kg，0.477kg，2372.8kJ例4.1：一容积为0.15m3的储气罐，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0.7MPa时，阀门便自动打开，放走部分氧气，即储气罐中维持的最大压力为0.7MPa。问：当储气罐中氧气温度为285℃时，对罐内氧气共加入多少热量？（设氧气的比热容为定值：，）182.46kJ例4.2：空气在膨胀透平中由p1=0.6MPa、T1=900K绝热膨胀到p2=0.1MPa，工质的质量流量为qm=5kg/s。设比热容为定值，k=1.4，R=0.287kJ/(kg·K)。试求： （1）膨胀终了时，空气的温度及膨胀透平的功率；1811.1kW（2）过程中内能和焓的变化量；-1297.7kW，-1811.1kW（3）将单位质量的透平输出功表示在p-v图、T-s图上；（4）若透平的效率为ηT=0.9，则终态温度和膨胀透平的功率又为多少？575.5K，1630kW例4.3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分，其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、温度都相同，分别为0.2MPa，20℃，现通过A腔气体内的一个加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓慢移动，直至pA2=pB2=0.4MPa时，试求：①A，B腔内气体的终态容积各是多少？0.591m3，0.259m3②A，B腔内气体的终态温度各是多少？815.2K，357.5K③过程中供给A腔气体的热量是多少？422.4kJ④A，B腔内气体的熵变各是多少？0.8325kJ/(kgK)，0⑤在p-V图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程。例4.4：空气以qm=0.012kg/s的流速稳定流过压缩机，入口参数p1=0.102MPa、T1=305K，出口压力p2=0.51MPa，然后进入储气罐。求1kg空气的焓变△h和熵变△s，以及压缩机的技术功率Pt和每小时散热量qQ。（1）空气按定温压缩；0，0.462kJ/(kgK)，-1.69kW，-6084kQ/h（2）空气按n=1.28的多变过程压缩，比热容取定值。129.2kJ/kg，-0.1086kJ/(kgK)，-2.03kW，-1708.6kQ/h例4.5：水蒸气从p1=1MPa，t1=300℃的初态可逆绝热膨胀到p2=0.1MPa，求1kg水蒸气所作的膨胀功和技术功。371.63kJ/kg，467kJ/kg，例4.6：一封闭绝热的汽缸活塞装置内有1kg压力为0.2MPa的饱和水，缸内维持压力不变。（1）若装设一叶轮搅拌器搅动水，直至汽缸内80%的水蒸发为止，求带动此搅拌器需消耗多少功？-1761.28kJ（2）若除去绝热层，用450K的恒温热源来加热缸内的水，使80%的水蒸发，这时加热量又是多少？1761.28kJ例4.7：在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500℃降低到250℃。所放出的热量用以生产水蒸汽。压力为10MPa、温度为30℃的锅炉给水被加热汽化、过热成压力为10MPa、温度为450℃的过热蒸气。取烟气的比热容为定值，cp=1.079kJ/(kg·K)。试求：（1）产生1kg过热蒸汽需要多少kg的烟气？（2）生产1kg过热蒸汽时，烟气的熵变以及过热蒸汽的熵变。（3）将烟气和水蒸汽作为孤立系统，求生产1kg过热蒸汽时孤立系统的总熵变。2.3kg，-3.0298kJ/K，5.9931kJ/K，2.9633kJ/K例4.8：将p1＝0.1MPa，t1＝5℃，ф1＝60％的湿空气在加热器内加热，在t2＝20℃下离开。试确定在此定压过程中对空气供的热量及离开加热器时的湿空气相对湿度。15.15kJ/kg(a)，22.4% 例4.9：烘干用空气的初态参数是t1＝25℃，ф1＝60％，p1=0.1MPa。在加热器内被加热到50℃之后再送入烘箱。从烘箱出来时的温度是40℃。求：（1）每蒸发1kg水分需供入多少空气；（2）加热器中应加入多少热量。（课本84页例4－4）252.5kg(a)，6464kJ例4.10：p1＝0.1MPa，t1＝32℃，ф1＝60％的湿空气，以qm=1.5kg/s的质量流量进入到冷却设备的蒸发盘管被冷却去湿，最后以t2＝15℃的饱和湿空气下离开。求每秒的凝结水量qm,w以及放热量Q。0.01146kg/s，-54.78kJ/s例4.11：某压气机吸气（湿空气）压力为p1=0.1MPa，温度为25℃，相对湿度ф=62%，若把它压缩至p2=0.4MPa，然后冷却为35℃，问是否会出现凝析？（课本108页例4－5）pst2=7.852kPa>ps2=5.622kPa，会出现凝析例4.12：要将p1=0.1MPa，t1=17℃的空气压缩到p2=1.6MPa。设压缩过程的多变指数n=1.25，余隙容积与工作体积之比为5%。试用计算证实采用双级压缩比单级压缩更好。采用单级压缩时，压缩功，终温T2=505K，容积效率：采用双级压缩时，压缩功，各级排汽温度，每一级容积效率：可以看出，采用双级压缩比单级的功耗要小，排汽温度更低，容积效率更高，效果更好。例4.13：空气由初态压力98.07kPa，温度20℃，经三级压气机压缩后，压力提高到12.26MPa。若空气进入各级气缸时的温度相同，且各级压缩指数均为1.25。试求生产质量为1kg的压缩空气所消耗的最小功，并求各级气缸的排气温度；又若单级压气机一次压缩到12.26MPa，压缩指数也是1.25，则所耗的功和排气温度各为多少？-479kJ，404K；-684kJ，769.6K例4.14：试分析多变指数在10、w>0）。而且过程线在定温线的下方，表明气体的温度降低，即△u<0、△h<0，这说明膨胀时气体所作的功大于加入的热量，所以气体的热力学能减少、温度下降。例4.15：试确定下列多变过程的多变指数n，将过程绘于同一p-v图和T-s图上，并判定过程特性：吸热还是放热？输出功还是耗功？内能增大还是减小？设工质为空气，比热容cv＝0.717kJ/(kgK)，绝热指数k=1.4。n1=1.325，n2=0.92由于p2>p1，v20，0