工程熱力學習題(1)

1、習題課(一),——熱力學第一定律及其應用,一、思考題,1.如圖a、b所示容器為剛性容器 (a) (b),,（1）將容器分成兩部分，一部分裝氣體，一部分抽成真空，中間是隔板。若突然抽去隔板，氣體（系統(tǒng)）是否作功？（2）設真空部分裝有許多隔板，每抽去一塊隔板讓氣體先恢復平衡再抽去一塊，問氣體（系統(tǒng)）是否作功？（3）上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài)，其過程是否都可在p-v圖上表示？,

2、,答：(1)抽去隔板后氣體迅速充滿整個剛性容器，此過程發(fā)生后，氣體無法恢復到原來狀態(tài)，因此為不可逆過程。氣體沒有對外界作功。 (2)每抽去一塊隔板，讓氣體恢復平衡后再抽去一塊，此過程可看作準平衡過程，氣體作功，可以看作是把隔板緩慢地往右推移。,,(3)第一種情況是不可逆過程，所以從初態(tài)變化到終態(tài)不能在p-v圖上表示；第二種情況是準平衡過程，所以可以用實線在p-v圖上表示。,,2.剛性絕熱容器中間用隔板分為兩部分，A中存有高壓空氣，

3、B中保持真空，如圖所示，若將隔板抽去，分析容器中熱力學能如何變化？若隔板上有一個小孔，氣體泄漏入B中，分析A、B兩部分壓力相同時A、B兩部分氣體的熱力學能如何變化？,,,答：由熱力學第一定律：Q=△U+w,因為剛性容器絕熱，所以Q=0，空氣自由膨脹不作功，即w=0，因此，△U=0，即空氣的熱力學能保持不變。 若隔板上開有一個小孔，取B為熱力系進行分析。,,因為絕熱，所以δQ=0。B中氣體不作功，所以δWi=0。B中只有流體流入

4、，沒有流體流出，所以δ mout=0。忽略宏觀動能和勢能后上式可變?yōu)椋?,,,,,因此B中熱力學能增加△U，但是把A、B作為一個熱力系來看，其總熱力學能是不變的，所以A中的熱力學能減少△U。,,3.門窗緊閉的房間內有一臺電冰箱正在運行，若敞開冰箱的大門就有一股涼氣撲面，感到?jīng)鏊?。于是有人想通過敞開冰箱大門達到降低室內溫度的目的，請問這種方法可行嗎？在門窗緊閉的房間內安裝空調后能使房間溫度降低，這又是為什么呢？,,答：門窗緊閉的房間視為與

5、外界沒有熱量交換，可看作是絕熱閉口系。當系統(tǒng)內部電冰箱運轉時，有電功輸入系統(tǒng)，即W為負值。因此按照閉口系能量方程有： 因此，△U為正值，即溫度升高，不能達到降溫的目的。,,,房間內安裝空調器后，雖然門窗仍然緊閉，但是由于空調器安裝在窗上，通過邊界向大氣環(huán)境散熱，此時的房間不再是絕熱的，而是向外界放熱，所以Q為負值。室內空調器仍舊有電功W輸入系統(tǒng)，W為負值。,,,,由閉口系能量方程:由于Q的絕對值大于W的絕對值，所以△U＜0

6、，即空氣溫度降低。,二、計算題,1.一飛機的彈射裝置如圖示，汽缸內裝有壓縮空氣，初始體積為0.28m3,終了體積為0.99m3。飛機的發(fā)射速度為61m/s，活塞、連桿和飛機的總質量為2722kg。設發(fā)射過程進行很快，壓縮空氣和外界無傳熱現(xiàn)象，若不計摩擦損耗，求發(fā)射過程中壓縮空氣的熱力學能的變化量。,,解：取汽缸與活塞之間的壓縮空氣作為閉口系統(tǒng)，由閉口系統(tǒng)能量方程有：由于壓縮空氣和外界沒有傳熱，所以Q=0壓縮空氣作功全部轉化為飛機動能

7、，有,,,,,2.空氣在壓氣機中被壓縮。壓縮前空氣的參數(shù)為p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg;壓縮后參數(shù)為p2=0.8MPa,v2=0.175m3/kg.設在壓縮過程中每千克空氣的熱力學能增加146.5kJ，同時向外放出熱量50kJ。壓氣機每分鐘產(chǎn)生壓縮空氣10kg。求(1)壓縮過程中對每千克空氣作的功；(2)每生產(chǎn)1kg壓縮空氣所需的功（技術功）；(3)帶動此壓氣機所用的電動機的功率。,,解:(1)壓氣機的工作工程包括進氣

8、、壓縮和排氣三個過程，在壓縮過程中，進、排氣閥均關閉，因此此時的熱力系統(tǒng)是閉口系，與外界交換的是容積功W。,,取汽缸中的氣體為熱力系，由閉口系統(tǒng)能量方程得,,,(2)生產(chǎn)壓縮空氣，進、排氣閥要周期性地打開和關閉，氣體進出汽缸，此時氣體與外界交換的功為軸功ws，忽略氣體動能和勢能時，軸功即為技術功wt.選汽缸進出口、汽缸內壁及活塞左端所圍空間為熱力系，此為開口系，由開口系能量方程得,,,,,,(3)電動機功率：,,,3.如圖所示絕熱容器A

9、、B中裝有某種相同的理想氣體。已知：TA、PA、VA和TB、PB、VB，假定該氣體的比熱力學能u=CVT，管路、閥門均絕熱。求打開閥門后，A、B容器中氣體的溫度與壓力。,解：打開閥門后，A、B容器中氣體的壓力、溫度必相等。取A與B中的氣體為熱力系，則該系統(tǒng)為閉口系。閉口系能量方程Q=△U+W，這里Q=0，W=0，所以△U=0。即：,,,,,,,思考：上一題中，如果容器不絕熱，熱損失為Q，其它條件相同，則P、T為多少？,4.某蒸汽動力廠中

10、鍋爐以40T/h的蒸汽供入蒸汽輪機，進口處壓力表上讀數(shù)是9MPa，蒸汽的焓為3441kJ/kg；蒸汽輪機出口處真空表上的讀數(shù)為0.0974MPa，出口蒸汽焓為2248kJ/kg。汽輪機對環(huán)境散熱為6.81×105kJ/h。求(1)進、出口處蒸汽的絕對壓力(當?shù)卮髿鈮菏?01325Pa)；(2)不計進、出口動能差和位能差時汽輪機的功率；(3)進口處蒸汽速度為70m/s、出口速度為140m/s時對汽輪機的功率有多大影響？(4)蒸汽