工程热力学例题---精品模板

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ub—ua=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：
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1kg空气,过程特征：多变过程
因为：
内能变化为：
膨胀功：w=q-△u=32×10^3J轴功：ws=nw=28。

8×10^3J
焓变：△h=cp△T=k△u=1。

4×8=11.2×10^3J
熵变：△s= =0。

82×10^3J/（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=1atm,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p e =0.22MPa ，温度t=156℃，这时压缩空气为每小时流出3200m 3。

设当地大气压p b =765mmHg ，求压缩空气的质量流量q m (kg/h)，以及标准状态体积流量q v0（m 3/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q v =3200m 3
/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q n （mol/h ）
9.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？
10。

一容积为0。

15m ³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0.7MP 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P 〈P2=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
501000(1) 1.01310 1.028
760 2.6588.31431000293.15pVM m kg R T +⨯⨯⨯⨯===⨯⨯MPa p p p b e 322.0103.13376522.06
=⨯⨯+=+=-3630.322103200288.87610()8.3145429v v n n m Pa pq q V h mol q h J RT n q K
mol K
⨯⨯==
=⨯=⨯⋅
为定值.当P〉P2=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：1-2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：2—3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、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，v``＝0。

0205m3/kg，v`＝0.001477m3/kg，由v`<v<v``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（h2—h1）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pA＝0.5 MPa的干饱和蒸汽，B中盛有2kg pB＝1 MPa，x＝0。

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p3＝0。

7 MPa。

求（1）容器的总容积及终了时蒸汽的干度；(2）由蒸汽传给环境的热量.
解:（1）容器的总容积：p A＝0。

5 MPa的干饱和蒸汽参数
v``＝0.37481m3/kg h``＝2748.5kJ/kg u A＝2561.1kJ/kg
A占容积:V A=m A v``=0.37481 m3
p B＝1 MPa的饱和蒸汽参数：v``＝0.1943m3/kg
v`＝0。

0011274m3/kg，h``＝2777kJ/kg，h`＝762。

6kJ/kg
v B=xv``+(1—x）v`=0.155 m3/kg,h B＝xh``+(1—x)h`=2374kJ/kg
u B＝2219kJ/kg B占容积：V B=m B v B=0。

31 m3
总容积：V=V A+V B=0。

685 m3
0。

7MPa的饱和蒸汽参数
v``＝0.27274m 3/kg ，v`＝0。

0011082m 3
/kg h``＝2762。

9kJ/kg ，h`＝697.1kJ/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：h x ＝xh``+(1-x)h`=2502kJ/kg ，u x ＝2342.4kJ/kg
15。

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,Ψ1=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， t3=30 C ，查图知Ψ3=0。

63 d3=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 t2＝21℃， 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 t1＝35℃, 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=44.76 kJ/kg （a ） d2=9.3 g/kg （a ） 处理过程除去的水分： 放热量：
3
?φ=10.6
φ=()
0.622
()s s p t d p p t φφ=-1.01(2501 1.85)h t d t =++3217.08.98.1g d d -=-=dry,a 1000
123kg
8.1
m ==a dry,a 1(1)124kg m m d =+=,21()3776kJ
dry a Q m h h =-=)(/28.18)7574.46.0100(7574.46.062262211111a kg g kPa kPa
P p P d s s =⨯-⨯=-=φφ)(/79.10)7053.11100(7053.1162262222222
a kg g kPa
kPa P p P d s s =⨯-⨯=-=φφ)
(/49.721a kg g d d m w =-=∆
19。

某厂房产生余热16500kJ/h，热湿比ξ＝7000。

为保持室内温度 t2＝27℃及相对湿度为40％的要求，向厂房送入湿空气的温度 t1＝19℃,求每小时的送风量为多少千克及厂房的余湿量。

大气压力B＝101325Pa。

解:厂房的余湿：
查图得h2=49。

84kJ/kg ，h1=35kJ/kg，d1=6.3g/kg(a）
送干空气量:
送风量：
20。

空气流经喷管作定熵流动,已知进口截面上空气参数,p1=0.7MPa,t1=947℃,c1=0m/s,q m=0。

5kg/s。

试选择喷管出口处的压力分别为0。

5MPa及0。

12MPa时喷管的类型，并计算喷管出口截面处的流速及出口截面积.
解：p2=0.5MPa,p cr=βp1=0.528×0.7=0。

37MPa〈p b
选用渐缩喷管.。