工程热力学习题(1)

3.门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在 运行，若敞开冰箱的大门就有一股凉气 扑面，感到凉爽。于是有人想通过敞开 冰箱大门达到降低室内温度的目的，请 问这种方法可行吗？在门窗紧闭的房间 内安装空调后能使房间温度降低，这又 是为什么呢？
答：门窗紧闭的房间视为与外界没有热 量交换，可看作是绝热闭口系。当系统 内部电冰箱运转时，有电功输入系统， 即W为负值。因此按照闭口系能量方程 有：
0UW
因此，△U为正值，即温度升高，不能 达到降温的目的。
房间内安装空调器后，虽然门窗仍然紧
闭，但是由于空调器安装在窗上，通过 边界向大气环境散热，此时的房间不再 是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负 值。室内空调器仍旧有电功W输入系统， W为负值。
由闭口系能量方程:
QUW UQW
由于Q的绝对值大于W的绝对值，所以 △U＜0，即空气温度降低。
方程Q=△U+W，这里Q=0，W=0，
所以△U=0。即：
UAUB0
m A c V T T A m B c V T T B 0
p R AV A A TTTAp R BV B B TTTB0
TTATBpAV pA AV TB A ppB BV VB BTA
p mR m T A m B R T p A V A p B V B
答：由热力学第一定律：Q=△U+w,因为 刚性容器绝热，所以Q=0，空气自由膨 胀不作功，即w=0，因此，△U=0，即空 气的热力学能保持不变。
若隔板上开有一个小孔，取B为热力系 2 f2 g2 zm ou th 1 c 2 2 f1 g1 z m in W i
(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初 态变化到终态不能在p-v图上表示；第二 种情况是准平衡过程，所以可以用实线 在p-v图上表示。
2.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分， A中存有高压空气，B中保持真空，如图 所示，若将隔板抽去，分析容器中热力
学能如何变化？若隔板上有一个小孔， 气体泄漏入B中，分析A、B两部分压力 相同时A、B两部分气体的热力学能如何 变化？
因为绝热，所以δQ=0。B中气体不作功， 所以δWi=0。B中只有流体流入，没有流 体流出，所以δ mout=0。忽略宏观动能和 势能后上式可变为：
0dC EV h1m in dUh1min Uh1min
因此B中热力学能增加△U，但是把A、 B作为一个热力系来看，其总热力学能是 不变的，所以A中的热力学能减少△U。
取汽缸中的气体为热力系，由闭口系统 能量方程得
w q u ( 5 ) 1 0.5 4 1 6 .5 9 kJ 6
(2)生产压缩空气，进、排气阀要周期性
地打开和关闭，气体进出汽缸，此时气 体与外界交换的功为轴功ws，忽略气体 动能和势能时，轴功即为技术功wt.选汽 缸进出口、汽缸内壁及活塞左端所围空 间为热力系，此为开口系，由开口系能
QUW
由于压缩空气和外界没有传热，所以Q=0 压缩空气作功全部转化为飞机动能，有
W E k1 2m c2 2 c 1 25 .0 6 16J 0
U W 5 .0 6 16J 0
2.空气在压气机中被压缩。压缩前空气 的参数为p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg;压缩 后参数为p2=0.8MPa,v2=0.175m3/kg.设在
量方程得
w t q h q u p v 5 1 0 3 0 1.5 4 13 6 0 0 .8 16 0 0 .1 7 0 .1 5 16 0 0 .8 4 2 .5 1 2 5 J 0
(3)电动机功率：
Pq m w t1 6 0 0 2 .5 2 150 4 .2 14W 0
习题课(一)
——热力学第一定律及其应用
一、思考题
1.如图a、b所示容器为刚性容器
(a)
(b)
（1）将容器分成两部分，一部分装气体，一 部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板， 气体（系统）是否作功？
（2）设真空部分装有许多隔板，每抽去一块 隔板让气体先恢复平衡再抽去一块，问气体 （系统）是否作功？
V A V B V A V B
V A V B
思考：上一题中，如果容器不绝热，热 损失为Q，其它条件相同，则P、T为多 少？
4.某蒸汽动力厂中锅炉以40T/h的蒸汽供入蒸 汽轮机，进口处压力表上读数是9MPa，蒸汽的 焓为3441kJ/kg；蒸汽轮机出口处真空表上的 读数为0.0974MPa，出口蒸汽焓为2248kJ/kg。 汽轮机对环境散热为6.81×105kJ/h。求(1)进、 出口处蒸汽的绝对压力(当地大气压是 101325Pa)；(2)不计进、出口动能差和位能差 时汽轮机的功率；(3)进口处蒸汽速度为70m/s、 出口速度为140m/s时对汽轮机的功率有多大影 响？(4)蒸汽进、出口高度差为1.6m时对汽轮 机的功率有多大影响？
3.如图所示绝热容器A、B中装有某种相 同的理想气体。已知：TA、PA、VA和TB、 PB、VB，假定该气体的比热力学能u=CVT， 管路、阀门均绝热。求打开阀门后，A、 B容器中气体的温度与压力。
解：打开阀门后，A、B容器中气体的压 力、温度必相等。取A与B中的气体为热 力系，则该系统为闭口系。闭口系能量
压缩过程中每千克空气的热力学能增加 146.5kJ，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
过程中对每千克空气作的功；(2)每生产
1kg压缩空气所需的功（技术功）；(3)
带动此压气机所用的电动机的功率。
解:(1)压气机的工作工 程包括进气、压缩和 排气三个过程，在压 缩过程中，进、排气 阀均关闭，因此此时 的热力系统是闭口系， 与外界交换的是容积 功W。
（3）上述两种情况从初态变化到终态，其过 程是否都可在p-v图上表示？
答：(1)抽去隔板后气体迅速充满整个刚 性容器，此过程发生后，气体无法恢复 到原来状态，因此为不可逆过程。气体 没有对外界作功。
(2)每抽去一块隔板，让气体恢复平衡后 再抽去一块，此过程可看作准平衡过程， 气体作功，可以看作是把隔板缓慢地往 右推移。
二、计算题
1.一飞机的弹射装置如图示，汽缸内装有 压缩空气，初始体积为0.28m3,终了体积 为0.99m3。飞机的发射速度为61m/s，活 塞、连杆和飞机的总质量为2722kg。设 发射过程进行很快，压缩空气和外界无 传热现象，若不计摩擦损耗，求发射过 程中压缩空气的热力学能的变化量。
解：取汽缸与活塞之间的压缩空气作为闭 口系统，由闭口系统能量方程有：