工程热力学例题.docx
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工程热力学例题.docx
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工程热力学例题
工程热力学例题
1.已知一闭口系统沿
acb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。
⑴、过程沿adb进行,系统对外作功10KJ/kg,问系统吸热多少?
⑵、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?
⑶、若ua=O,ud=40KJ/Kg,求过程ad和db的吸热量。
△甘曲二呦-=80-3()-5()kJ/kg
(1)、对过程adb闭口系统能量方程得:
g倆=4如+叫谕q皿=50+10=60kJAg
(2)、对b-a过程,同样由闭口系统能量方程得:
钏7二Z—+叫。
qb-a='+R-o=-5()-20=-70kJ/kp
即,系统沿曲线由b返回a时,系统放热70KJ/Kg。
⑶、当ua=0,ud=40KJ/Kg,由ub-ua=50KJ/Kg,得ub=50KJ/Kg,且:
叭皿=w'uj+w站=wtuj-10kf/kg
(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:
(fnd-吐社曲+=40+10=50kJ/kg
知=4瓯+iTjj二=50-40=10kJ/kg
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:
:
门_,电汴讣洽
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,
Q=2000x400x20/60=2.67X1O^kJ
(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戸_2厂丨汀
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p仁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:
(3)电动机的功率:
P=qz=x25L5kJ4q?
=4L9kW
11-=7-Au-(-SOkJ/kg)一146kJ/kg=196kJ/kg
(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:
q—Aft=y-Au_Kpv)
=(-50kJ/k«)-(146kJ/kg)-(Q.8XIO3kPaX0.175m3/kg-0.1x]03kP"0845mg)
--251.5kJ/kg
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1工程:
得:
q=M卜yArj+g氐瓷十3狀
AA=A,--290kjAg-580/kff=-290kj4tg
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:
Pc-za点=100kgZsX290kj/ke二29000kw
g临_100kfi/sX670!
r-j1z
(2)燃料的耗量:
如.B—如-43960kJ/kg-庇人
(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:
”.\ti、
q-(Ay-加)+j-旳+wt
—叩2冷一〔*亍一/lnT]
因ws=0,故:
=/2[670x(800-x(20m/!
*)2二9旳mA
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...'■J
ln(vl/v2)ln(l/10)'
为:
因为:
q-:
4丁
内能变化\
cv=_R=~rl~.5J丿(锂♦AT)cp—R—HHM+*•K)
jr_
Fl—Jt
兔二q二垃二・3咏2畑•K)=C^Ar二qcv/cn=8X1(PJ
'rr—1
膨胀功:
w=q-Au=32X10A3J轴功:
ws=nw=28.8X10A3J
焓变:
△h=cpAT=kAu=1.4X8=11.2X10A3J
熵变:
△s==0.82X10A3J/(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:
:
:
.上l
即山如Gn
_tSr2_0
又由热力学第一定律可6--W知:
联立方程仙「玫kJ^=-2IOkJ得:
旳一絆WK为
A{5)(w=AS|+AS]+=0
由熵的定义可知各热源的熵变
AS■一嚣=-05kJ/K
=-誓二-\.5kjZK
7.某人声称可以在TH=385KT=350、TL=297.5K3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%专给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?
297?
5+(350°)=00l22kJ/K
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:
亠W-讥喧jw_u
斤几_T=u
oT-350-297.5385
山吗=7-h_?
|xr=,0°X385-297^X350=6613
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20C,压力表读数1000mmHgpb=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pe=0.22MPa温度t=156C,这时压缩空气为每小时流出3200昭。
设当地大气压pb=765mmHg求压缩空气的质量流量qn(kg/h),以及标准状态体积流量qv°(m3/h)
ppepb0.22765133.31060.322MPa
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=3200ni/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)
pqv
RT
0.322106Pa3200mVQ,/Vq
Jh288.876103molh(5)
8.3145429Knqn
molK
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
5=5+出=应+&丁+出
皿=+bTW=u(t2-+亠ri)
M-[二屛丁二+hT+=Cd+R)(f'2-FJ+-Tf)
JriJ2
一〔v"亍+Ini=丨+bl)+R是In—
」Tf引J片TeV\
:
aIntzt+古(T丄■)斗忑in'
>I呵
10.一容积为0.15m3的储气罐。
内装氧气,其初态压力P1=0.55MPa温度t1=38C。
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285C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P仁0.55MPa、温度t1=38C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=285C,如下图所示:
由于P 2-3过程定压过程,由于该过程中质量随时间在变,因此应先列出其微兀变化的吸热量: 是: =■126.2x10? J-126.2kJ R=^=-J/(kg«K) M28.86 G=悶財巾=20.9% $=1-20.9%=791% M28.86,小 p==l.ZSSkg-U1- 度: 标准状态下的比体积和密22422』 v=-=0.776 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=2Mpat1=300°C (2)P2=9Mpav1=0.017m3/Kg (1)解: P1=2Mpats=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=2Mpat1=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' 蒸汽状态,其干度为: =“-d=fU.ljlN—QjXH昭77)(片 1v"-v(0.020500-0.0014)77)/kg 查饱和表得P2=9Mpa时,X二】球“材伽: h~=2741.9kf/kff f=3/2K54kJAST=5677\幻,K) 二y*启(血—a; 二1363,lkJ4cg+0.S166(274】/亠】363.I)kJ他 二2W.OkJ/kg =.1.285AklAkg*K)^0SIG6(S677I3.2K54)kjAk^・K) =5-238kjA^'K) 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 14. nwd1d27.49g/kg(a) 18.某空调系统每小时需要t2=21C,相对湿度为60%的湿空气若干(其中干空气质量4500kg/h)。 现 将室外温度t1=35C,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: 1护1=70貓: 查图得h仁99.78kJ/kg(a)d仁25.17g/kg(a) 程除去的水分: h2=44.76kJ/kg(a)d2=9.3g/kg(a) 处理过™tl 放热量: fi-W)-=24_Jikl1! 19.某厂房产生余热16500kJ/h,热湿比三=7000。 为保持室内温度t2=27C及相对湿度为40%的要求,向厂房送入湿空气的温度t1=19C,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: =2.357kg1i 查图得h2=49.84kJ/kg,hi=35kJ/kg,di=6.3g/kg(a) 20.空气流经喷管作定熵流动,已知进口截面上空气参数,pi=0.7MPa,ti=947°CQ=0m/s,qm=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,Rr=Bp1=0.528X0.7=0.37MPa 选用渐缩喷管。 =1108AT =75(—F=(947+273X^|)^ P\ p2-0A2MPa Pb=-0.528x07=0.31Xfpa>ph 选缩放喷管。 口迅(M2空 K=石(竺)4=(947+273)(—―)14=737K 仏1.76x0.5〜—*_di 勺二—=1X1” 范文素材和资料部分来自网络,供参考。 可复制、编制,期待你的好评与关注)
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