工程热力学习题(1).ppt

习题课习题课(一一)热力学第一定律及其应用热力学第一定律及其应用一、思考题一、思考题n1.1.如图如图a a、b b所示容器为刚性容器所示容器为刚性容器 (a)(b)(a)(b)n（1）将容器分成两部分，一部分装气体，一）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，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？气体（系统）是否作功？n（2）设真空部分装有许多隔板，每抽去一块）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，问气体隔板让气体先恢复平衡再抽去一块，问气体（系统）是否作功？（系统）是否作功？n（3）上述两种情况从初态变化到终态，其过）上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在程是否都可在p-v图上表示？图上表示？n答：答：(1)抽去隔板后气体迅速充满整个刚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。气体到原来状态，因此为不可逆过程。气体没有对外界作功。没有对外界作功。(2)每抽去一块隔板，让气体恢复平衡后每抽去一块隔板，让气体恢复平衡后再抽去一块，此过程可看作准平衡过程，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气体作功，可以看作是把隔板缓慢地往右推移。右推移。n(3)(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初第一种情况是不可逆过程，所以从初态变化到终态不能在态变化到终态不能在p-v图上表示；第二图上表示；第二种情况是准平衡过程，所以可以用实线种情况是准平衡过程，所以可以用实线在在p-v图上表示。图上表示。n2.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，中存有高压空气，B中保持真空，如图中保持真空，如图所示，若将隔板抽去，分析容器中热力所示，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，学能如何变化？若隔板上有一个小孔，气体泄漏入气体泄漏入B中，分析中，分析A、B两部分压力两部分压力相同时相同时A、B两部分气体的热力学能如何两部分气体的热力学能如何变化？变化？n答：由热力学第一定律：答：由热力学第一定律：Q=U+w,因为因为刚性容器绝热，所以刚性容器绝热，所以Q=0，空气自由膨胀，空气自由膨胀不作功，即不作功，即w=0，因此，因此，U=0，即空气，即空气的热力学能保持不变。的热力学能保持不变。若隔板上开有一个小孔，取若隔板上开有一个小孔，取B为热力系为热力系进行分析。进行分析。n因为绝热，所以因为绝热，所以Q=0。B中气体不作功，中气体不作功，所以所以Wi=0。B中只有流体流入，没有流中只有流体流入，没有流体流出，所以体流出，所以 mout=0。忽略宏观动能和。忽略宏观动能和势能后上式可变为：势能后上式可变为：n因此因此B中热力学能增加中热力学能增加U，但是把，但是把A、B作为一个热力系来看，其总热力学能是作为一个热力系来看，其总热力学能是不变的，所以不变的，所以A中的热力学能减少中的热力学能减少U。n3.3.门窗紧闭的房间内有一台电冰箱正在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，这又内安装空调后能使房间温度降低，这又是为什么呢？是为什么呢？n答：门窗紧闭的房间视为与外界没有热答：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，内部电冰箱运转时，有电功输入系统，即即W为负值。因此按照闭口系能量方程为负值。因此按照闭口系能量方程有：有：因此，因此，U为正值，即温度升高，不能达为正值，即温度升高，不能达到降温的目的。到降温的目的。房间内安装空调器后，虽然门窗仍然紧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，所以是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负为负值。室内空调器仍旧有电功值。室内空调器仍旧有电功W输入系统，输入系统，W为负值。为负值。n由闭口系能量方程由闭口系能量方程:n由于由于Q的绝对值大于的绝对值大于W的绝对值，所以的绝对值，所以U0，即空气温度降低。，即空气温度降低。二、计算题二、计算题1.1.一飞机的弹射装置如图示，汽缸内装有一飞机的弹射装置如图示，汽缸内装有压缩空气，初始体积为压缩空气，初始体积为0.28m3,终了体积终了体积为为0.99m3。飞机的发射速度为。飞机的发射速度为61m/s，活，活塞、连杆和飞机的总质量为塞、连杆和飞机的总质量为2722kg。设。设发射过程进行很快，压缩空气和外界无发射过程进行很快，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。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：口系统，由闭口系统能量方程有：由于压缩空气和外界没有传热，所以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，有压缩空气作功全部转化为飞机动能，有n2.2.空气在压气机中被压缩。压缩前空气空气在压气机中被压缩。压缩前空气的参数为的参数为p1=p1=0.1MPa,v1=MPa,v1=0.845m3/kg;5m3/kg;压压缩后参数为缩后参数为p2=p2=0.8MPa,v2=MPa,v2=0.175m3/kg.m3/kg.设在压缩过程中每千克空气的热力学能设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加增加146.5kJkJ，同时向外放出热量，同时向外放出热量50kJ50kJ。压气机每分钟产生压缩空气压气机每分钟产生压缩空气10kg10kg。求。求(1)压缩过程中对每千克空气作的功；压缩过程中对每千克空气作的功；(2)(2)每每生产生产1kg1kg压缩空气所需的功（技术功）；压缩空气所需的功（技术功）；(3)(3)带动此压气机所用的电动机的功率。带动此压气机所用的电动机的功率。解解:(1)压气机的工作工压气机的工作工程包括进气、压缩和程包括进气、压缩和排气三个过程，在压排气三个过程，在压缩过程中，进、排气缩过程中，进、排气阀均关闭，因此此时阀均关闭，因此此时的热力系统是闭口系，的热力系统是闭口系，与外界交换的是容积与外界交换的是容积功功W。n取汽缸中的气体为热力系，由闭口系统取汽缸中的气体为热力系，由闭口系统能量方程得能量方程得n(2)(2)生产压缩空气，进、排气阀要周期性生产压缩空气，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体与外界交换的功为轴功ws s，忽略气体，忽略气体动能和势能时，轴功即为技术功动能和势能时，轴功即为技术功wt t.选汽选汽缸进出口、汽缸内壁及活塞左端所围空缸进出口、汽缸内壁及活塞左端所围空间为热力系，此为开口系，由开口系能间为热力系，此为开口系，由开口系能量方程得量方程得n(3)(3)电动机功率：电动机功率：n3.3.如图所示绝热容器如图所示绝热容器A A、B B中装有某种相中装有某种相同的理想气体。已知：同的理想气体。已知：T TA A、P PA A、V VA A和和T TB B、P PB B、V VB B，假定该气体的比热力学能，假定该气体的比热力学能u=Cu=CV VT T，管路、阀门均绝热。求打开阀门后，管路、阀门均绝热。求打开阀门后，A A、B B容器中气体的温度与压力。容器中气体的温度与压力。n解：打开阀门后，解：打开阀门后，A、B容器中气体的压容器中气体的压力、温度必相等。取力、温度必相等。取A与与B中的气体为热中的气体为热力系，则该系统为闭口系。闭口系能量力系，则该系统为闭口系。闭口系能量方程方程Q=U+W，这里这里Q=0，W=0，所，所以以U=0。即：。即：n思考：上一题中，如果容器不绝热，热思考：上一题中，如果容器不绝热，热损失为损失为Q，其它条件相同，则，其它条件相同，则P、T为多为多少？少？n4.4.某蒸汽动力厂中锅炉以某蒸汽动力厂中锅炉以40T/h40T/h的蒸汽供入蒸的蒸汽供入蒸汽轮机，进口处压力表上读数是汽轮机，进口处压力表上读数是9MPa9MPa，蒸汽的，蒸汽的焓为焓为3441kJ/kg3441kJ/kg；蒸汽轮机出口处真空表上的；蒸汽轮机出口处真空表上的读数为读数为0.0974MPaMPa，出口蒸汽焓为，出口蒸汽焓为2248kJ/kg2248kJ/kg。汽轮机对环境散热为汽轮机对环境散热为6.81105kJ/hkJ/h。求。求(1)(1)进、进、出口处蒸汽的绝对压力出口处蒸汽的绝对压力(当地大气压是当地大气压是101325Pa)Pa)；(2)(2)不计进、出口动能差和位能差不计进、出口动能差和位能差时汽轮机的功率；时汽轮机的功率；(3)(3)进口处蒸汽速度为进口处蒸汽速度为70m/s70m/s、出口速度为出口速度为140m/s140m/s时对汽轮机的功率有多大影时对汽轮机的功率有多大影响？响？(4)(4)蒸汽进、出口高度差为蒸汽进、出口高度差为1.6m1.6m时对汽轮时对汽轮机的功率有多大影响？机的功率有多大影响？n解解:(1)n(2)(2)根据稳流能量方程根据稳流能量方程Q=Q=H+WH+Wt t，每小时，每小时技术功技术功n(3)(3)若考虑进出口动能差若考虑进出口动能差n则汽轮机功率减少则汽轮机功率减少81.4kW81.4kWn(4)(4)若考虑位能差，则有若考虑位能差，则有则汽轮机功率增加了则汽轮机功率增加了0.174kW0.174kW三、总结三、总结n1.1.正确选择热力系正确选择热力系n2.2.根据热力系合理地选用能量方程根据热力系合理地选用能量方程n3.3.注意能量方程各项的符号注意能量方程各项的符号n4.4.注意能量方程各项的量纲要统一注意能量方程各项的量纲要统一公式公式一般适用范围一般适用范围闭口系统闭口系统任何过程任何过程 闭口系统闭口系统可逆过程可逆过程 开口系稳开口系稳定流动任定流动任何过程何过程 开口系任开口系任何过程何过程 谢谢大家！谢谢大家！