工程热力学第五版练习题Word文档格式.docx
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由于空气可视为理想气体，其内能是温度的单值函数。
内能增加温度也增加，可见此种想法不但不能达到降温目的，反而使室内温度有所升
若以电冰箱为系统进行分析，其工作原理如图3.1所示。
耗功W后连
同从冰室内取出的冷量Qo一同通过散热片排放到室内，使室内温度升高。
室內T>
7^|
3
Co
I冰室『qI
（bi
图3.1
例2.既然敞开冰箱大门不能降温，为什么在门窗紧闭的房间内安装空调器后却能使温度降低呢？
参看图3.2,仍以门窗紧闭的房间为对象。
由于空调器安置在窗上，通过边界向环境大气散热，这时闭口系统并不绝热，而且向外界放热，由于QvQ虽然空调器工作时依旧有电功W俞入系统，仍然W<
0但按闭口系统
能量方程：
占U=Q-W，此时虽然Q与W都是负的,但Q>
W，所以也U<
0可见室内空气内能将减少，相应地空气温度将降低。
若以空调器为系统,其工作原理如图3.2所示，耗功W连同从室内抽取的热量Q'
一同排放给环境，因而室内温度将降低。
环境犬气压
Q
室内I
图3.2
例3.带有活塞运动汽缸，活塞面积为f,初容积为V1的气缸中充满压力为R，温度为Ti的理想气体，与活塞相连的弹簧，其弹性系数为K,初始时处于自然状态。
如对气体加热，压力升高到P2。
求：
气体对外作功量及吸收热量。
（设气体比热G及气体常数R为已知）。
取气缸中气体为系统。
外界包括大气、弹簧及热源。
（1）系统对外作功量W包括对弹簧作功及克服大气压力Po作功。
设活塞移动距离为x，由力平衡求出：
初态：
弹簧力F=o,Pi=Po
终态：
P2fKxPofx=P2_Pof=卫pLf
KK
XX1
对弹簧作功：
W=Fdx二Kxdx=-Kx2
oo2
克服大气压力作功：
W'
'
=Fx=Pofx=：
Po.VV
系统对外作功：
w=w'
・w"
（2）气体吸收热量：
Q=AUW
式中：
W（已求得）
PlV1P2V2
i_U=mCvT2_T1T1，T2：
mRmR
U二字P2V2-PM
R
而V2二WVfx
例4.两股流体进行绝热混合，求混合流体参数。
取混合段为控制体。
稳态稳流工况。
Q=0,W=0
动能、位能变化忽略不计。
-H=0
即：
m1h1m2h2=mm2h3
m1h1m2h2
m-im2
若流体为定比热理想气体时:
h二CpT
例5.压气机以m的速率吸入Pi,ti状态的空气，然后将压缩为P2,t2的压缩空气排出。
进、排气管的截面积分别为fi,f2，压气机由功率为P
的电动机驱动。
假定电动机输出的全部能量都传给空气。
试求：
（1）进、
排气管的气体流速；
（2）空气与外界的热传递率。
取压气机为控制体。
（1）进、排气管气体流速:
由连续性方程和状态方程：
f1C1RT|
m，v1:
V1P1
进气流速：
G二』RT1m/s
P1f1
同理，排气流速：
C2—RT2m/s
P2f2
（2）热传递率：
忽略位能变化能量方程：
1..1.
Wt—mCj=QH2-mC2
22
Q=Hr-H2'
_mq'
-c|厂Ws
2
设气体为定比热理想气体：
h=cpT
Q二mCp「-T21mc-2-c|W
Ws=P
例6:
如图3.3所示的气缸，其内充以空气。
气缸截面积A=100crh,
活塞距底面咼度H=10cm活塞及其上重物的总重
量G=195kg。
当地的大气压力po=771mmHg环境
温度to=27°
c。
若当气缸内气体与外界处于热力|川miHH
平衡时，把活塞重物取去100kg，活塞将突然上升，最后重新达到热力平衡。
假定活塞和气缸壁之间无摩擦，气体可以通过气缸壁和外界充分换热，试求活塞上升的距离和气体的换热量。
（1）确定空气的初始状态参数
Pi=Pbi+P91=G1=771X13.6x10-4X+195=3kgf/cm2A100
或P1=3X0.98665=2.942bar=294200Pa
V1=AH=100X10=1000cm
「=273+27=300K
（2）确定取去重物后，空气的终止状态参数
由于活塞无摩擦，又能充分与外界进行热交换，故当重新达到热力平
衡时，气缸内的压力和温度应与外界的压力和温度相等。
则有
P2=pb2+pg2=G1=771X13.6X10-4x+195一100=2kgf/cm2
A100
或P2=2X0.98665=1.961bar=196100Pa
T2=273+27=300K
由理想气体状态方程pV=mRT及T1=T2可得
活塞上升距离
△H=（V2-V1）/A=（1500-1000）/100=5cm
对外作功量
W12=p2AV=H=196100（100X5）X10-6=98.06kJ
由热力学第一定律
Q=AUW
由于Ti=T2,故U=U，艮卩A1=0贝
Q2=W=98.06kJ（系统由外界吸入热量）
5
例7:
如图3.4所示，已知气缸内气体Pi=2X10Pa,弹簧刚度k=40kN/m活塞直径D=0.4m活塞重可忽略不计，而且活塞与缸壁间无摩擦。
大气压力p2=5X105Pa。
求该过程弹簧的位移及气体作的膨胀功。
以弹簧为系统，其受力t=kL,弹簧的初始长度为
5応2
（2-1）1050.42
-4=0.314m
40103
I
图3.4
弹簧位移
丄=（1一2）/k=（P1一P0）A/k
（5-2）105—0.424=0.942m40103
气体作的膨胀功原则上可利用可用功计算，但此时P与V的函数关系不便确定，显然，气体所作的膨胀功W应该等于压缩弹簧作的功W加克服大气阻力作的功W,因此若能求出W与W,则W也就可以确定。
2L2122
W1=JdL=L1kLdL=尹丄2-L1）
122
40[（0.3140.942）-0.314]
9.58kJ
5兀2
W.=PoA：
L=110-0.420.942
4
=118401=11.84kJ
W=W+W=29.58+11.84=41.42kJ
说明：
（1）由此题可看出，有时p与v的函数关系不大好确定，膨胀功可通过外部效果计算。
（2）请同学们思考，本题中若考虑活塞重，是否会影响计算结果。
3.4思考与练习题
1•物质的温度愈高，所具有的热量也愈多，对否？
2•对工质加热，其温度反而降低，有否可能？
3•对空气边压缩边进行冷却，如空气的放热量为1kJ，对空气的压缩
功为6kJ，则此过程中空气的温度是升高，还是降低。
4•空气边吸热边膨胀，如吸热量Q=膨胀功，则空气的温度如何变化。
5.讨论下列问题：
1）气体吸热的过程是否一定是升温的过程。
2）气体放热的过程是否一定是降温的过程。
3）能否以气体温度的变化量来判断过程中气体是吸热还是放热。
6.试分析下列过程中气体是吸热还是放热（按理想气体可逆过程考虑）
1）压力递降的定温过程。
2）容积递减的定压过程。
3）压力和容积均增大两倍的过程。
7.判断下述各过程中热量和功的传递方向（取选为系统）
1）用打气筒向轮胎充入空气。
轮胎、气筒壁、活塞和联结管都是绝热的,且摩擦损失忽略不计。
2）绝热容器中的液体由初始的扰动状态进入静止状态。
3）将盛有NH的刚性容器，通过控制阀门与抽真空的刚性容器相联结，容器、阀门和联结管路都是绝热的。
打开控制阀门后，两个容器中的
NH5处于均匀状态。
4）将盛有水和水蒸汽的封闭的金属容器加热时，容器内的压力和温
度都上升
5）按（4）所述，若加热量超过极限值，致使容器爆破，水和蒸汽爆
散到大气中去。
6）处于绝热气缸中的液体，当活塞慢慢地向外移动时发生膨胀。
7）1kg空气迅速地从大气中流入抽真空的瓶子里，可忽略空气流动中的热传递。
8•绝热容器内盛有一定量空气，外界通过叶桨轮旋转，向空气加入功1kJ，若将空气视为理想气体，试分析
1）此过程中空气的温度如何变化。
2）此过程中空气的熵有无变化。
如何变化。
3）此为绝热过程,根据熵的定义式dS=dQ/T由于dQ=Q则dS似乎也应为零，即过程中空气的熵不变，你认为此结论对吗。
为什么。
9.冬季车间内通过墙壁和门窗向外散热量为30x106kJ/h，车间内各种生产设备的总功率为500KW假定设备在运行中将动力全部转变为热量，另外还用50盏100W的电灯照明，为使车间温度保持不变，求每小时还需
向车间加入多少热量。
（Q=2.818x107kJ/h）
10.有人试图用绝热量热计来测定液体的比热。
该设备是用一个搅拌轮在绝热容器中作功。
根据测出的搅拌功及液体温升就可算出该液体的比
热。
为了验证这一测定的准确性，他用10mol、cp=133.1J/（molK）的苯进
行试验，结果是搅拌轮作的功为6256J，液体温升为4K,假定试验中压力不变，苯的比热为定值。
试论证试验结果与测定要求是不一致的，解释不一致产生的原因。
11.容器A中盛有1kg温度为27C,压力为3bar的空气，另一容器B中盛有127C,6bar的空气，容积为0.2m3。
两个容器是绝热的，试求两容器连通后空气的最终温度及压力。
12.某稳定流动系统与外界传递的热量Q=-12KJ,焓的变化为-11KJ，动能的变化为4KJ。
问该系统所作的轴功Ws与技术功是否相同？
是多少？
设过程中工质位能变化为零。
13.空气在压力为20bar，温度为100C的主管道中流动,一绝热容器
与主管道连接。
当阀门慢慢打开时，空气进入容器，并使容器中的压力也达到20bar,求容器中空气的最终温度,若：
1）容器开始时为真空
2）容器装有一活塞，其上载有重物，正好需要20bar的压力才能举起活塞。
3）容器
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