工程热力学例题文档格式.docx
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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。
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。
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
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。
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<
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
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'
<
v<
v'
可知该状态为湿
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^'
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。
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。
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。
p2=0.5MPa,Rr=Bp1=0.528X0.7=0.37MPa<
p
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”
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