第五章水蒸汽的热力性质和热力过程Word下载.docx
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Ｎ+100
所以N°
Ｎ=Tk-373.15
（2）当T=0k时，代入上式得0k为N=-373.15°
Ｎ
3．某远洋货轮的真空造水设备的真空度为0.0917ＭＰａ，而当地大气压力为0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为0.0874MPa，而当地大气压力变化为0.097MPa。
试问该真空造水设备的绝对压力有无变化
由题意得
P=Pb-Pv
则P1=0.1013-0.0917=0.0096MPaP2=0.097-0.0874=0.0096MPa
因为P1=P2；
所以该真空造水设备的绝对压力没有变化。
4．如图1-1所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。
试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。
（1）取水为系统；
（2）取电阻丝、容器和水为系统；
（3）取虚线内空间为系统。
（1）交换的能力形式为：
热量、物质。
（2）交换的能量形式为：
热量、物质、（3）此系统为孤立系统，与外界无能量交换。
5．判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。
（1）在大气压力为0.1013MPa时，将两块0℃的冰互相缓慢摩擦，使之化为0℃的水。
此过程不可逆。
两块冰相互缓慢摩擦过程有耗散效应，耗散效应是不可逆因素。
（2）在大气压力为0.1013MPa时，用（0＋dt）℃的热源（dt→0）给0℃的冰加热使之变为0℃的水。
这种情况是有限温差下的热传递，热不可以自发的从低温物体传递到高温物体。
（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。
此过程为可逆过程。
（4）100℃的水和15℃的水混合。
混合后，热量不可以自发的分开，产生100℃的水和15℃的水。
热量不能自发的从低温物体传递到高温物体。
6．如图1-2所示的一圆筒容器，表A的读数为360kPa；
表B的读数为170kPa，表示室I压力高于室II的压力。
大气压力为760mmHg。
试求:
（1）真空室以及I室和II室的绝对压力；
（2）表C的读数；
（3）圆筒顶面所受的作用力。
图1-2
（1）由题意可得真空室的压力为760mmHg-745mmHg=15mmHg=所以真空室的压力为2.0kPa。
Pg=P-Pb所以1室和2室的绝对压力分别是P1=360kPa+2.0kPa=362.0kPaP2=P1-170kPa=192.0kPa
（2）表C的读数P3=P2-2.0=190.0kPa
（3）F=P某S，P=101.325kPa-2.0kPa=99.325kPa，S=πr=3.14某（所以圆筒顶面所受的作用力为15.693牛，方向向下。
第二章
功：
力与同方向位移的乘积。
热量：
除功以外，通过边界由外界传递给封闭系统的能量。
体积功：
工质体积改变时所做的功。
节流：
工质流过小孔后压力不能恢复原来数值的现象称为节流。
二．习题
膨胀功是工质膨胀时对外界作的功；
流动功是外界为了克服工质在系统流动过程中的压力而作的功；
轴功是外界通过旋转轴对流动工质作的功；
技术功是工质在开口系统中所增加的动能和对外界作的轴功之和。
2．下面所写的热力学第一定律表达是否正确？
若不正确，请更正。
热力学第一定律
2
15101.325=2.0kPa76045022）=0.158m
21000quwqduw1qHc2gzw22
QH
正确的表达式分别是：
1、q1pdVuw2、qduw
2123、qhcgzw4、QHvdp
213．一活塞、气缸组成的密闭空间，内充50g气体，用叶轮搅拌器搅动气体。
活塞、气缸、搅拌器均用完全绝热的材料制成。
搅拌期间，活塞可移动以保持压力不变，但绝对严密不漏气。
已测得搅拌前气体处于状态1，搅拌停止后处于状态2，如下表所示。
状态12解：
由题意可得q=u2p（MPa）3.53.5v（m3/kg）0.007110.01916u（kJ/kg）22.7597.63h（kJ/kg）47.64164.69活塞与气缸壁间有一些摩擦。
求搅拌器上输入的能量为多少？
u1p2v2p1v1
Q=mq
所以可求得搅拌器上输出的能量为Q=3.95kJ
4．1kg空气由p1=5MPa,t1=500℃，膨胀到p2=0.5MPa,t2=500℃，得到热量506kJ，对外做膨胀功506kJ。
接着又从终态被压缩到初态，放出热量390kJ,试求：
（1）膨胀过程空气热力学能的增量；
（2）压缩过程空气热力学能的增量；
（3）压缩过程外界消耗了多少功？
（1）由热力学公式可得UQW已知Q=506kJ，W=506kJ所以热力学能增量为0。
（2）由
（1）知在膨胀过程中系统的热力学能没有改变，压缩过程使系统又回到初态，所以在压缩过程空气的热力学能增量为U（3）由
（2）可得U0
QW0，所以WQ-390kJ所以压缩过程外界消耗390kJ功。
5．一活塞气缸装置中的气体经历了2个过程。
从状态1到状态2，气体吸热500kJ，活塞对外作功800kJ。
从状态2到状态3是一个定压的压缩过程，压力为p=400kPa，气体向外散热450kJ。
并且已知U1=2000kJ,U3=3500kJ，试计算2-3过程中气体体积的变化。
QUW在1到2过程UkJ
QWU2U1500800300kJ
所以U2=U1在2到3过程中Q3001700UW
WQU=-450-（3500-1700）=-2250Kj
由题意知W=PΔV所以VW5.625m3P3所以在2到3过程中气体的体积减少了5.625m
6．现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图2-1所示的设备进行绝热混合，以形成第三股所需温度的空气流。
各股空气的已知参数如图中所示。
设空气可按理想气体计，其焓仅是温度的函数，按{h}kJ/kg=1.004{T}K计算，理想气体的状态方程为pv=RT,R=287J/（kg·
K）。
若进出口截面处的动、位能变化可忽略，试求出口截面的空气温度和流速。
图
由题意可得空气是稳定的流过设备，则左右管道进出气体的体积相等即：
C1tA1C2tA2C3tA3所以
C3m/
C1tA1C2tA2100.1150.1510.83A3t0.3由前后能量守恒可得：
h111212c12h2c2h3c3222且{h}kJ/kg=1.004{T}K
121212h1c1h2c2c3222解得T3=
1.004试求压缩过程所必须消耗的功。
由题意解得a=0.009p2=aV2-2v2=
v2=588.40K所以t3=588.40-273.15=315.25℃
7．某气体从初态p1=0.1MPa，V1=0.3m3可逆压缩到终态p2=0.4MPa，设压缩过程中p=aV-2，式中a为常数。
aa=0.15m3p0.4压缩过程消耗的功W=
v1pdvv2v1av2dv30kJ
8．如图2-2所示，p-v图上表示由三个可逆过程所组成的一个循环。
1-2是绝热过程；
2-3是定压过程；
3-1是定容过程。
如绝热过程1-2中工质比热力学能的变化量为-50kJ/kg，p1=1.6MPa，v1=0.025m3/kg，p2=0.1MPa，v2=0.2m3/kg。
（1）试问这是一个输出净功的循环还是消耗净功的循环？
（2）计算循环的净热。
（1）1到2过程w1=Q-U=0-（-50）=50KJ/kg2到3过程w2=
p2v1v217.5kJ/kg
3到1过程无做功即w3=0所以这个循环的净功为
ww1w2w3=50-17.5=32.5kJ/kg
所以这是一个输出净功的循环。
（2）循环过程U0
Q=W1W232.5kJ/kg
所以循环的净热为32.5kJ/kg
9．某燃气轮机装置如图2-3所示。
已知压气机进口处空气的焓h1=290kJ/kg，经压缩后，空气升温使比焓增为h2=580kJ/kg，在截面2处与燃料混合，以w2=20m/的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。
燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3’,h3’=800kJ/kg，流速增至w3’，燃气再进入动叶片，推动转轮回转做功。
若燃气在动叶片中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为w4=100m/。
求：
（1）若空气流量为100kg/，压气机消耗的功率为多少？
（2）若燃料发热量q=43960kJ/kg，燃料消耗量为多少？
（3）燃气在喷管出口处的流速w3’是多少？
（4）燃气涡轮（3’-4过程）的功率为多少？
（5）燃气轮机装置的总功率为多少？
（1）由题意可得
w=v（h2–h1）=100某（580-290）=2.9某104KW
（2）工质消耗的量为m=
670=15.24g
43960（2q+w221212（3）qh3h2w3w2w322（4）
2h22h3）12=36.06m/
图2-3
第三章
克劳修斯说法：
不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不产生其他变化。
开尔文说法：
不可能从单一热源吸取热量使之完全变为有用功，而不产生其他变化。
卡诺定理：
在温度T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的一切可逆热机，其中效率均相等，与工质性质无关；
在温度T1的高温热源和温度为T2的低温热源之间工作的热机循环，以卡诺循环效率最高。
熵流：
沿任意过程的克劳修斯积分，。
熵产：
将过程中系统熵的变化量与熵流之差定义为熵产。
熵增原理：
在孤立系统中，如果进行的过程是可逆过程，其熵值保持不变；
如果为不可逆过程，其熵增加；
总之，在孤立系统中不论进行什么过程，其熵不可能减少。
1．热力学第二定律可否表述为：
“功可以完全变为热，但热不能完全变为功”，为什么？
答：
不可以，因为如果在改变外界的条件下，热可以完全变为功。
2．下列说法是否正确，为什么？
1）熵增大的过程为不可逆过程；
不正确，如果是吸热的吸热过程，则熵流>
0，熵产=0，系统的熵增=熵流+熵产>
02）工质经不可逆循环，S0；
不正确，不可逆循环的熵产>
0,但它的熵流有可能小于零，则S热力学第二定律
SfSg有可能小于零。
m=
pV1101030.30.40Kg因为氧气为双原子理想的气体所以RT259.81（45273.15）cM,pcM29.3KJ/（Kmol.k）所以c=0.92kJ/（kg·
K）
QmcT，TT2T1Q1108.70K所以mcT
2=153.70℃由
可得pVRT，V2RT2259.81（153.70273.15）1.01m33P11010所以第一个过程的做功为
W1pv2v1101031.010.37.10KJ有热力学第一定律可得Q=U+W
所以
U1Q1W132.9KJ在整个过程中，系统的热力学能没有改变，
KJ由
可得终了状态的体积pVRT，UU1U20，U2U132.9VRT259.81（45273.15）0.7m33p11810
H2U2mp3v3p2v232.90.41181030.71101031.0144.3KJ多变膨胀过程的功为W
（2）过程二的吸热量为Q2QU4044.34.3KJ
cmT0.920.40（45153.70）40.00KJ
9．1kg空气，初态p1=1.0MPa,t1=500C，在气缸中可逆定容放热到p2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到t3=500C，再经可逆定温过程回到初态。
求各过程的u，h，及w和q各为多少？
并在p-v图和T-图上画出这3个过程。
过程1：
因为是定容过程所以w=0，由
pvRT，可得压强为0.5Mpa时的温度为T2386.58K
R8314K）所以287J/（Kg.k）cM,pcM29.3KJ/（Kmol.k）c=1.01kJ/（kg·
29qcvTu1.01386.58500273.15390.44KJ
hup2v2p1v1,vRT0.22m3,h455.5KJp10．一封闭的气缸如图4-3所示，有一无摩擦的绝热活塞位于中间，两边分别充以氮气和氧气，初态均为p1=2MPa，t1=27C。
若气缸总容积为1000cm3，活塞体积忽略不计，缸壁是绝热的，仅在氧气一端面上可以交换热量。
现向氧气加热使其压力升高到4MPa，试求所需热量及终态温度，并将过程表示在p-v图及T-图上。
氧气加热后气体的
对于氮气：
Cp1=29.3/28=1.05,Cv1=Cp—R=1.058.314/28=0.75,k=Cp1/Cp1=1.4对于氧气：
Cp2=0.92，Cv2=0.66
p1v1氮气原来的体积为V=500cm,氮气进行的是可逆绝热n=k=1.4所以=（）
p1kv3
V1=304.8cm3,所以氮气的体积变化量为ΔV=304.8—500=—195.2cm3，氧气的体积变为V2=500+195.2=695.2cm3
p1k1T1对氮气=（）,所以T1=365.9K又由pv=mRT所以T2=834.7K
kpT终态氮气的温度为365.9K，氧气的温度为834.7K，由pv=mRT，m1=11.22kg,m2=12.8kg取汽缸内的整个气体为闭口系，因过程不产生功：
Q=ΔU=ΔU1+ΔU2=m1Cv1（T1—T）+m2Cv2（T2—T）=553.2+4520.9=5074.1KJ故所需要的热量为5074.1KJ.
1=120kg/h；
另一股的温度11．如图4-4所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为t1=400℃，流量m2=210kg/h；
在与外界绝热的条件下，它们相互混合形成压力相同的空气流。
已知比为t2=150℃，流量m热为定值，试计算混合气流的温度，并计算混合过程前后空气的熵的变化量是增加、减小或不变？
为什么？
12．如图4-5所示，理想气体进行了一可逆循环1-2-3-1，已知1-3为定压过程，v3=2v1；
2-3为定容过程，p2=2p3；
1-2为直线线段，即p/v=常数。
（1）试论证q12q13q32；
（2）画出该循环的T-图，并证明
v
121332；
（3）若该理想气体的c=1.013kJ/（kg·
K），c=0.724kJ/（kg·
K），试求该循环的热
p
效率。
证明：
（1）
q1212w12，q13q12u1332w13w32
u13u32u12由体积功的定义可得
w12（w13w32）S123所以证得
1p1v102即
q12q13q32S1230q12q13q32
（2）由图可得证明12
1332
13．1kmol理想气体从初态p1=500kPa，T1=340K绝热膨胀到原来体积的2倍。
设气体Mcp=33.44kJ/（kmol·
K），Mcv=25.12kJ/（kmol·
试确定在下述情况下气体的终温，对外所做的功及熵的变化量。
（1）可逆绝热过程；
（2）气体向真空进行自由膨胀。
一．基本概念饱和温度：
饱和压力：
饱和水：
水温t等于水压p所对应的饱和温度t干饱和蒸汽：
湿蒸汽：
过热蒸汽：
干度：
绝热效率：
1．根据给顶的水蒸汽的压力和比体积，如何用蒸汽表确定它是湿蒸汽还是过热蒸汽？
湿蒸汽的状态参数如何利用蒸汽表求出？
2．由于hp=cp,mT是普遍适用于任意工质的，饱和水在定压下汽化变为干饱和蒸汽时，温度不变，因此，
hhhpcp,m00=hp=cp,m0=0。
这一推论错误在哪里？
3．
（1）在ppc时，定压下蒸汽发生过程的三个阶段是，和；
（2）蒸汽的上界线是的连线，下界线是的连线；
（3）当时，定压下的蒸汽发生过程不再有三个阶段；
（4）试将图5-1中状态点A、B和C、D的名称写出。
A；
B；
C；
D；
图5-1
4．给水在温度t1=60℃、压力p=3.5MPa下进入蒸汽锅炉的省煤器，并在锅炉中加热成t2=350℃的过热蒸汽。
试把该过程表示在T-图上，并求加热过程中水的平均吸热温度。
5．在一台蒸汽锅炉中，烟气定压放热，温度从1500℃降低到250℃，所放出的热量用以生产水蒸汽。
压力
为9MPa、温度为30℃的锅炉给水被加热、汽化、过热成pl=9Mpa、t1=450℃的过热蒸汽。
将烟气近似为空气，取比热为定值。
且cp=1.079kJ／（kgK）。
试求：
（1）产生1kg过热蒸汽需要多少kg烟气？
（2）生产1kg过热蒸汽时，烟气熵的减小以及过热蒸汽熵的增大各为多少（3）将烟气和水蒸汽作为孤立系，求生产1kg过热蒸汽时孤立系熵的增大为多少设环境温度为15℃。
6．某刚性容器内有湿蒸汽5kg，其中饱和水为0.5kg，压力为0.2MPa。
对容器加热，求使其中湿蒸汽完全变为饱和蒸汽所需的热量。
7．按水蒸汽表和h-图，求压力为p=3MPa、干度某=0.98的湿蒸汽的状态参数。
8．已知水蒸汽的压力p=0.5Mpa、比体积v=0.836m3/kg，试确定其所处的状态，并求其比焓，比熵和比热力学能。
9．压力p=1.5MPa，t=120C的未饱和水进入锅炉，在其中定压加热为某=0.98的湿蒸汽离开锅炉，蒸发量为qm=4000kg/h，设燃料的发热量为41868kJ/kg，锅炉效率为B=79%。
试求每小时燃料消耗量。
10．1kg水蒸汽初态为p1=3MPa,t1=400C，在气轮机中绝热膨胀到p2=0.006MPa。
（1）当过程可逆时，试求终态的干度某2和气轮机所做的技术功wt；
（2）当过程不可逆，即oi=0.9时，试求终态的干度某2’和气轮机所做的技术功wt’，以及由于过程不可
逆而引起的技术功的减少量wt=wt-wt’。
六理想混合气体和湿空气
理想混合气体：
道尔顿分压定律：
分体积定律：
质量分数：
体积分数：
摩尔分数：
湿空气：
饱和空气：
未饱和空气：
露点：
含湿量：
相对湿度：
湿空气的焓：
1．用什么方法可使未饱和空气变为饱和空气？
请在p-v图和T-图上画出相应的过程曲线。
如果把20℃时的饱和空气在定压下加热到30℃,它是否还是饱和空气？
2．零下10℃的空气中为什么还含有水蒸汽？
这些水蒸汽为何不结成冰呢？
3．当湿空气的相对湿度100%时，干球温度t、湿球温度tw和露点温度td的大小关系为，当=100%时，三者间的大小关系为
4．未饱和空气中水蒸汽的状态如图6-1中A所示，试在该图上定性表示出湿空气的露点温度td。
图6-1
5．设大气压力为0.1MPa，温度为34C，相对湿度为80%。
如果利用空调设备使湿空气冷却去湿至10C，然后再加热到20C，且通过空调设备的干空气量为20kg，试确定：
（1）终态空气的相对湿度；
（2）湿空气在空调装置中除去的水分量mw;
（3）湿空气在空调设备中放出的热量和在加热器中吸收的热量。
6．温度为25C，压力为0.1MPa，相对湿度为0.5的湿空气经历压缩后温度升高到50C，压力升高到0.3MPa，之后又在定压下冷却，试问冷却到什么温度时将出现水滴
7．某船空气调节装置的回风与新风风量之比ma,2/ma,1=3.5，夏季，新风状态t1=38℃,1=40%，室内回风t=26℃,2=60%，求混合后空气的状态参数。
２
8．设干湿球温度计的读数为：
干球温度t=30℃,湿球温度tw=25℃,大气压力pb=0.1013MPa，试用h-d图确定湿空气的各参数（h、d、、td）。
9．已知房间内墙表面温度为16℃，如果室内空气的温度为22℃，试问防止墙表面发生凝结水珠现象，室内空气相对湿度最大不应超过多少？
第七章气体和蒸汽的流动
马赫数：
临界压力比：
焦耳—汤姆逊效应：
1．水流过缩放形管道，其渐放部分水速必然下降，为什么对气体却可增速为超音速气流？
2．什么是临界压力比？
它和什么因素有关？
有何用处？
渐缩喷管为何不能获得超音速气流？
3．压力为9.807105Pa，温度为30℃的空气，流经阀门时产生绝热节流作用，使压力降为6.865105Pa。
试求节流前后：
（1）比焓、温度、比热力学能的变化；
（2）比熵的变化；
（3）比体积的变化。
4．压力为6.0MPa、温度为490C的蒸汽，经节流阀降为2.5MPa，然后定熵膨胀至0.04MPa，求绝热节流后蒸汽温度为多少度？
熵改变了多少？
由于节流，技术功又改变了多少
5．1.5kg温度T1=330.15K、压力p1=7.1MPa的空气，经绝热节流压力降至0.1MPa。
（1）计算节流引起的熵增量；
（2）上述空气不经节流而是在气轮机内可逆绝热膨胀到0.1MPa，气轮机能输出多少功
6．理想气体从初态1（p1，t1）进行不同过程至相同终压p2，一过程为经过喷管的不可逆绝热膨胀过程，另一过程为经过节流阀的绝热节流过程。
若p1p2p0，T1T0（p0,T0为环境压力和温度），试在T-图上表示此两过程，并根据图比较两过程作功能力损失的大小。
7．空气进入拉伐尔喷管的压力为0.4MPa，温度为650K,入口流速可忽略不计，若出口压力为0.1MPa,喉部截面积为6cm。
试求（１）喉部的状态及流速；
（２）出口截面上的流速及流量；
（３）出口截面积。
8．空气由输送管送来,管端接一出口面积f2=10cm2的渐缩喷管空气在喷管之前的压力p1=2.5MPa，温度t1=80℃，求空气经喷管后射出速度、流量以及出口截面处空气的v2、、t2。
喷管的背压力
第八章压缩机的热力过程
余隙容积：
有效吸气体积：
容积效率：
最佳增压比：
压气机的绝热效率：
1．理想气体从同一初态出发，经可逆和不可逆绝热压缩过程，设耗功相同，试问它们的终态温度、压力和熵是否都不相同？
2．空气初态为p1=1105Pa、t=20C。
经过三级活塞式压气机后，压力提高到12.5MPa。
假定各级增压比相同，压缩过程的多变指数n=1.3。
试求生产1kg压缩空气理论上应消耗的功，并求（各级）气缸出口温度。
如
'
p2=1MPa。
果不用中间冷却器，那么压气机消耗的功和各级气缸出口温度又是多少（按定比热理想气体计算）3．轴流式压气机每分钟吸人p1=0.1MPa、t1=20℃的空气1200kg，经绝热压缩到p2=0.6MPa，该压气机的绝热效率为0.85。
（1）出口处气体的温度及压气机所消耗的功率；
（2）过程的熵产。
4．某叶轮式压气机进口处空气压力p1=0.1MPa，温度T1=293K，出口处气体压力p2=0.4MPa．。
若压气机绝热效率c=0.78，试计算压气机实际出口温度以及压缩1kg空气实际所需的功。
5．1kmol理想气体，由初态为400K和105Pa被压缩
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