工程热力学第五版练习题.docx

1、工程热力学第五版练习题第3章热力学第一定律3.1基本要求深刻理解热量、储存能、功的概念，深刻理解内能、焓的物理意义理解膨胀（压缩）功、轴功、技术功、流动功的联系与区别熟练应用热力学第一定律解决具体问题3.2本章重点1必须学会并掌握应用热力学第一定律进行解题的方法，步骤如下：1 ）根据需要求解的问题，选取热力系统。2） 列出相应系统的能量方程3） 利用已知条件简化方程并求解4） 判断结果的正确性2.深入理解热力学第一定律的实质，并掌握其各种表达式（能量方程） 的使用对象和应用条件。3切实理解热力学中功的定义，掌握各种功量的含义和计算，以及它 们之间的区别和联系，切实理解热力系能量的概念，掌握各种

2、系统中系统 能量增量的具体含义。4.在本章学习中，要更多注意在稳态稳定流动情况下，适用于理想气 体和可逆过程的各种公式的理解与应用。3.3例题例1.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 有一股凉气扑面，感到凉爽。于是有人就想通过敞开冰箱大门达到降低室内 温度的目的，你认为这种想法可行吗？解：按题意，以门窗禁闭的房间为分析对象，可看成绝热的闭口系统， 与外界无热量交换，Q=0,如图3.1所示，当安置在系统内部的电冰箱运转 时，将有电功输入系统，根据热力学规定： W7|3CoI冰室q I(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

3、度降低呢？解：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 WW，所以也U0 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

4、功量 及吸收热量。（设气体比热 G及气体常数R为已知）。解：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：P2 f Kx Pof x = P2 _Po f =卫 pLfK KXX 1对弹簧作功： W = Fdx 二 Kxdx=-Kx2o o 2克服大气压力作功： W =F x=Pofx=：Po.VV系统对外作功：w=ww（2）气体吸收热量：能量方程：Q=AU W式中：W（已求得）PlV1 P2V2i_U =mCv T2 _T1 T1 ， T2 ：mR mRU

5、二字 P2V2 - PMR而 V2 二W V fx例4.两股流体进行绝热混合，求混合流体参数。解：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。能量方程：-H =0即：m1h1 m2h2 = m m2 h3m1h1 m2 h2m-i m2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。解：取压气机为控制体。（1）进、排气

6、管气体流速: 由连续性方程和状态方程：f1C1 RT|m ， v1 :V1 P1进气流速：G二RT1m/sP1 f1同理，排气流速：C2 RT2m/sP2 f2（2）热传递率：忽略位能变化能量方程：1 . . 1 .Wt mCj =Q H2 -mC222Q=Hr - H 2 _ mq - c| 厂 W s2设气体为定比热理想气体：h =cpTQ 二mCp-T2 1 m c-2 -c| W式中：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=27c。

7、若当气缸内气体与外界处于热力 |川 mi HH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。解：(1)确定空气的初始状态参数Pi=Pbi + P91=G1=771X 13.6 x 10-4 X +195 =3kgf/cm 2 A 100或 P1=3X 0.98665=2.942bar=294200PaV1=AH=100X 10=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，

8、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=771X 13.6 X 10-4 x +195 一100 =2kgf/cm2A 100或 P2=2X 0.98665=1.961bar=196100PaT2=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=p2A V= H=196100 (100X 5)X 10-6=98.06kJ由热力学第一定律Q=A UW由于Ti=T2,故U=U，艮卩A 1=0贝Q2=W=98.06kJ (系统由外

9、界吸入热量)5例7:如图3.4所示，已知气缸内气体Pi=2X 10Pa,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=5X 105Pa。求该过程弹簧的位移及气体作的膨胀功。解：以弹簧为系统，其受力t =kL,弹簧的初始长度为5 応 2（2 -1） 105 0.42- 4 =0.314m40 103IQ图3.4弹簧位移丄=（1 一 2）/k =（P1 一 P0）A/k5 応 2（5-2） 105 0.42 4 =0.942m 40 103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

10、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。2 L2 122W1 = J dL = L1 kLdL =尹丄2 -L1)1 2 240 (0.314 0.942) -0.314 29.58kJ5兀 2W. =PoA ：L=1 10 - 0.42 0.9424= 118401 =11.84kJW =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

11、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

12、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

13、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 30x 106kJ/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=2.818 x 107 kJ/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

14、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27 C ,压力为3bar的空气，另一容器 B中盛有127 C ,6bar的空气，容积为0.2 m3。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