工程熱力學(xué)習(xí)題(1)

1、習(xí)題課(一),——熱力學(xué)第一定律及其應(yīng)用,一、思考題,1.如圖a、b所示容器為剛性容器 (a) (b),,（1）將容器分成兩部分，一部分裝氣體，一部分抽成真空，中間是隔板。若突然抽去隔板，氣體（系統(tǒng)）是否作功？（2）設(shè)真空部分裝有許多隔板，每抽去一塊隔板讓氣體先恢復(fù)平衡再抽去一塊，問(wèn)氣體（系統(tǒng)）是否作功？（3）上述兩種情況從初態(tài)變化到終態(tài)，其過(guò)程是否都可在p-v圖上表示？,

2、,答：(1)抽去隔板后氣體迅速充滿(mǎn)整個(gè)剛性容器，此過(guò)程發(fā)生后，氣體無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，因此為不可逆過(guò)程。氣體沒(méi)有對(duì)外界作功。 (2)每抽去一塊隔板，讓氣體恢復(fù)平衡后再抽去一塊，此過(guò)程可看作準(zhǔn)平衡過(guò)程，氣體作功，可以看作是把隔板緩慢地往右推移。,,(3)第一種情況是不可逆過(guò)程，所以從初態(tài)變化到終態(tài)不能在p-v圖上表示；第二種情況是準(zhǔn)平衡過(guò)程，所以可以用實(shí)線(xiàn)在p-v圖上表示。,,2.剛性絕熱容器中間用隔板分為兩部分，A中存有高壓空氣，

3、B中保持真空，如圖所示，若將隔板抽去，分析容器中熱力學(xué)能如何變化？若隔板上有一個(gè)小孔，氣體泄漏入B中，分析A、B兩部分壓力相同時(shí)A、B兩部分氣體的熱力學(xué)能如何變化？,,,答：由熱力學(xué)第一定律：Q=△U+w,因?yàn)閯傂匀萜鹘^熱，所以Q=0，空氣自由膨脹不作功，即w=0，因此，△U=0，即空氣的熱力學(xué)能保持不變。 若隔板上開(kāi)有一個(gè)小孔，取B為熱力系進(jìn)行分析。,,因?yàn)榻^熱，所以δQ=0。B中氣體不作功，所以δWi=0。B中只有流體流入

4、，沒(méi)有流體流出，所以δ mout=0。忽略宏觀動(dòng)能和勢(shì)能后上式可變?yōu)椋?,,,,,因此B中熱力學(xué)能增加△U，但是把A、B作為一個(gè)熱力系來(lái)看，其總熱力學(xué)能是不變的，所以A中的熱力學(xué)能減少△U。,,3.門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)有一臺(tái)電冰箱正在運(yùn)行，若敞開(kāi)冰箱的大門(mén)就有一股涼氣撲面，感到?jīng)鏊Ｓ谑怯腥讼胪ㄟ^(guò)敞開(kāi)冰箱大門(mén)達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的，請(qǐng)問(wèn)這種方法可行嗎？在門(mén)窗緊閉的房間內(nèi)安裝空調(diào)后能使房間溫度降低，這又是為什么呢？,,答：門(mén)窗緊閉的房間視為與

5、外界沒(méi)有熱量交換，可看作是絕熱閉口系。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部電冰箱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有電功輸入系統(tǒng)，即W為負(fù)值。因此按照閉口系能量方程有： 因此，△U為正值，即溫度升高，不能達(dá)到降溫的目的。,,,房間內(nèi)安裝空調(diào)器后，雖然門(mén)窗仍然緊閉，但是由于空調(diào)器安裝在窗上，通過(guò)邊界向大氣環(huán)境散熱，此時(shí)的房間不再是絕熱的，而是向外界放熱，所以Q為負(fù)值。室內(nèi)空調(diào)器仍舊有電功W輸入系統(tǒng)，W為負(fù)值。,,,,由閉口系能量方程:由于Q的絕對(duì)值大于W的絕對(duì)值，所以△U＜0

6、，即空氣溫度降低。,二、計(jì)算題,1.一飛機(jī)的彈射裝置如圖示，汽缸內(nèi)裝有壓縮空氣，初始體積為0.28m3,終了體積為0.99m3。飛機(jī)的發(fā)射速度為61m/s，活塞、連桿和飛機(jī)的總質(zhì)量為2722kg。設(shè)發(fā)射過(guò)程進(jìn)行很快，壓縮空氣和外界無(wú)傳熱現(xiàn)象，若不計(jì)摩擦損耗，求發(fā)射過(guò)程中壓縮空氣的熱力學(xué)能的變化量。,,解：取汽缸與活塞之間的壓縮空氣作為閉口系統(tǒng)，由閉口系統(tǒng)能量方程有：由于壓縮空氣和外界沒(méi)有傳熱，所以Q=0壓縮空氣作功全部轉(zhuǎn)化為飛機(jī)動(dòng)能

7、，有,,,,,2.空氣在壓氣機(jī)中被壓縮。壓縮前空氣的參數(shù)為p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg;壓縮后參數(shù)為p2=0.8MPa,v2=0.175m3/kg.設(shè)在壓縮過(guò)程中每千克空氣的熱力學(xué)能增加146.5kJ，同時(shí)向外放出熱量50kJ。壓氣機(jī)每分鐘產(chǎn)生壓縮空氣10kg。求(1)壓縮過(guò)程中對(duì)每千克空氣作的功；(2)每生產(chǎn)1kg壓縮空氣所需的功（技術(shù)功）；(3)帶動(dòng)此壓氣機(jī)所用的電動(dòng)機(jī)的功率。,,解:(1)壓氣機(jī)的工作工程包括進(jìn)氣

8、、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程，在壓縮過(guò)程中，進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉，因此此時(shí)的熱力系統(tǒng)是閉口系，與外界交換的是容積功W。,,取汽缸中的氣體為熱力系，由閉口系統(tǒng)能量方程得,,,(2)生產(chǎn)壓縮空氣，進(jìn)、排氣閥要周期性地打開(kāi)和關(guān)閉，氣體進(jìn)出汽缸，此時(shí)氣體與外界交換的功為軸功ws，忽略氣體動(dòng)能和勢(shì)能時(shí)，軸功即為技術(shù)功wt.選汽缸進(jìn)出口、汽缸內(nèi)壁及活塞左端所圍空間為熱力系，此為開(kāi)口系，由開(kāi)口系能量方程得,,,,,,(3)電動(dòng)機(jī)功率：,,,3.如圖所示絕熱容器A

9、、B中裝有某種相同的理想氣體。已知：TA、PA、VA和TB、PB、VB，假定該氣體的比熱力學(xué)能u=CVT，管路、閥門(mén)均絕熱。求打開(kāi)閥門(mén)后，A、B容器中氣體的溫度與壓力。,解：打開(kāi)閥門(mén)后，A、B容器中氣體的壓力、溫度必相等。取A與B中的氣體為熱力系，則該系統(tǒng)為閉口系。閉口系能量方程Q=△U+W，這里Q=0，W=0，所以△U=0。即：,,,,,,,思考：上一題中，如果容器不絕熱，熱損失為Q，其它條件相同，則P、T為多少？,4.某蒸汽動(dòng)力廠中

10、鍋爐以40T/h的蒸汽供入蒸汽輪機(jī)，進(jìn)口處壓力表上讀數(shù)是9MPa，蒸汽的焓為3441kJ/kg；蒸汽輪機(jī)出口處真空表上的讀數(shù)為0.0974MPa，出口蒸汽焓為2248kJ/kg。汽輪機(jī)對(duì)環(huán)境散熱為6.81×105kJ/h。求(1)進(jìn)、出口處蒸汽的絕對(duì)壓力(當(dāng)?shù)卮髿鈮菏?01325Pa)；(2)不計(jì)進(jìn)、出口動(dòng)能差和位能差時(shí)汽輪機(jī)的功率；(3)進(jìn)口處蒸汽速度為70m/s、出口速度為140m/s時(shí)對(duì)汽輪機(jī)的功率有多大影響？(4)蒸汽