工程热力学习题(1)

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1、习题课(一)——热力学第一定律及其应用一、思考题1.如图a、b所示容器为刚性容器(a)(b)（1）将容器分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板，气体（系统）是否作功？（2）设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢复平衡再抽去一块，问气体（系统）是否作功？（3）上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在p-v图上表示？答：(1)抽去隔板后气体迅速充满整个刚性容器，此过程发生后，气体无法恢复到原来状态，因此为不可逆过程。气体没有对外界作功。(2)每抽去一块隔板，让气体恢复平衡后再抽去一块，此过程可看作准平衡过程，气体作功，可以看作是把隔板缓慢地往右推移。

2、(3)第一种情况是不可逆过程，所以从初态变化到终态不能在p-v图上表示；第二种情况是准平衡过程，所以可以用实线在p-v图上表示。2.刚性绝热容器中间用隔板分为两部分，A中存有高压空气，B中保持真空，如图所示，若将隔板抽去，分析容器中热力学能如何变化？若隔板上有一个小孔，气体泄漏入B中，分析A、B两部分压力相同时A、B两部分气体的热力学能如何变化？答：由热力学第一定律：Q=△U+w,因为刚性容器绝热，所以Q=0，空气自由膨胀不作功，即w=0，因此，△U=0，即空气的热力学能保持不变。若隔板上开有一个小孔，取B为热力系进行分析。因为绝热，所以δQ=0。B中气体不作功，所以δWi=0。B中只有流体

3、流入，没有流体流出，所以δmout=0。忽略宏观动能和势能后上式可变为：因此B中热力学能增加△U，但是把A、B作为一个热力系来看，其总热力学能是不变的，所以A中的热力学能减少△U。3.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。于是有人想通过敞开冰箱大门达到降低室内温度的目的，请问这种方法可行吗？在门窗紧闭的房间内安装空调后能使房间温度降低，这又是为什么呢？答：门窗紧闭的房间视为与外界没有热量交换，可看作是绝热闭口系。当系统内部电冰箱运转时，有电功输入系统，即W为负值。因此按照闭口系能量方程有：因此，△U为正值，即温度升高，不能达到降温的目的。房间内安装

4、空调器后，虽然门窗仍然紧闭，但是由于空调器安装在窗上，通过边界向大气环境散热，此时的房间不再是绝热的，而是向外界放热，所以Q为负值。室内空调器仍旧有电功W输入系统，W为负值。由闭口系能量方程:由于Q的绝对值大于W的绝对值，所以△U＜0，即空气温度降低。二、计算题1.一飞机的弹射装置如图示，汽缸内装有压缩空气，初始体积为0.28m3,终了体积为0.99m3。飞机的发射速度为61m/s，活塞、连杆和飞机的总质量为2722kg。设发射过程进行很快，压缩空气和外界无传热现象，若不计摩擦损耗，求发射过程中压缩空气的热力学能的变化量。解：取汽缸与活塞之间的压缩空气作为闭口系统，由闭口系统能量方程有：由于

5、压缩空气和外界没有传热，所以Q=0压缩空气作功全部转化为飞机动能，有2.空气在压气机中被压缩。压缩前空气的参数为p1=0.1MPa,v1=0.845m3/kg;压缩后参数为p2=0.8MPa,v2=0.175m3/kg.设在压缩过程中每千克空气的热力学能增加146.5kJ，同时向外放出热量50kJ。压气机每分钟产生压缩空气10kg。求(1)压缩过程中对每千克空气作的功；(2)每生产1kg压缩空气所需的功（技术功）；(3)带动此压气机所用的电动机的功率。解:(1)压气机的工作工程包括进气、压缩和排气三个过程，在压缩过程中，进、排气阀均关闭，因此此时的热力系统是闭口系，与外界交换的是容积功W。取

6、汽缸中的气体为热力系，由闭口系统能量方程得(2)生产压缩空气，进、排气阀要周期性地打开和关闭，气体进出汽缸，此时气体与外界交换的功为轴功ws，忽略气体动能和势能时，轴功即为技术功wt.选汽缸进出口、汽缸内壁及活塞左端所围空间为热力系，此为开口系，由开口系能量方程得(3)电动机功率：3.如图所示绝热容器A、B中装有某种相同的理想气体。已知：TA、PA、VA和TB、PB、VB，假定该气体的比热力学能u=CVT，管路、阀门均绝热。求打开阀门后，A、B容器中气体的温度与压力。解：打开阀门后，A、B容器中气体的压力、温度必相等。取A与B中的气体为热力系，则该系统为闭口系。闭口系能量方程Q=△U+W，这

7、里Q=0，W=0，所以△U=0。即：思考：上一题中，如果容器不绝热，热损失为Q，其它条件相同，则P、T为多少？4.某蒸汽动力厂中锅炉以40T/h的蒸汽供入蒸汽轮机，进口处压力表上读数是9MPa，蒸汽的焓为3441kJ/kg；蒸汽轮机出口处真空表上的读数为0.0974MPa，出口蒸汽焓为2248kJ/kg。汽轮机对环境散热为6.81×105kJ/h。求(1)进、出口处蒸汽的绝对压力(当地大气压是101325Pa