热工第二章习题课

1、工程热力学与传热学工程热力学与传热学工程热力学工程热力学第二章第二章 热力学第一定律热力学第一定律习习 题题习题习题课课闭口系统能量方程式的应用闭口系统能量方程式的应用1. 一活塞汽缸设备内装有一活塞汽缸设备内装有5kg的水蒸气，由初态的水蒸气，由初态 的热力学能的热力学能 u1=2709.0kJ/kg 膨胀到膨胀到 u2=2659.6kJ/kg，过程中加给水蒸气的热量，过程中加给水蒸气的热量 为为80kJ，通过搅拌器的轴输入系统，通过搅拌器的轴输入系统18.5kJ的的 轴功。若系统无动能，位能的变化，轴功。若系统无动能，位能的变化，试求通过试求通过 活塞所作的功活塞所作的功。5 kgQ=80

2、 kJu1=2709.0kJ/kgu2=2659.6kJ/kgW peddle= - -18.5kJW piston= ?习题习题课课闭口系统能量方程式的应用闭口系统能量方程式的应用2. 如图所示，一刚性汽缸，一端受热，其他部分如图所示，一刚性汽缸，一端受热，其他部分 绝热，内有一不透热的活塞，活塞与缸壁间无绝热，内有一不透热的活塞，活塞与缸壁间无 摩擦。现自容器一端传热，摩擦。现自容器一端传热，Q=20kJ，由于活塞，由于活塞 移动对移动对B作功作功10kJ。求：求： （1）B中气体的热力学能变化中气体的热力学能变化UB； （2）A和和B总的热力学能变化总的热力学能变化UA+B。ABQ=20

3、kJ习题习题课课闭口系统能量方程式的应用闭口系统能量方程式的应用3. 由生物力学测定可知，一个人在静止时向环由生物力学测定可知，一个人在静止时向环 境的散热率为境的散热率为400kJ/h。在一个容纳。在一个容纳2000人人 的礼堂里，由于空调系统发生故障，求：的礼堂里，由于空调系统发生故障，求： （1）故障后）故障后20min内，内，礼堂中空气的热力学礼堂中空气的热力学 能增加量；能增加量； （2）假定礼堂和环境无热量交换，将礼堂和）假定礼堂和环境无热量交换，将礼堂和 所有的人取为热力系，所有的人取为热力系，该系统热力学能该系统热力学能 变化为多少？变化为多少？习题习题课课闭口系统能量方程式的

4、应用闭口系统能量方程式的应用4. 一闭口系统从状态一闭口系统从状态1沿沿1-2-3途径到状态途径到状态3，传递给，传递给 外界的热量为外界的热量为47.5kJ，而系统对外作功为，而系统对外作功为30kJ， 如图示，如图示， （1）若沿）若沿1-4-3途径变化时，系统对外作功途径变化时，系统对外作功15kJ， 求过程中系统与外界传递的热量求过程中系统与外界传递的热量。 （2）若系统从状态）若系统从状态3沿图示曲线途径到达状态沿图示曲线途径到达状态1， 外界对系统作功外界对系统作功6kJ，求该过程中系统与外界求该过程中系统与外界 传递的热量。传递的热量。 （3）若）若U2=175kJ，U3=87.

5、5kJ， 求过程求过程2-3传递的热量及传递的热量及 状态状态1的热力学能。的热力学能。 pV04123习题习题课课稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用5. 某一蒸汽轮机，进口蒸汽参数为某一蒸汽轮机，进口蒸汽参数为p1=9.0MPa， t1=500，h1= 3386.8 kJ/kg，cf1=50m/s， 出口蒸汽参数为出口蒸汽参数为p2=4.0kPa，h2= 2226.9 kJ/kg， cf2=140m/s，进出口高度差为，进出口高度差为12m， 每每kg蒸汽经汽轮机散热损失为蒸汽经汽轮机散热损失为15kJ. 试求：试求：（1）单位质量蒸汽流经汽轮机对外输出的功；）单位质量蒸汽流经

6、汽轮机对外输出的功；（2）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；）不计进出口动能的变化，对输出功的影响；（3）不计进出口位能差，对输出功的影响；）不计进出口位能差，对输出功的影响；（4）不计散热损失，对输出功的影响；）不计散热损失，对输出功的影响；（5）若蒸汽流量为）若蒸汽流量为220t/h，汽轮机功率有多大。，汽轮机功率有多大。6. 空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是空气在某压气机中被压缩。压缩前空气的参数是 p1 =0.1MPa, v1 = 0.845m3/kg, 压缩后的参数是压缩后的参数是 p2 =0.8 MPa, v2= 0.175 m3/kg。假定在压缩过。假定在压缩过 程

7、中程中, 1 kg 空气的热力学能增加空气的热力学能增加146 kJ, 同时向同时向 外放出热量外放出热量 50 kJ, 压气机每分钟生产压缩空气压气机每分钟生产压缩空气 10 kg。 求求 :（1）压缩过程中对每公斤气体所作的功）压缩过程中对每公斤气体所作的功 ;（2）每生产）每生产 1 kg的压缩气体所需的功的压缩气体所需的功 ;（3）带动此压气机至少要多大功率的电动机）带动此压气机至少要多大功率的电动机 ？7. 现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图所示现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图所示 的设备进行绝热混合的设备进行绝热混合, 以形成第三股所需温度的空以形成第三股所需温度的空 气

8、流。各股空气的已知参数如图中所示。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设空气可按理想气体计，其焓仅是温度的函数, 按按 |h|kJ/kg = 1. 004 |T|K计算，计算， 理想气体的状态方理想气体的状态方 程为程为 pv= RgT, Rg=287 J/(kg. K) 。若进出口截面。若进出口截面 处的动、位能变化可忽略处的动、位能变化可忽略, 试求出口截面的空气温度和流速。试求出口截面的空气温度和流速。cf1=10 m/s, A1=0.1 m2,t1=5 , p, p1 1=10=105 5 PaPacf2=15 m/s, A2=0.15 m2,

9、t2=37 , p, p2 2=10=105 5 PaPap p3 3=10=105 5 PaPa ,A3=0.3 m2, cf3= ?, t3= ? 绝热绝热习题习题课课稳定流动能量方程式的应用稳定流动能量方程式的应用8. 某燃气轮机装置，如图。已知压缩机进口处空气的比焓某燃气轮机装置，如图。已知压缩机进口处空气的比焓 h1=290 kJ/kg。经压缩后。经压缩后 , 空气升温使比始增为空气升温使比始增为 h2 =580 kJ/kg。在截面。在截面2处空气和燃料的混合物以处空气和燃料的混合物以 c f 2 =20 m/s的速度进入燃烧室的速度进入燃烧室, 在定压下燃烧在定压下燃烧, 使工质使

10、工质 吸入热量吸入热量 q = 670 kJ/kg。燃烧后燃气进入喷管绝热膨。燃烧后燃气进入喷管绝热膨 胀到状态胀到状态3, h 3 = 800 kJ/kg, 流速增加到流速增加到 cf 3 , 此燃气进入动叶片此燃气进入动叶片, 推动转轮回转作功。若燃气在动叶推动转轮回转作功。若燃气在动叶 片中的热力状态不变片中的热力状态不变 , 最后离开燃气轮机的速度最后离开燃气轮机的速度 c f 4 = 100 m/s o求求: （1）若空气流量为）若空气流量为100 kg/s, 压气机消耗的功率为多大压气机消耗的功率为多大?（2）若燃气的发热值）若燃气的发热值 qB=43 960 kJ/kg , 燃料

11、的耗量为燃料的耗量为 多少多少?（3）燃气在喷管出口处的流速）燃气在喷管出口处的流速 c f 3 是多少是多少?（4）燃气轮机的功率为多大）燃气轮机的功率为多大?（5）燃气轮机装置的总功率为多少）燃气轮机装置的总功率为多少?TutorialExpansion work, useful work9. Consider the expansion of air inside a cylinder. Let the initial volume be 0.025 m3 and the initial pressure be 10MPa. Let the expansion process be qu

12、asi-static and let the path be given by pV1.4 =constant. If the final volume of the gas is 0.20 m3, determine (a) the total amount of work done by the gas; (b) the amount of work done by the gas against the spring.The first law of thermodynamics10. An inventor claims to have developed a work- produc

13、ing cycle which receives 1000 kJ of heat from a heat source, rejects 200 kJ of heat to a heat sink, and produces a net work of 700 kJ . How do we evaluate this claim? TutorialThe first law of thermodynamics11. An adiabatic tank similar to the one that Joule used in determining the mechanical-thermal

14、 energy equalities contains 10 kg of water. A 110 V, 0.1 A motor drives a paddle wheel and runs for 1 hr. Determine the change of specific and total internal energy of the water. TutorialEnergy Balance for Steady-Flow Systems12. Air passes through a gas turbine system at a rate of 4.5 m /s. It enter

15、s the turbine system with a velocity of 90 m /s and a specific volume of 0.85 m3/kg. It leaves the turbine system with a specific volume of 1.45 m3/kg. The exit area of the turbine system is 0.038 m2. In its passage through the turbine system, the specific enthalpy of the air is reduced by 200 kJ/kg

16、 and there is a heat transfer loss of 40 kJ/kg. Determine (a) the inlet area of the turbine in m2;(b) the exit velocity of the air in m /s;(c) the power developed by the turbine system in kilowatts.Tutorial13. Consider a gas turbine power plant with air as the working fluid, Air enters at 100kPa, 20

17、C (=1.19kg/m3), with a velocity of 130m/s through an opening 0.112m2 cross-sectional area. After being compressed, heated and expanded through a turbine, the air leaves at 180kPa, 150C (=1.48kg/m3), through an opening of 0.100m2 cross-sectional area. The power output of the plant is 375kW. The inter

18、nal energy and enthalpy of the air are given in kJ/kg by U=0.717T and h=1.004T, where T is temperature on the Kelvin scale. Determine the net amount of heat added to the air in kJ/kg.2113111112. 0/130/19. 120100mAsmcmkgCTkPapf2112WsQ223222100. 0/48. 1150180mAmkgCTkPapEnergy Balance for Steady-Flow S

19、ystemsTutorial14. Air is compressed in a frictionless steady-flow process from 90kPa, 150C (v=0.918m3/kg), to 130kPa in such a manner that p(v+0.250)=constant, where v is in m3/kg, inlet velocity is negligible small, and discharge velocity is 110m/s. Calculate the work required per kilogram of air.

20、Win11220/918. 0901311fckgmvkPapsmckPapf/11013022Energy Balance for Steady-Flow SystemsTutorial15. A mixture of air and water vapor with an enthalpy of 120kJ/kg enters the dehumidifying section of an air-conditioning system at a rate of 320kg/hr, liquid water drains out of the dehumidifierwith an ent

21、halpy of 42 kJ/kg at a rate of 7.0kg/hr. An air vapor mixture leaves with an enthalpy of 47kJ/kg.Determine the rate of heat removal from the fluids passing through the dehumidifier. 112233dehumidifierkgkJhhrkgm/126/32011kgkJhhrkgm/42/0 . 722kgkJh/473Energy Balance for Steady-Flow SystemsTutorial16. A 1 m3 rigid, insulated tank that is initially evacuated is connected through a valve to a supply line that carries ideal gas at 4MPa and 30, and 303 kJ/kg of entropy. Now the valve is open