气体热力性质和热力过程

1、第三章 气体热力性质和热力过程3-1 已知氖的相对分子质量为20.183，在25时比定压热容为 1.030 kJ(kg.K)。试计算(按理想气体)： (1)气体常数； (2)标准状况下的比体积和密度；(3)25时的比定容热容和热容比。解：（1）气体常数（2）由理想气体状态方程得比体积密度（3）由迈耶分式得比定容热容 热容比3-2 容积为2.5 m3的压缩空气储气罐，原来压力表读数为0.05 MPa，温度为18。充气后压力表读数升为0.42 MPa，温度升为40。当时大气压力为0.1 MPa。求充进空气的质量。解：充气前p1 = pg1+pb = 0.05MPa+0.1MPa = 0.15MPa

2、，充气后p2 = pg2+pb = 0.42MPa+0.1MPa = 0.52MPa，由理想气体状态方程，得由，得又容积V v1m1 = v2m2，所以 充进空气的质量3-3 有一容积为2m3的氢气球，球壳质量为l kg。当大气压力为750 mmHg、温度为20时，浮力为11.2 N。试求其中氢气的质量和表压力。解：由，得又，得对氢气由，得真空度3-4 汽油发动机吸入空气和汽油蒸气的混合物，其压力为0.095 MPa。混合物中汽油的质量分数为6，汽油的摩尔质量为114 g/mol。试求混合气体的平均摩尔质量、气体常数及汽油蒸气的分压力。解：混合气体的平均摩尔质量为气体常数汽油的摩尔分数汽油蒸汽

3、分压力3-5 50kg废气和75kg空气混合。已知废气的质量分数为wCO2=14，wO2=6，wH2O=5，wN2=75空气的质量分数为 wO2=23.2，wN2=76.8求混合气体的：(1)质量分数；(2)平均摩尔质量；(3)气体常数。解：（1）各气体的质量分数为， （2）平均摩尔质量 （3）混合气体常数 3-6 同习题35。已知混合气体的压力为0.1 MPa，温度为300 K。求混合气体的：（1）体积分数；(2)各组成气体的分压力；(3)体积；(4)总热力学能(利用附表2中的经验公式)。解：（1），其中 所以，同理， （2）由，得，同理，（3）由，得（4）总热力学能 同理， 3-7 定比热

4、容理想气体，进行了12、43两个定容过程以及14、23两个定压过程(图3-18)。试证明： q123>q143证明： 由迈耶公式，则同理对定压过程，则，又，所以所以q123>q1433-8 某轮船从气温为-20的港口领来一个容积为40 L的氧气瓶。当时压力表指示出压力为15 MPa。该氧气瓶放于储藏舱内长期未使用，检查时氧气瓶压力表读数为15.1MPa，储藏室当时温度为17。问该氧气瓶是否漏气?如果漏气，漏出了多少(按理想气体计算，并认为大气压力pb0.1 MPa)?解：由附表1查得，氧气气体常数-20时，压力 17时，压力由，得所以氧气瓶漏气，且漏出1.118kg氧气。3-9 在

5、锅炉装置的空气预热器中(图319)，由烟气加热空气。已知烟气流量qm=l000 kg/h；空气流量q m=950 kg/h。烟气温度tl=300，t2=150，烟气成分为wCO2= l5.80，wO2=5.75，wH2O=6.2，wN2=72.25空气初温t1=30，空气预热器的散热损失为5400 kJ/h。求预热器出口空气温度(利用气体平均比热容表)。解：烟气放出的热量为（1）由附表3可知，可得，即（2）（1）和（2）两式联立可解得3-10 空气从300 K定压加热到900 K。试按理想气体计算每千克空气吸收的热量及熵的变化： (1)按定比热容计算； (2)利用比定压热容经验公式计算；(3)

6、利用热力性质表计算。解：（1）由附表1查得（2）利用比定压热容经验公式（3）利用热力性质表3-11 空气在气缸中由初状态T1=300 K、p1=0.15 MPa进行如下过程： (1)定压吸热膨胀，温度升高到480 K； (2)先定温膨胀，然后再在定容下使压力增加到0.15 MPa，温度升高到480 K。试将上述两种过程画在压容图和温熵图中；利用空气的热力性质表计算这两种过程中的膨胀功、热量、热力学能和熵的变化，并对计算结果略加讨论。Ts12T1T20pv12p10解：(1) 定压过程如图所示初终态温度 T1=300K，T2=480K由热力性质表查得，h1=300.19kJ/kg，h2=482.

7、49kJ/kg ；u1=214.07kJ/kg，u2=344.70kJ/kg ；，热量qp=h2-h1=482.49 kJ/kg -300.19 kJ/kg = 182.3 kJ/kg膨胀功wp=p(v2-v1)=Rg(T2-T1)=0.2871kJ/(kg.K)×(480-300)K=51.678kJ/kgTs12T1T303热力学能的变化u=u2-u1=344.70 kJ/kg -214.07 kJ/kg=130.63kJ/kg熵的变化s=-=-=2.17760 kJ/(kg.K)-1.70203 kJ/(kg.K)=0.47557 kJ/(kg.K)pv12p103(2)由过程

8、23，得膨胀功wT,v = wT + wv = qT = =0.2871kJ/(kg.K)×300K×ln =40.48kJ/kg热力学能的变化u=u3-u1= u2-u1 =130.63kJ/kg热量qT,v = qT+qv= wT+( u2-u1) = 40.48 kJ/kg +130.63 kJ/kg = 171.11 kJ/kg熵的变化s = s3-s1=0.47557 kJ/(kg.K)讨论：过程量和状态量3-12空气从T1=300 K、p1=0.1 MPa压缩到p2=0.6 MPa。试计算过程的膨胀功(压缩功)、技术功和热量，设过程是(1)定温的、(2)定熵的、

9、(3)多变的(n=1.25)。按定比热容理想气体计算，不考虑摩擦。解：(1)定温过程(2)定熵过程(3)多变过程终温查附表1，得CV0=0.718, Cp0=1.0053-13 空气在膨胀机中由T1=300 K、p1=0.25 MPa绝热膨胀到p2=0.1 MPa。流量qm=5 kg/s。试利用空气热力性质表计算膨胀终了时空气的温度和膨胀机的功率： (1)不考虑摩擦损失。(2)考虑内部摩擦损失。已知膨胀机的相对内效率 解：(1) 不考虑摩擦损失空气的绝热指数K=1.4 由附表5可得T1300K，h1=300.19kJ/kg；T2=231K ,h2=230.02+(231-230)×P

10、T=wTqm=69.17kJ/kg×5kg/s=345.85kW(2) 考虑内部摩擦损失PT=由由附表5可得3-14 计算习题3-13中由于膨胀机内部摩擦引起的气体比熵的增加(利用空气热力性质表)。解：由附表5可得T1300K时，T2241.4K时，所以3-15 天然气(其主要成分是甲烷CH4)由高压输气管道经膨胀机绝热膨胀作功后再使用。已测出天然气进入膨胀机时的压力为4.9 MPa，温度为25；流出膨胀机时压力为0.15 MPa，温度为-115。如果认为天然气在膨胀机中的状态变化规律接近一多变过程，试求多变指数及温度降为0时的压力，并确定膨胀机的相对内效率(按定比热容理想气 体计算

11、，参看例310)。 解：多变指数T1=（273.1525）K298.15K，T2=（273.15-115）K158.15K由得，可解得n=1.22温度降为0时，压力膨胀机的相对内效率3-16压缩空气的压力为1.2MPa，温度为380 K。由于输送管道的阻力和散热，流至节流阀门前压力降为1MPa、温度降为300 K。经节流后压力进一步降到0.7 MP。试求每千克压缩空气由输送管道散到大气中的热量，以及空气流出节流阀时的温度和节流过程的熵增(按定比热容理想气体计算)。解：各状态温度T1380K，T2T3300K查附表1，,过程12为不作技术功过程，23为绝热节流过程3-17 温度为500 K、质量

12、流量为3 kg/s的烟气(成分如习题39中所给)，与温度为300 K、质量流量为1.8kg/s的空气(成分近似为xO2=21,xN2=79)混合。试求混合后气流的温度。3-18 某氧气瓶的容积为50 L 。原来瓶中氧气压力为0.8 MPa、温度为环境温度293K。将它与温度为300 K的高压氧气管道接通，并使瓶内压力迅速充至3 MPa(与外界的热交换可以忽略)。试求充进瓶内的氧气质量。3-19 同习题3-18。如果充气过程缓慢，瓶内气体温度基本上一直保持为环境温度293 K。试求压力同样充到3 MPa时充进瓶内的氧气质量以及充气过程中向外界放出的热量。参考3-178、3-1793-20 10L的容器中装有压力为0.15 MPa、温度为室温(293 K)的氩气。现将容器阀门突然打开，氩气迅速排向大气，容器中的压力很快降至大气压力(0.1MPa，这时立即关闭阀门。经一段时间后容器内恢复到大气温度。试求： (1)放气过程达到的最低温度； (2)恢复到大