工程热力学与传热学(双语) 第3章 习题PPT

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 第三章第三章 理想气体的性质和热力过程理想气体的性质和热力过程 习习 题题 课课 习题课习题课 理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用 1. 启动柴油机用的空气瓶启动柴油机用的空气瓶, 体积体积V=0.3m3, 装有装有p1=8MPa，Tl=303K 的压缩空气的压缩空气。 启动后启动后, 瓶中空气压力降低为瓶中空气压力降低为p2=4.6MPa, 这时这时T2=303K。 求用去空气的量求用去空气的量 (mol) 及相当的质量及相当的质量 (kg)。 2. 某活塞式压气机向容某活塞式压气机向容积为积为9.5m3的的储储气箱中气箱

2、中 充入充入空气。压气机每分钟从压力为空气。压气机每分钟从压力为p0=750mmHg, 温度为温度为t0=15的大气中吸入的大气中吸入0.2m3的空气的空气。 若充气前储气箱压力表读若充气前储气箱压力表读数为数为0.5 bar, 温度为温度为t1=17。 问经过多少分钟后压气机才能使问经过多少分钟后压气机才能使储气箱内储气箱内气体的气体的 压力提高到压力提高到p2=7bar，温度升为温度升为t2=50。 习题课习题课 理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用 3. 某电厂有三台锅炉合用一个烟囱某电厂有三台锅炉合用一个烟囱，每台锅炉每台锅炉 每秒产生烟气每秒产生烟气73m3（已已折算成标折算

3、成标准状态下的准状态下的 体积体积），），烟囱出口处的烟气温度为烟囱出口处的烟气温度为100， 压力近似为压力近似为101.33 kPa，烟气烟气流速为流速为30m/s。 求烟囱的出口直径。求烟囱的出口直径。 习题课习题课 理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性质和计算 4. 为了提高进人空气预热器的冷空气温度为了提高进人空气预热器的冷空气温度,采用再循环管采用再循环管, 如图所示。己知冷空气的初始温度为如图所示。己知冷空气的初始温度为t1=20, 空气容积空气容积 流量为流量为V01=90000m3/h（标准状态下）。从再循环管引（标准状

4、态下）。从再循环管引 来的热空气温度来的热空气温度t3=350。 （1）若将冷空气温度提升至）若将冷空气温度提升至t2=40，求引出的热空气量求引出的热空气量。 设过程进行时的压力不变。设过程进行时的压力不变。 （2）又若热空气再循环管内空气）又若热空气再循环管内空气 表压力为表压力为150 mmH20， 流速为流速为20m/s， 当地的大气压为当地的大气压为Pb=750mmHg, 求再循环管的直径。求再循环管的直径。 空气预热器空气预热器 烟气烟气 再循环管再循环管 40 热空气热空气350 冷空气冷空气20 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性质和计算 5. 某绝热的刚性容器，若

5、用一隔板将其分为某绝热的刚性容器，若用一隔板将其分为A和和 B两个不相等的部分，其内各装有不同数量的两个不相等的部分，其内各装有不同数量的 同一种理想气体，如图所示。气体状态参数初同一种理想气体，如图所示。气体状态参数初 始值是已知的。始值是已知的。试推导隔板抽出后气体的平衡试推导隔板抽出后气体的平衡 温度和平衡压力表达式温度和平衡压力表达式。 B PBT TB B V VB B A PAT TA AV VA A 绝热绝热 A+B P T V 绝热绝热 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 6. 在一个承受一定重量的活塞下有在一个承受一定重量的活塞下有27的空气的空气 0.4kg

6、，占据容积占据容积0.25m3。试问。试问 （1）当加入）当加入25kJ热量后热量后,其温度上升到多少其温度上升到多少? 并作了多少功并作了多少功? （2）若活塞到达最后位置后予以固定若活塞到达最后位置后予以固定，此后此后 再继续加入再继续加入25kJ热量热量, 则其压力上至多少则其压力上至多少? 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 7. 空气以空气以qm=0.012kg/s的流量流过散热良好的压缩的流量流过散热良好的压缩 机，入口参数机，入口参数P1=0.102MPa，T1=305K，可逆压，可逆压 缩到出口压力缩到出口压力P2=0.51MPa，然后进入储气罐。，然后进入储气

7、罐。 求求1kg空气的焓变量空气的焓变量h和熵变量和熵变量s，以及压缩机，以及压缩机 消耗的功率消耗的功率P和每小时的散热量和每小时的散热量Q。 （1）设空气按定温压缩；）设空气按定温压缩； （2）设空气按可逆绝热压缩；）设空气按可逆绝热压缩； （3）设空气按）设空气按n=1.28的多变过程压缩。的多变过程压缩。 比热容取定值。比热容取定值。 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 8. 1kg 空气在多变过程中吸取空气在多变过程中吸取 41.87kJ的热量时的热量时, 将使其容积增大将使其容积增大10倍倍, 压力降低压力降低 8 倍。倍。求求： （1）过程中空气的过程中空气的热力

8、学能热力学能变化量变化量； （2）空气对外所作的膨胀功及技术功。空气对外所作的膨胀功及技术功。 设设空空气气 cv=0.716kJ/(kg K)，k=1.4 。 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 9. 在一具有可移动活塞的封闭气缸中在一具有可移动活塞的封闭气缸中, 储有温度储有温度 t1=45, 表压力表压力为为pgl=10KPa 的氧气的氧气0.3m3。 在定压下对氧气加热在定压下对氧气加热, 加热量为加热量为40kJ；再经过再经过 多变过程膨胀到初温多变过程膨胀到初温45, 压力为压力为18KPa。 设环境大气压力为设环境大气压力为0.1MPa, 氧气比热容为定值氧气比热

9、容为定值。 求求：（：（1）两过程的两过程的焓焓变变量量及所作的功及所作的功； （2）多变膨胀过程中气体与外界交换的热量。多变膨胀过程中气体与外界交换的热量。 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 10. 有一汽缸和活塞组成的系统，汽缸壁和活塞均由绝热有一汽缸和活塞组成的系统，汽缸壁和活塞均由绝热 材料制成，活塞可在汽缸中无材料制成，活塞可在汽缸中无摩擦摩擦地自由地自由移动移动。初始时。初始时 活塞位于汽缸中间，活塞位于汽缸中间，A,B两侧各有两侧各有1kg空气空气, 压力均为压力均为 0.45MPa，温度同为，温度同为900K。现对。现对A侧冷却水管通水冷侧冷却水管通水冷 却，

10、却，A侧压力逐渐降低。侧压力逐渐降低。求：求： （1）压力降低到）压力降低到0.3MPa时，时， A，B两侧的体积是多少？两侧的体积是多少？ （2）冷却水从系统带走的热量是多少？）冷却水从系统带走的热量是多少？ （3）整个气体组成的系统熵变是多少？）整个气体组成的系统熵变是多少？ （4）在）在p-v 图、图、T-s 图图上大致表示两侧气体进行的过程。上大致表示两侧气体进行的过程。 设定值比热容设定值比热容计算。且计算。且k=1.4, cv=0.717 k/(kg K) 。 AB Q AB Q 11. A cylinder with a capacity of 2.0m3 contained o

11、xygen gas at a pressure of 500KPa and 25 initially. Then a leak developed and was not discovered until the pressure dropped to 300KPa while the temperature stayed the same. Assuming ideal-gas behavior. Determine how much oxygen had leaked out of the cylinder by the time the leak was discovered. 习题课习

12、题课 理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用 习题课习题课 理想气体的性质理想气体的性质 12. An ideal gas has a molecular weight of 20. if its specific heat ratio at a given temperature is observed to be 1.25, determine cp and cV for the gas at the same temperature. 习题课习题课 理想气体的性质理想气体的性质 13. Five grams of argon gas undergoes a change of st

13、ate at constant internal energy. Initial pressure and temperature are 6.0 atm and 300K, respectively. The final volume occupied by the gas is three times that occupied initially. Assuming ideal-gas behavior, determine (a) the final temperature of the gas. (b) the final pressure of the gas. (c) the e

14、ntropy change of the gas due to the change of state. 习题课习题课 理想气体的性质理想气体的性质 14. The electric heating system used in many houses consist of a simple duct with resistance wires. Air is heated as it flows over resistance wires. Consider a 15KW electric system. Air enters the heating section at 100KPa an

15、d 17 C with a volume flow rate of 150m3/min. If heat is lost from the air in the duct to the surroundings at a rate of 200W. determine the exit temperature of air. cP=1.005 kJ/(kg K)。 Q=200W We,in=15kW min/150 17 100 3 1 1 1 mV CT kPap ? 2 T 习题课习题课 理想气体的性质理想气体的性质 15. A piston-cylinder device initial

16、ly contains 0.5 m3 of nitrogen gas at 400 kPa and 27.An electric heater within the device is turned on and is allowed to pass a current of 2 A for 5 min from a 120-V source. Nitrogen expands at constant pressure, and a heat loss of 2800 J occurs during the process. Determine the final temperature of

17、 nitrogen. 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性质和计算 16. Two tanks are connected by a valve. One tank contains 2kg of carbon monoxide gas at 77 C and 0.7 bar. The other tank holds 8kg of the same gas at 27 C and 1.2bar. The valve is opened and the gases are allowed to mix while receiving energy by heat transfer f

18、rom the surrounding. The final equilibrium temperature is 42 C. Using the ideal gas model. Determine (a) the final equilibrium pressure, in bar; (b) the heat transfer for the process, in kJ. Carbon Monoxide 2kg, 77 C 0.7bar Carbon Monoxide 8kg, 27 C 1.2bar valve Tank 1 Tank 2 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性

19、质和计算 17. A gas has a density of 1.875kg/m3 at a pressure of 1 bar and with a temperature of 15 C. A mass of 0.9kg of the gas requires a heat transfer of 175kJ to raise its temperature from 15 C to 250 C while the pressure of the gas remains constant. Determine (1) the characteristic gas constant of

20、the gas, (2) the specific heat capacity of the gas at constant pressure, (3) the specific heat capacity of the gas at constant volume, (4) the change of internal energy, (5) the work transfer. 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性质和计算 18. A rigid tank which acts as a perfect heat insulator is divided into two une

21、qual parts A and B by a partition. Different amounts of the same ideal gas are contained in the two parts of the tank. The initial conditions of temperature T, pressure p, and total volume V are known for both parts of the tank. Find expressions for the equilibrium temperature T and pressure P reach

22、ed after removal of the partition. Calculate the entropy change for A and B and the total entropy change of the tank. Assume that Cv,m is constant, 0.2 MPa 300K 0.01m3 A 0.1 MPa 300K 0.01m3 B 习题课习题课 理想气体的性质和计算理想气体的性质和计算 18. 一绝热刚一绝热刚性性气缸气缸, 被一导热的被一导热的无无摩擦活塞分成两部分。摩擦活塞分成两部分。 最初活塞被固定在某一位置上最初活塞被固定在某一位置上,

23、 气缸的一侧储有压力为气缸的一侧储有压力为 0.2MPa，温度为温度为300K的的0.01m3的空气的空气，另一侧储有另一侧储有 同容积同容积，同温度的空气同温度的空气，其压力为其压力为0.1MPa。去除销钉去除销钉, 放松活塞任其自由移动放松活塞任其自由移动, 最后两侧达到平衡。设空气的最后两侧达到平衡。设空气的 比热容为定值。比热容为定值。试计算试计算 （1）平衡时的温度为多少？）平衡时的温度为多少？ （2）平衡时的压力为多少？）平衡时的压力为多少？ （3）两侧空气的熵变值及）两侧空气的熵变值及 整个气体的熵变值为多少？整个气体的熵变值为多少？ A 0.2 MPaMPa 300300K K

24、 0 0. .0101m m3 3 B 0.1 MPaMPa 300300K K 0 0. .0101m m3 3 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 19. Air is compressed steadily by a reversible compressor from an inlet state of 100KPa and 300K to an exit pressure of 900KPa. Determine the compressor work per unit mass for (1) Isentropic compression with k=1.4, (

25、2) polytropic compression with n=1.3, (3) isothermal compression, and (4) ideal two-stage compression with intercooling with a polytropic exponent of 1.3. 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 20. An air receiver has a capacity of 0.85m3 and contains air at a temperature of 15 and a pressure of 275kN/m2. An add

26、itional mass of 1.7kg is pumped into the receiver. It is then left until the temperature becomes 15 once again. Determine (1) the new pressure of the air in the receiver, (2) the specific enthalpy of the air at 15 if it is assumed that the specific enthalpy of the air is zero at 0. Take cp=1.005kJ/k

27、g.K, cV=0.715kJ/kg.K. 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 21. A rigid cylinder contains a “floating” piston, free to move within the cylinder without friction. Initially, it divided the cylinder in half, and on each side of the piston the cylinder holds 1kg of the same ideal gas at 20 C, and 0.2MPa . An elect

28、rical resistance heater is installed on side A of the cylinder, and it is energized slowly to PA2=PB2=0.4MPa. If the tank and the piston are perfect heat insulators and are of negligible heat capacity, cv=0.72 kJ/(kg K), cp=1.01 kJ/(kg K). Calculate（1）the final temperatures, volumes of A,B sides （2）

29、the amount of heat added to the system by the resistor. （3）the entropy changes of A,B sides （4）the total entropy change of the cylinder. 习题课习题课 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 21. 如图所示如图所示, 两端封闭而且具有绝热壁两端封闭而且具有绝热壁的的气缸气缸, 被可移动的、被可移动的、 无摩擦的、绝热的活塞分为体积相无摩擦的、绝热的活塞分为体积相等等的的 A,B 两部分两部分, 其中各装其中各装 有同种理想气体有同种理想气体1kg。开始时开始时活活塞两边的压力、温度都相同塞两边的压力、温度都相同, 分别为分别为0.2MPa，20 C。现通过现通过A腔气体内的一个加热线圈腔气体内的一个加热线圈, 对对A 腔气体缓慢加热腔气体缓慢加热, 则活