1、35第一篇 工程热力学第一章 基本概念一基本概念系统： 状态参数： 热力学平衡态： 温度： 热平衡定律： 温标： 准平衡过程： 可逆过程： 循环： 可逆循环 ： 不可逆循环：二、习题1有人说，不可逆过程是无法恢复到起始状态的过程，这种说法对吗？错2牛顿温标,用符号表示其温度单位,并规定水的冰点和沸点分别为100和200 ，且线性分布。（1）试求牛顿温标与国际单位制中的热力学绝对温标(开尔文温标) 的换算关系式；（2）绝对零度为牛顿温标上的多少度?3某远洋货轮的真空造水设备的真空度为 0.0917，而当地大气压力为 0.1013MPa，当航行至另一海域，其真空度变化为 0.0874MPa，而当地
2、大气压力变化为 0.097MPa。试问该真空造水设备的绝对压力有无变化?4如图 1-1 所示，一刚性绝热容器内盛有水，电流通过容器底部的电阻丝加热水。试述按下列三种方式取系统时，系统与外界交换的能量形式是什么。（1）取水为系统；（2）取电阻丝、容器和水为系统；（3）取虚线内空间为系统。（1）不考虑水的蒸发，闭口系统。（2）绝热系统。注：不是封闭系统，有电荷的交换（3）绝热系统。图 1-15判断下列过程中那些是不可逆的，并扼要说明不可逆原因。（1）在大气压力为 0.1013MPa 时，将两块 0的冰互相缓慢摩擦，使之化为 0的水。耗散效应（2）在大气压力为 0.1013MPa 时，用(0dt)
3、的热源(dt0)给 0的冰加热使之变为 0的水。可逆（3）一定质量的空气在不导热的气缸中被活塞缓慢地压缩（不计摩擦）。可逆（4）100的水和 15的水混合。有限温差热传递6如图 1-2 所示的一圆筒容器，表 A 的读数为360kPa；表 B 的读数为 170kPa，表示室 I 压力高于室 II 的压力。大气压力为 760mmHg。试求:（1） 真空室以及 I 室和 II 室的绝对压力；36（2） 表 C 的读数；（3） 圆筒顶面所受的作用力。图 1-2第二章 热力学第一定律一基本概念功： 热量： 体积功： 节流：二习题1膨胀功、流动功、轴功和技术功四者之间有何联系与区别？2下面所写的热力学第一
4、定律表达是否正确？若不正确，请更正。 21pdVHQwzgcqus3一活塞、气缸组成的密闭空间，内充 50g 气体，用叶轮搅拌器搅动气体。活塞、气缸、搅拌器均用完全绝热的材料制成。搅拌期间，活塞可移动以保持压力不变，但绝对严密不漏气。已测得搅拌前气体处于状态 1，搅拌停止后处于状态 2，如下表所示。状 态 p（MPa） v（m 3/kg） u（kJ/kg ） h(kJ/kg)1 3.5 0.00711 22.75 47.642 3.5 0.01916 97.63 164.69活塞与气缸壁间有一些摩擦。求搅拌器上输入的能量为多少？ 耗散效应将输入能量转化为热量q=(u2-u1)+p(v2-v1)
5、 =h2-h141kg 空气由 p1=5MPa,t1=500，膨胀到 p2=0.5MPa,t2=500，得到热量 506kJ，对外做膨胀功506kJ。接着又从终态被压缩到初态，放出热量 390kJ,试求：（1）膨胀过程空气热力学能的增量；（2）压缩过程空气热力学能的增量；（3）压缩过程外界消耗了多少功？5一活塞气缸装置中的气体经历了 2 个过程。从状态 1 到状态 2，气体吸热 500kJ，活塞对外作功800kJ。从状态 2 到状态 3 是一个定压的压缩过程，压力为 p=400kPa，气体向外散热 450kJ。并且已知 U1=2000kJ, U3=3500kJ，试计算 2-3 过程中气体体积的
6、变化。500= U2-U1+800U2=1700-450= U3-U2+400(V3-V2)V3-V2=376现有两股温度不同的空气，稳定地流过如图 2-1 所示的设备进行绝热混合，以形成第三股所需温度的空气流。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，按h kJ/kg=1.004TK 计算，理想气体的状态方程为 pv=RT, R=287J/(kgK)。若进出口截面处的动、位能变化可忽略，试求出口截面的空气温度和流速。m3=m1+m2h3=h1+h2图2-17某气体从初态p 1=0.1MPa，V 1=0.3m3可逆压缩到终态p 2=0.4MPa，设压缩过程中p=a
7、V -2，式中a为常数。试求压缩过程所必须消耗的功。p1=aV1-2p2=aV2-2pdV= aV -2dV=-aV2-1+aV2-18如图2-2所示，p-v图上表示由三个可逆过程所组成的一个循环。1-2是绝热过程；2-3是定压过程；3-1是定容过程。如绝热过程1-2 中工质比热力学能的变化量为 -50kJ/kg，p 1=1.6MPa，v 1=0.025m3/kg，p 2=0.1MPa，v 2=0.2m3/kg。 （1）试问这是一个输出净功的循环还是消耗净功的循环？（2）计算循环的净热。(1) 顺时针循环，输出净功；(2) Q=W=W12+W23+W31W12=50W23=W31=038图2-
8、29某燃气轮机装置如图2-3所示。已知压气机进口处空气的焓h 1=290kJ/kg，经压缩后，空气升温使比焓增为h 2=580kJ/kg，在截面2处与燃料混合，以w 2=20m/s的速度进入燃烧室，在定压下燃烧，使工质吸入热量q=670kJ/kg。燃烧后燃气经喷管绝热膨胀到状态3,h 3=800kJ/kg，流速增至w 3，燃气再进入动叶片，推动转轮回转做功。若燃气在动叶片中热力状态不变，最后离开燃气轮机速度为w4=100m/s。求：（1）若空气流量为100kg/s，压气机消耗的功率为多少？（2）若燃料发热量q=43960kJ/kg，燃料消耗量为多少？（3）燃气在喷管出口处的流速w 3是多少？（
9、4）燃气涡轮（3-4过程）的功率为多少？（5）燃气轮机装置的总功率为多少？图2-3(1) W1=100kg/s*(h2-h1)(2) m*43960=100kg/s*(h2-h1)(3)0.5w32-0.5w22=h3-h2(4)Ws=0.5*100kg/s*(w42-w32)(5)Ws-W1第三章 热力学第二定律一基本概念克劳修斯说法： 开尔文说法 ： 卡诺定理： 熵流： 熵产： 熵增原理：二习题1热力学第二定律可否表述为：“功可以完全变为热，但热不能完全变为功”，为什么？等温膨胀过程热完全转化为功2下列说法是否正确，为什么？1） 熵增大的过程为不可逆过程；只适用于孤立系统2） 工质经不可逆
10、循环， S 0；S =03） 可逆绝热过程为定熵过程，定熵过程就是可逆绝热过程；定熵过程就是工质状态沿可逆绝热线变化的过程4） 加热过程，熵一定增大；放热过程，熵一定减小。39根据 dsq/T，前半句绝对正确，后半句未必，比如摩擦导致工质温度升高的放热过程。对于可逆过程，都正确。3某封闭系统经历了一不可逆过程，系统向外界放热为 10kJ，同时外界对系统作功为 20kJ。1）按热力学第一定律计算系统热力学能的变化量；2）按热力学第二定律判断系统熵的变化（为正、为负、可正可负亦可为零） 。4判断是非（对画，错画）1）在任何情况下，对工质加热，其熵必增加。 （ ）2）在任何情况下，工质放热，其熵必减
11、少。 （ ）3）根据熵增原理，熵减少的过程是不可能实现的。 （ ）4）卡诺循环是理想循环，一切循环的热效率都比卡诺循环的热效率低。 （ ）5）不可逆循环的熵变化大于零。 （ ） 5若封闭系统经历一过程，熵增为 25kJK，从 300K 的恒温热源吸热 8000kJ，此过程可逆? 不可逆?还是不可能?25TB，两物体的质量相等m A=mB=m，其比热容亦相等c A=cB=c，且为40常数。可逆热机在其间工作，从A 吸热，向B放热，直至两物体温度相等时为止。（1）试证明平衡时的温度为 ；（2）求可逆热机对外输出的净功。AmTSA-SM=lnTA/TMSM-SB=lnTM/TBSA-SM= SM-S
12、B12如图3-1所示，用热机E带动热泵 P工作，热机在热源T 1和冷源T 0之间工作，而热泵则在冷源T 0和另一热源T 1之间工作。已知 T1=1000K、T 1=310K、T 0=250K。如果热机从热源T 1吸收热量Q1=1kJ，而热泵向另一热源T 1放出的热量Q H供冬天室内取暖用。（1）如热机的热效率为 t=0.50，热泵的供热系数 h=4，求 QH； （2）如热机和热泵均按可逆循环工作，求Q H；（3）如上述两次计算结果均为Q HQ1，表示冷源T 0中有一部分热量传入了温度T 1的热源，而又不消耗（除热机E所提供的功之外的）其他机械功，这是否违反热力学第二定律的克劳修斯说法？(1)
13、W= Q1*t =1*0.5=0.5kJQH=W*h=4=0.5*4=2kJ(2) W=1*(1-250/1000)=0.75kTQH=0.75*(310/(310-250)=3.875kJ(3) 不违反，T1T1图3-1第四章 理想气体的热力性质与过程一基本概念理想气体： 比热容：二习题1热力学第一定律的数学表达式可写成 或 两者有何不同？wuq21pdvtcqvq=u+w 热力学第一定律的数学表达，普适的表达式q=Cv*T+pdv 内能等于定容比热乘以温度变化，适用于理想气体；体积功等于压力对比容的积分，适用于准静态过程。所以该式适用于理想气体的准静态过程2图 4-1 所示，1-2 和 4
14、-3 各为定容过程，1-4 和 2-3 各为定压过程，试判断 q143 与 q123 哪个大？4321vPq123=(u3-u1)+w123q143=(u3-u1)+w143w123w143所以41图 4-13有两个任意过程 1-2 和 1-3，点 2 和点 3 在同一条绝热线上，如图 4-2 所示。试问u 12 与 u13 谁大谁小？又如 2 和 3 在同一条等温线上呢？图 4-24讨论 13 为绝热膨胀过程，内能下降。所以u2u3。42(1)过程 1 为定压过程，焓变于加热量 40kJ；过程 2 的终了状态和过程 1 的初始状态比较，温度相同，理想气体的焓为温度的函数，所以过程 2 的焓变
15、为-40kJ。91kg 空气，初态 p1=1.0MPa, t1=500C，在气缸中可逆定容放热到 p2=0.5MPa，然后可逆绝热压缩到 t3=500C，再经可逆定温过程回到初态。求各过程的 u，h， s 及 w 和 q 各为多少？并在 p-v 图和 T-s 图上画出这 3 个过程。10一封闭的气缸如图 4-3 所示，有一无摩擦的绝热活塞位于中间，两边分别充以氮气和氧气，初态均为 p1=2MPa，t 1=27C。若气缸总容积为 1000cm3，活塞体积忽略不计，缸壁是绝热的，仅在氧气一端面上可以交换热量。现向氧气加热使其压力升高到4MPa，试求所需热量及终态温度，并将过程表示在 p-v 图及
16、T-s 图上。绝热系数 k=1.4图 4-3V1=0.0005m34*106*VO2/TO2=2*106*0.0005/(273+27)4*106*VN2/TN2=2*106*0.0005/(273+27)VO2+ VN2=0.0012*106*0.0005k=4*106*VN2k11如图 4-4 所示，两股压力相同的空气流，一股的温度为 t1=400，流量 =120kg/h；另一股1m的温度为 t2=150，流量 =210kg/h；在与外界绝热的条件下，它们相互混合形成压力相同的空2m气流。已知比热为定值，试计算混合气流的温度，并计算混合过程前后空气的熵的变化量是增加、减小或不变？为什么？(
17、400+273)*120+(150+273)*210=(120+210)*TT=熵增过程图 4-4S=Q(1/423-1/673)12如图 4-5 所示，理想气体进行了一可逆循环 1-2-3-1，已知1-3 为定压过程，v 3=2v1；2-3 为定容过程，p 2=2p3；1-2 为直线 线段，即 p/v=常数。 (1)试论证 ；(2)画出该循环312q 的T-s 图，并证明 ；(3) 若该理想气体的312ss43cp=1.013kJ/(kgK)，c v=0.724kJ/(kgK)，试求该循环的热效率。(1)一个循环，内能不变，输出正功，总的吸热量为正；(3)T2=2*T3=4*T1Q12=Cv
18、(T2-T1)+(p1+p2)*(V3-V1)/2= Cv(T2-T1)+Cp(T3-T1)/2+Cp(T3-T1)=Cv*3T1+Cp*T1/2+Cp*(2T1)/2（T1为压力 p2 以及容积 v1 在 p-v 图对应的温度） 图 4-5Q23=-Cv(T2-T3)=-Cv*2T1Q31=-Cp(T3-T1)=-Cp*T1W=Q12-Q23-Q3效率=W/Q12131kmol 理想气体从初态 p1=500kPa，T 1=340K 绝热膨胀到原来体积的 2 倍。设气体Mcp=33.44kJ/(kmolK)，Mc v=25.12kJ/(kmolK)。试确定在下述情况下气体的终温，对外所做的功及熵的变化量。 （1）可逆绝热过程；（2）气体向真空进行自由膨胀。(1)k=p1*V*T1=p2*2v*T2p1*Vk=p2*(2V)kT2=W=pdv=ds=0(2)T2=T1W=0ds=设计可逆定温过程
