第三章氣體熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程

1、工程熱力學(xué) 第三章氣體熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程第三章 氣體熱力性質(zhì)和熱力過(guò)程3-1 已知氖的相對(duì)分子質(zhì)量為20.183，在25時(shí)比定壓熱容為 1.030 kJ(kg.K)。試計(jì)算(按理想氣體)： (1)氣體常數(shù)； (2)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的比體積和密度；(3)25時(shí)的比定容熱容和熱容比。解：（1）氣體常數(shù)（2）由理想氣體狀態(tài)方程得比體積密度（3）由邁耶分式得比定容熱容 熱容比3-2 容積為2.5 m3的壓縮空氣儲(chǔ)氣罐，原來(lái)壓力表讀數(shù)為0.05 MPa，溫度為18。充氣后壓力表讀數(shù)升為0.42 MPa，溫度升為40。當(dāng)時(shí)大氣壓力為0.1 MPa。求充進(jìn)空氣的質(zhì)量。解：充氣前p1 = pg1+pb = 0.05

2、MPa+0.1MPa = 0.15MPa，充氣后p2 = pg2+pb = 0.42MPa+0.1MPa = 0.52MPa，由理想氣體狀態(tài)方程，得由，得又容積V v1m1 = v2m2，所以 充進(jìn)空氣的質(zhì)量3-3 有一容積為2m3的氫氣球，球殼質(zhì)量為l kg。當(dāng)大氣壓力為750 mmHg、溫度為20時(shí)，浮力為11.2 N。試求其中氫氣的質(zhì)量和表壓力。解：由，得又，得對(duì)氫氣由，得真空度3-4 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣和汽油蒸氣的混合物，其壓力為0.095 MPa?；旌衔镏衅偷馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為6，汽油的摩爾質(zhì)量為114 g/mol。試求混合氣體的平均摩爾質(zhì)量、氣體常數(shù)及汽油蒸氣的分壓力。解：混合氣體的平均

3、摩爾質(zhì)量為氣體常數(shù)汽油的摩爾分?jǐn)?shù)汽油蒸汽分壓力3-5 50kg廢氣和75kg空氣混合。已知廢氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wCO2=14，wO2=6，wH2O=5，wN2=75空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 wO2=23.2，wN2=76.8求混合氣體的：(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；(2)平均摩爾質(zhì)量；(3)氣體常數(shù)。解：（1）各氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為， （2）平均摩爾質(zhì)量 （3）混合氣體常數(shù) 3-6 同習(xí)題35。已知混合氣體的壓力為0.1 MPa，溫度為300 K。求混合氣體的：（1）體積分?jǐn)?shù)；(2)各組成氣體的分壓力；(3)體積；(4)總熱力學(xué)能(利用附表2中的經(jīng)驗(yàn)公式)。解：（1），其中 所以，同理， （2）由，得，同理，（3）由，得

4、（4）總熱力學(xué)能 同理， 3-7 定比熱容理想氣體，進(jìn)行了12、43兩個(gè)定容過(guò)程以及14、23兩個(gè)定壓過(guò)程(圖3-18)。試證明： q123q143證明： 由邁耶公式，則同理對(duì)定壓過(guò)程，則，又，所以所以q123q1433-8 某輪船從氣溫為-20的港口領(lǐng)來(lái)一個(gè)容積為40 L的氧氣瓶。當(dāng)時(shí)壓力表指示出壓力為15 MPa。該氧氣瓶放于儲(chǔ)藏艙內(nèi)長(zhǎng)期未使用，檢查時(shí)氧氣瓶壓力表讀數(shù)為15.1MPa，儲(chǔ)藏室當(dāng)時(shí)溫度為17。問(wèn)該氧氣瓶是否漏氣?如果漏氣，漏出了多少(按理想氣體計(jì)算，并認(rèn)為大氣壓力pb0.1 MPa)?解：由附表1查得，氧氣氣體常數(shù)-20時(shí)，壓力 17時(shí)，壓力由，得所以氧氣瓶漏氣，且漏出1.1

5、18kg氧氣。3-9 在鍋爐裝置的空氣預(yù)熱器中(圖319)，由煙氣加熱空氣。已知煙氣流量qm=l000 kg/h；空氣流量q m=950 kg/h。煙氣溫度tl=300，t2=150，煙氣成分為wCO2= l5.80，wO2=5.75，wH2O=6.2，wN2=72.25空氣初溫t1=30，空氣預(yù)熱器的散熱損失為5400 kJ/h。求預(yù)熱器出口空氣溫度(利用氣體平均比熱容表)。解：煙氣放出的熱量為（1）由附表3可知，可得，即（2）（1）和（2）兩式聯(lián)立可解得3-10 空氣從300 K定壓加熱到900 K。試按理想氣體計(jì)算每千克空氣吸收的熱量及熵的變化： (1)按定比熱容計(jì)算； (2)利用比定壓

6、熱容經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；(3)利用熱力性質(zhì)表計(jì)算。解：（1）由附表1查得（2）利用比定壓熱容經(jīng)驗(yàn)公式（3）利用熱力性質(zhì)表3-11 空氣在氣缸中由初狀態(tài)T1=300 K、p1=0.15 MPa進(jìn)行如下過(guò)程： (1)定壓吸熱膨脹，溫度升高到480 K； (2)先定溫膨脹，然后再在定容下使壓力增加到0.15 MPa，溫度升高到480 K。試將上述兩種過(guò)程畫(huà)在壓容圖和溫熵圖中；利用空氣的熱力性質(zhì)表計(jì)算這兩種過(guò)程中的膨脹功、熱量、熱力學(xué)能和熵的變化，并對(duì)計(jì)算結(jié)果略加討論。Ts12T1T20pv12p10解：(1) 定壓過(guò)程如圖所示初終態(tài)溫度 T1=300K，T2=480K由熱力性質(zhì)表查得，h1=300.19k

7、J/kg，h2=482.49kJ/kg ；u1=214.07kJ/kg，u2=344.70kJ/kg ；，熱量qp=h2-h1=482.49 kJ/kg -300.19 kJ/kg = 182.3 kJ/kg膨脹功wp=p(v2-v1)=Rg(T2-T1)=0.2871kJ/(kg.K)(480-300)K=51.678kJ/kgTs12T1T303熱力學(xué)能的變化u=u2-u1=344.70 kJ/kg -214.07 kJ/kg=130.63kJ/kg熵的變化s=-=-=2.17760 kJ/(kg.K)-1.70203 kJ/(kg.K)=0.47557 kJ/(kg.K)pv12p103

8、(2)由過(guò)程23，得膨脹功wT,v = wT + wv = qT = =0.2871kJ/(kg.K)300Kln =40.48kJ/kg熱力學(xué)能的變化u=u3-u1= u2-u1 =130.63kJ/kg熱量qT,v = qT+qv= wT+( u2-u1) = 40.48 kJ/kg +130.63 kJ/kg = 171.11 kJ/kg熵的變化s = s3-s1=0.47557 kJ/(kg.K)討論：過(guò)程量和狀態(tài)量3-12空氣從T1=300 K、p1=0.1 MPa壓縮到p2=0.6 MPa。試計(jì)算過(guò)程的膨脹功(壓縮功)、技術(shù)功和熱量，設(shè)過(guò)程是(1)定溫的、(2)定熵的、(3)多變的

9、(n=1.25)。按定比熱容理想氣體計(jì)算，不考慮摩擦。解：(1)定溫過(guò)程(2)定熵過(guò)程(3)多變過(guò)程終溫查附表1，得CV0=0.718, Cp0=1.0053-13 空氣在膨脹機(jī)中由T1=300 K、p1=0.25 MPa絕熱膨脹到p2=0.1 MPa。流量qm=5 kg/s。試?yán)每諝鉄崃π再|(zhì)表計(jì)算膨脹終了時(shí)空氣的溫度和膨脹機(jī)的功率： (1)不考慮摩擦損失。(2)考慮內(nèi)部摩擦損失。已知膨脹機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率 解：(1) 不考慮摩擦損失空氣的絕熱指數(shù)K=1.4 由附表5可得T1300K，h1=300.19kJ/kg；T2=231K ,h2=230.02+(231-230)PT=wTqm=69.17

10、kJ/kg5kg/s=345.85kW(2) 考慮內(nèi)部摩擦損失PT=由由附表5可得3-14 計(jì)算習(xí)題3-13中由于膨脹機(jī)內(nèi)部摩擦引起的氣體比熵的增加(利用空氣熱力性質(zhì)表)。解：由附表5可得T1300K時(shí)，T2241.4K時(shí)，所以3-15 天然氣(其主要成分是甲烷CH4)由高壓輸氣管道經(jīng)膨脹機(jī)絕熱膨脹作功后再使用。已測(cè)出天然氣進(jìn)入膨脹機(jī)時(shí)的壓力為4.9 MPa，溫度為25；流出膨脹機(jī)時(shí)壓力為0.15 MPa，溫度為-115。如果認(rèn)為天然氣在膨脹機(jī)中的狀態(tài)變化規(guī)律接近一多變過(guò)程，試求多變指數(shù)及溫度降為0時(shí)的壓力，并確定膨脹機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率(按定比熱容理想氣 體計(jì)算，參看例310)。 解：多變指數(shù)T1

11、=（273.1525）K298.15K，T2=（273.15-115）K158.15K由得，可解得n=1.22溫度降為0時(shí)，壓力膨脹機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率3-16壓縮空氣的壓力為1.2MPa，溫度為380 K。由于輸送管道的阻力和散熱，流至節(jié)流閥門(mén)前壓力降為1MPa、溫度降為300 K。經(jīng)節(jié)流后壓力進(jìn)一步降到0.7 MP。試求每千克壓縮空氣由輸送管道散到大氣中的熱量，以及空氣流出節(jié)流閥時(shí)的溫度和節(jié)流過(guò)程的熵增(按定比熱容理想氣體計(jì)算)。解：各狀態(tài)溫度T1380K，T2T3300K查附表1，,過(guò)程12為不作技術(shù)功過(guò)程，23為絕熱節(jié)流過(guò)程3-17 溫度為500 K、質(zhì)量流量為3 kg/s的煙氣(成分如習(xí)題

12、39中所給)，與溫度為300 K、質(zhì)量流量為1.8kg/s的空氣(成分近似為xO2=21,xN2=79)混合。試求混合后氣流的溫度。3-18 某氧氣瓶的容積為50 L 。原來(lái)瓶中氧氣壓力為0.8 MPa、溫度為環(huán)境溫度293K。將它與溫度為300 K的高壓氧氣管道接通，并使瓶?jī)?nèi)壓力迅速充至3 MPa(與外界的熱交換可以忽略)。試求充進(jìn)瓶?jī)?nèi)的氧氣質(zhì)量。3-19 同習(xí)題3-18。如果充氣過(guò)程緩慢，瓶?jī)?nèi)氣體溫度基本上一直保持為環(huán)境溫度293 K。試求壓力同樣充到3 MPa時(shí)充進(jìn)瓶?jī)?nèi)的氧氣質(zhì)量以及充氣過(guò)程中向外界放出的熱量。參考3-178、3-1793-20 10L的容器中裝有壓力為0.15 MPa、溫度為室溫(293 K)的氬氣。現(xiàn)將容器閥門(mén)突然打開(kāi)，氬氣迅速排向大氣，容器中的壓力很快降至大氣壓力(0.1MPa，這時(shí)立即關(guān)閉閥門(mén)。經(jīng)一段時(shí)間后容器內(nèi)恢復(fù)到大氣溫度。試求： (1)放氣過(guò)程達(dá)到的最低溫度； (2)恢復(fù)到大氣溫度