2.5 典型例题例题2-1 一个装有2kg 工质的闭口系经历如下过程:过程中系统散热25kJ ,外界对系统做功100kJ ,比热力学能减少15kJ/kg ,并且整个系统被举高1000m 。
试确定过程中系统动能的变化。
解 由于需要考虑闭口系统动能及位能的变化,所以应用第一定律的一般表达式(2-7b ),即2f 12Q U m cm g z W=∆+∆+∆+ 于是 2f 1K E 2m c Q W U m g z ∆=∆=--∆-∆(25k J )(100k J )(2k g )(1=----- 2-3(2k g )(9.8m /s )(1000m 10)-⨯⨯ =+85.4k 结果说明系统动能增加了85.4kJ 。
讨论(1) 能量方程中的Q ,W ,是代数符号,在代入数值时,要注意按规定的正负号含义代入。
U ∆,mg z ∆及2f 12m c ∆表示增量,若过程中它们减少应代负值。
(2) 注意方程中每项量纲的一致,为此mg z ∆项应乘以310-。
例题2-2 一活塞汽缸设备内装有5kg 的水蒸气,由初态的比热力学能12709.0kJ/kg u =,膨胀到22659.6kJ/kg u =,过程中加给水蒸气的热量为 80kJ ,通过搅拌器的轴输入系统18.5kJ 的轴功。
若系统无动能、位能的变化,试求通过活塞所做的功解 依题意画出设备简图,并对系统与外界的相互作用加以分析。
如图2-4所示,这是一闭口系,所以能量方程为Q U W =∆+方程中是总功,应包括搅拌器的轴功和活塞膨胀功,则能量方程为p a d d l ep iQ U W W =∆++ps i t o np a d d l e2()W Q Wm u u =--- (+80kJ)(18.5kJ)(5kg)(2659.62709.9)kJ/kg =---- 350kJ =+讨论(1) 求出的活塞功为正值,说明系统通过活塞膨胀对外做功。
(2) 我们提出膨胀功12d W p V =⎰,此题中因不知道p V -过程中的变化情况,因此无法用此式计算piston W(3) 此题的能量收支平衡列于表2-3中。
距离底面高度10cm H =,活塞以及其上重物的总质量1195kg G =。
当地的大气压力b a 102kP p =,环境温度027C t ︒=。
当汽缸内的气体与外界处于热平衡时,把重物拿去100kg ,活塞突然上升,最后重新达到热力平衡。
假定活塞和汽缸壁之间无摩擦,气体可以通过汽缸壁与外界充分换热,空气视为理想气体,其状态方程为g pV m R T =(g R 是气体常数),试求活塞上升的距离和气体的换热量。
解 (1)确定空气的初始状态参数 11b e 1m g p p pp A=+=+23a -42195k g 9.8m /s 10210P +10010m⨯=⨯⨯ a 293.1k P = 42233110010m 1010m10mV A H ---==⨯⨯⨯= 1(273+27)K =300KT = (2) 定拿去重物后,空气的终止状态参数由于活塞无摩擦,又能充分与外界进行热交换,故当重新达到平衡时,汽缸内的压力和温度与外界的压力和温度相等。
则 22ou t b e 2bm gp pp p p A==+=+2a -42(195-100)k g 9.8m /s10210P 10010m⨯=⨯+⨯ 192.3kP a =2300K T =由理想气体状态方程g pV m R T =及12T T =,可得 53333121522.93110P a 10m 1.52410m 1.92310P ap V V p ----⨯==⨯=⨯⨯活塞上升距离3334221()/(1.5241010)m /(10010m )H V V A ---=-=⨯-⨯25.2410m 5.24c m-=⨯= 对外做功量3333o u t 21.92310P a (1.5241010)m 100.5JW p V p V ---=∆=∆=⨯⨯-= 由闭口系能量方程Q U W =∆+由于12T T =,故12U U =(理想气体的热力学能仅取决于温度,这将在下一章予以证明)。
则 100.8J Q W ==(系统由外界吸入的能量)讨论 (1)可逆过程的功不能用21d p V ⎰计算,本题用外界参数计算功是一种特例(多数情况下参数未予描述,因而难以计算)。
(2)系统对外做功100.8 J ,但由于提升重物的仅是其中一部分,另一部分是用于克服大气压力b p 所做的功。
例题2-4 一闭口系统从状态1沿1-2-3途径到状态3,传递给外界的热量为47.5k J ,而系统对外做工为30k J ,如图2-6所示。
(1) 若沿1-4-3途径变化时,系统对外做功15k J ,求过程中系统与外界传递的热量。
(2) 若系统从状态3沿图示的曲线途径到达状态1,外界对系统做功6k J ,求该系 统与外界传递的热量。
(3) 若2U =175k J ,3U =87.5k J ,求过程2-3传递的热量及状态1的热力学能。
解 对途径1-2-1,由闭口系能量方程得12331123123U U U Q W ∆=-=-(47.5k J )30k J =77=--- (1) 对途径1-4-3,由闭口系能量方程得143143143Q U W =∆+1231433131()U W U U W =∆+=-+=77.5kJ 15kJ 62.5kJ -+=-(系统向外界放)(2) 对途径3-1,可得到3131311331()Q U W U U W =∆+=-+77.5k J (6k J )=+-= (3) 对途径2-3,有3232d 0W p V ==⎰则 2323233287.5k J 175k J 87.5k JQ UWU U =∆+=-=-=- 1312387.5k J(77.5k J )165k JU U U =-∆=--= 讨论热力学能是状态参数,其变化只决定于初终状态,于变化所经历的途径无关。
而热与功则不同,它们都是过程量,其变化不仅与初终态有关,而且还决定于变化所经历的途径。
例题2-5 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 ,活塞对外做功800kJ 。
从状态2到状态3是一个定压过程,压力为=400k P a ,气体向外散热450kJ 。
并且已知12000kJ U =,23500kJ U =,试计算2-3过程中气体体积的变化。
解 分析:过程2-3是一定压压缩过程,其功的计算可利用式(1-7),即3232322d ()W p V p V V ==-⎰因此,若能求出23W ,则由式(1)即可求得V ∆。
而23W 可由闭口系能量方程求得。
对于过程1-2, 122112U UUQW∆=-=- 所以 212121500kJ 800kJ 2000kJ 1700kJ U Q W U =-+=-+=对于过程2-3,有2323232332()(450kJ)(35001700)kJ 2250kJ W Q U Q U U =-∆=--=---=-最后由式(1)得 323232/2250k J /400k P a 5.625mV W p ∆==-=- 负号说明在压缩过程中体积减小。
例题2-6 某燃气轮机装置,如图2-7所示。
已知压气机进口空气的比焓1h =290kJ/kg 。
经压缩后,空气升温使比焓增为2h =580kJ/kg 。
在截面2处空气和燃料的混合物以f220m/sc=的速度进入燃烧室,在定压下燃烧,使工质吸入热量670q=kJ/kg。
燃烧后燃气进入喷管绝热膨胀到状态3','3800h=kJ/kg,流速增加到'f3c,此燃气进入动叶片,推动转轮回转做功。
如燃气在动叶片中的热力状态不变,最后离开燃气轮机的速度4f100m/sc=。
求:(1)若空气流量为100kg/s,压气机消耗的功率为多少?(2)若燃气的发热值B43960q=kJ/kg,燃料的耗热量为多少?(3)燃气在喷管出口处的流速'f3c是多少?(4)燃气轮机的功率为多大?(5)燃气轮机装置的总功率为多少?解(1)压气机消耗的功率取压气机开口系为热力系。
忽略宏观动、位能差的影响。
由稳定流动能量方程2f s,c12q h c g z w=+∆+∆+得s,cw=-h∆=12290h h-=kJ/kg-580kJ/kg=-290kJ/kg可见,压气机中所消耗的轴功增加了气体的焓值。
压气机消耗的功率c s,c100kg/s290kJ/kg29000kWmP q w==⨯=( 2 ) 燃料的耗量,BB100kg/s670kJ/kg1.52kg/s43960kJ/kgmmq qqq⨯===( 3 ) 燃料在喷管出口处的流速'f3c取截面2至截面3'的空间作为热力系,工质作稳定流动,忽略重力位能差值,则能量方程为'222f32s31()()2q h h c c w=-+-+因3w=,故..'f3c=+(20m/s)=949m/s=( 4 ) 燃气轮机的效率因整个燃气轮机装置为稳定流动,所以燃气流量等于空气流量。
去截面至截面转轴的空间作为热力系,由于截面3'和截面4上工质的热力状态相同,因此'43h h =。
忽略位能差,则能量方程为'22f 4s,T f 31()02c c w -+=2'22s,T f 4f 311()[(949m /s)(100m /s)]22w c c =-=-3445.310J /k g =445.3k J /k g=⨯ 燃气轮机的功率,100k g /s 445.3k J /k g =44530k WT s s T P q w ==⨯( 5 ) 燃气轮机装置的总功率装置的总功率=燃气轮机产生的功率-压气机消耗的功率 即 T C 44530kW -29000kW =15530kW P P P =-=讨论(1) 据具体的问题,首先选好热力系是相当重要的。
例如求喷管出口处燃气流 速时,若选截面3至截面'3的空间为热力系,则能量方程为 ''222f 33f 31()()02h h c c -+-=方程中的未知量有'f 33f 3,,c c h ,显然无法求得'f 3c 。
热力系的选取是怎样有利于解决问题,怎样方便就怎样选。
(2) 要特别注意在能量方程中,动、位能差项与其他项的量纲统一。
例题2-7 某一蒸汽轮机,进口蒸汽1119.0M P a,500C,3386.8kJ/kg p t h ==︒=,f 150m/s c =,出口蒸汽参数为22f 24k Pa,2226.9kJ/kg,=140m/s p h c ==,进出口高度差为12m,每kg 汽经蒸汽轮机散热损失为15kJ 。