湖南大学 工程热力学 第八章 气体与蒸汽的流动

习题及部分解答第一篇 工程热力学 第一章 基本概念1. 指出下列各物理量中哪些是状态量,哪些是过程量：答：压力,温度,位能,热能,热量,功量,密度;2. 指出下列物理量中哪些是强度量：答：体积,速度,比体积,位能,热能,热量,功量,密度;3. 用水银差压计测量容器中气体的压力,为防止有毒的水银蒸汽产生,在水银柱上加一段水;若水柱高mm 200,水银柱高mm 800,如图2-26所示;已知大气压力为mm 735Hg,试求容器中气体的绝对压力为多少kPa 解：根据压力单位换算4. 锅炉烟道中的烟气常用上部开口的斜管测量,如图2-27所示;若已知斜管倾角 30=α,压力计中使用3/8.0cm g =ρ的煤油,斜管液体长度mm L 200=,当地大气压力MPa p b 1.0=,求烟气的绝对压力用MPa 表示解：5.一容器被刚性壁分成两部分,并在各部装有测压表计,如图2-28所示,其中C 为压力表,读数为kPa 110,B 为真空表,读数为kPa 45;若当地大气压kPa p b 97=,求压力表A 的读数用kPa 表示 kPa p gA 155=6. 试述按下列三种方式去系统时,系统与外界见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.取图中虚线内空间为系统;答案略;7.某电厂汽轮机进出处的蒸汽用压力表测量,起读数为MPa 4.13；冷凝器内的蒸汽压力用真空表测量,其读数为mmHg 706;若大气压力为MPa 098.0,试求汽轮机进出处和冷凝器内的蒸汽的绝对压力用MPa 表示 MPa p MPa p 0039.0;0247.021==8.测得容器的真空度mmHg p v 550=,大气压力MPa p b 098.0=,求容器内的绝对压力;若大气压变为MPa p b102.0=',求此时真空表上的读数为多少mmMPa MPa p MPa p v8.579,0247.0='= 9.如果气压计压力为kPa 83,试完成以下计算：1.绝对压力为11.0MPa 时的表压力；2.真空计上的读数为kPa 70时气体的绝对压力；3.绝对压力为kPa 50时的相应真空度kPa ；4.表压力为MPa 25.0时的绝对压力kPa ;1.kPa p g 17=；2.kPa p 13=；3.kPa p v 33=；4.kPa p 333=;10.摄氏温标取水在标准大气压下的冰点和沸点分别为0℃和100℃,而华氏温标则相应地取为32℉和212℉;试导出华氏温度和摄氏温度之间的换算关系,并求出绝对零度所对应的华氏温度;将水在标准大气压下的冰点值032和F ℃,以及沸点值100292和F ℃代入,得解该二元一次方程组,得：32,8.1==B A ;从而有 328.1+=t t F当15.273-=t ℃时,有11.气体进行可逆过程,满足pV C =C 为常数,试导出该气体从状态1变化到状态2时膨胀功的表达式,并在p V -图上定性画出过程线、示出膨胀功;答案：略12.某气体的状态方程为g pV R T =,试导出：1.定稳下气体,p v 之间的关系；2.定压下气体,v T 之间的关系；3.定容下气体,p T 之间的关系;答案：1.2112v v p p =；2.1212T T v v =；3. 1212T T p p =;第二章 热力学第一定律1.一蒸汽动力厂,锅炉的蒸汽产量为318010/q kg h =⨯,输出功率为55000P kW =,全厂耗煤,19.5/m c q t h =,煤的发热量为33010/c q kJ kg =⨯;蒸汽在锅炉中吸热量2680/q kJ kg =;试求：1.该动力厂的热效率t η；2.锅炉的效率B η蒸汽总吸热量煤的总发热量;解：1.锅炉中蒸汽吸热量热效率 %411034.1550005=⨯=Φ=H t P η 2.锅炉效率2.系统经一热力过程,放热8kj 对外做功26kJ ;为使其返回原状态,对系统加热6kJ ,问需对系统作功多少解：由W U Q +∆=得对于返回初态的过程故需对系统做功kj 28;3.气体在某一过程只能感吸收了54kJ 的热量,同时热力学能增加了94kJ ;此过程是膨胀过程还是压缩过程系统与外界交换的功是多少答案：此过程为压缩过程；此过程中系统与外界交换的功是kj 40-;4.1kg 空气由115,0.5p MPa t MPa ==膨胀到220.5,500p MPa t ==℃,得到热量506kJ ,对外做膨胀功506kJ ;接着又从终态被压缩到初态,热出热量390kJ ,试求：1.膨胀过程空气热力学能的增量；2.压缩过空气热力学能的增量；3.压缩过程外界消耗的功;答案：1.0=∆U ；2. 0=∆U ；3.kj W 390-=;5.闭口系统中实施以下过程,试填补表中的空缺数据;表中括号内的数为答案;6.如图所示,某封闭系统沿b c a --途径由状态a 变化到b ,吸入热量kj 90,对外做功kj 40,试问：1.系统从a 经d 至b ,则吸收热量是多若对外做功kj 10,少2.系统由b 经曲线所示过程返回a ,若外界对系统左贡kj 23,吸收热量为多少3.设,45,5kj U kj U d adb ==,那么过程d a -和b d -中系统吸收的热量各为多少答案 1.kj Q adb 60=；2.kj Q ba 73-=；2.kj Q ad 50=；4.kj Q db 10=;7.容积为31m 的绝热封闭的气缸中装有完全不可压缩的流体,如图2-31所示;试问：1.活塞是否对流体做功2.通过对活塞加压,把流体压力从MPa p 2.01=提高到MPa p 33=,热力学能变化多少焓变化多少答案 1.0=W ；2.kj H U 3108.2,0⨯=∆=∆;8.一质量为kg 4500的汽车沿坡度为 15的山坡下行,车速为s m /300;在距山脚m 100处开始刹车,且在山脚处刚好刹住;若不计其它力,求因刹车而产生的热量;kj Q 51004.2⨯=;9.某蒸汽动力装置,蒸汽流量为h t /40,汽轮机进出口处压力表读数为MPa 9,进口比为kg kj /3440,汽轮机出口比焓为kg kj /2240,真空表读数为kPa 06.95,当时当地大气压力为kPa 66.98,汽轮机对环境放热为;试求：1.汽轮机进出口蒸汽的绝压各为多少2.单位质量蒸汽经汽轮机对外输出功为多少3.汽轮机的功率为多少答案 1.2.kg kj sh /1200=ω3.kW P 410332.1⨯=4.考虑进出口动能差后sh ω的相对偏差10.进入冷凝器的泛汽的蒸汽为MPa p 005.0=,比焓kg kj h /25001=,出口为同压下的水,比焓为kg kj h /77.1372=,若蒸汽流量为h t /22,进入冷凝器的冷却水温为171='t ℃,冷却水出口温度为302='t ℃,试求冷却水流量为多少水的比热容为)./(18.4K kg kj ;答案 )/(104.9563,h kg q w m ⨯=11.某活塞式氮气压气机,压缩的氮气的参数分别为：MPa p 1.01=,kg m v /88.031=；MPa p 0.12=,kg m v /16.03=;设在压缩过程中每kg 氮气热力学能增加kj 180,同时向外放出热量kj 60;压气机每min 生产压缩氮气kg 18,试求：1.压缩过程对每kg 氮气所做的功；2.生产每kg 压缩氮气所需的功；3.带动比压气机至少要多大的电动机;答案 1.kg kj /240-=ω；2.kg kj sh /312-=ω；3.kW P 6.93=;12.流速为s m /600的高速空气突然受阻停止流动,即02=c ,称为滞止;如滞止过程进行迅速,以致气流受阻过程中与外界的热交换可以忽略,问滞止过程空气的焓变化了多少答案 kg kj h /180=∆第三章 理想气体及其混合物1.把2CO 压送到体积为35.0m 的贮气罐内;压送前贮气罐上的压力表读数为kPa 3,温度为C 20,压送终了时压力表读数为kPa 30,温度为C 50;试求压送到罐内的2CO 的质量;大气压力为MPap b 1.0=;解由 ()())[]()kg T p T p R V T R V p T R V p m TmR pV K kg kJ M R R kPa p p p kPa p p p g g g g g g b g b 143.02732010103273501013010189.05.0.189.044314.813030101.01033101.033311221122322311=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯-+⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=-=∆=====+⨯=+==+⨯=+=2. 体积为303.0m 的某钢性容器内盛有了C kPa 20,700的氮气;瓶上装有一排气阀,压力达到kPa 875时发门开启,压力降到kPa 840时关闭;若由于外界加热的原因造成阀门开启,问：1阀门开启时瓶内气体温度为多少2因加热造成阀门开闭一次期间瓶内氮气失去多少设瓶内空气温度在排气过程中保持不变;答案 13.932=t ℃；2kg m 0097.0=∆3.氧气瓶的容积330.0m V =瓶中氧气的表压力为Ct MPa p g 30,4.111==;问瓶中盛有多少氧气若气焊时用去一半氧气,温度降为C t202=,试问此时氧气的表压力为多少当地大气压力MPap b 1.0=答案 MPa p kg m g 625.0;86.72==4.某锅炉每小时燃煤需要的空气量折合表准状况时为h m 366000;鼓风机实际送入的热空气温度为C 250,表压力为kPa 0.20,当地大气压为MPa p b 1.0=,求实际送风量()m 3; 解 ()MPa p p p g b 12.010201.03=⨯+=+=- 由T R q pq g m V =得()()m P T T q p q T q p T pq V V V V 3511000000010068.112.027325027366000101325.0.⨯=+⨯⨯===5.某理想气体比热比4.1==V p c c k ,定压比热容()K kg kJ c p .042.1=,求该气体的摩尔质量;解 由k c c Vp =及MRR c c g V p ==-得 ()()()mol g k c R M p 93.274.111042.1314.811=-⨯=-=6.在容积为31.0m 的封闭容器内装有氧气,其压力为kPa 300,温度为C15,问应加入多少热量可使氧气温度上升到C8001按定值比热容计算；2按平均比热容计算;解 ()[]k kg kJ M R R g .26.032314.8===1()()()kJ t t R m t mc Q g V 3.6121580026.0252.12512=-⨯⨯⨯=-=∆=2查得()K kg kJ c V.656.015=7.摩尔质量为kg 30的某理想气体,在定容下由C 275,加热到C 845,若热力学能变化为kg kJ 400,问焓变化了多少答案kg kJ h 9.557=∆8.将kg 1氮气由C t 301=定压加热到C400,分别用定值比热容,平均比热容表计算其热力学能和焓的变化;用定值比热容计算用平均比热容计算9. kg 2的2CO ,由C t kPa p 900,80011==膨胀到C t kPa p 600,12022==,试利用定值比热容求其热力学能、焓和熵的变化;解10. 在体积为35.1mV=的钢性容器内装有氮气;初态表压力为MPapg0.21=,温度为C230,问应加入多少热量才可使氮气的温度上升到C750其焓值变化是多少大气压力为MPa1.0; 1按定值比热容计算；2按真实比热容的多项式计算；3按平均比热容表计算；4按平均比热容的直线关系式计算;解12查得()()()()()()()()()()()()kJ TnR Q dT nC kJ T T nR T a T a T a n T nR dT aT T a a n dT nR dT nC n dT R C n dT nC Q kmol m M n a a a T a T a a C m p T T m p m p m V m p 4321,3228223123221021212121021,,21,823102210,10226.150********.87532.010005.910005.9]5031023314.87532.050310231042.0315031023102335.52150310233146.27[7532.0327532.02809.211042.0,102335.5,3146.2721⨯=-⨯⨯+⨯=∆+==∆H ⨯=-⨯⨯--⨯⨯-⨯+-⨯⨯⨯+-⨯⨯=--⎪⎭⎫ ⎝⎛++=∆-++=-=-=====⨯-=⨯==++=⎰⎰⎰⎰⎰⎰----3查得4查得11. 某氢冷却发电机的氢气入口参数为C t MPa p g 40,2.011==,出口参数为C t MPa p g 66,19.022==;若每分钟入口处体积流量为35.1m ,试求氢气经过发电机后的热力学能增量、焓增量和熵增量;设大气压力为MPa p b 1.0=;1按定值比热容计算；2按平均比热容直线关系式计算;解（1） 按定值比热()[]()[]()()()()()[]min .4504.03.029.0ln 157.42734027360ln 55.143459.0ln ln min 9.130406655.143459.0min 44.93406639.103459.0.39.10157.455.14.55.14157.427271212K kJ p p R T T c q S kJ t c q kJ t c q U K kg kJ R c c K kg kg R c g p m p m V m g p V g p =⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∆=-⨯⨯=∆=∆H =-⨯⨯=∆=∆=-=-==⨯==2按平均比热容的直线关系式12. 利用内燃机排气加热水的余热加热器中,进入加热器的排气按空气处理温度为C 300,出口温度为C 80;不计流经加热器的排气压力变化,试求排气经过加热器的比热力学能变化,比焓变化和比熵的变化;1按定值比热容计算；2按平均比热容表计算;答案1213. 进入气轮机的空气状态为C kPa 600,600,绝热膨胀到C kPa300,100,略去动能、位能变化,并设大气温度为KT 3000=,试求：1每千克空气通过气轮机输出的轴功；2过程的熵产及有效能损失,并表示在s T -图上；3过程可逆膨胀到kPa 100输出的轴功;解12熵产g s ∆及有效能损失i 如图3-36中阴影面积所示;314.由氧气、氮气和二氧化碳组成的混合气体,各组元的摩尔数为试求混合气体的体积分数、质量分数和在C t kPa p 27,400==时的比体积;解15.试证明：对于理想气体的绝热过程,若比热容为定值,则无论过程是否可逆,恒有()211T T k R w g --=式中：1T 和2T 分别为过程初终态的温度;证明 对于理想气体的绝热过程,有又 ⎪⎩⎪⎨⎧==-kc c R c c V p gV p得 1-=k R c g V故 ()211T T k R w g --=证毕第四章 理想气体的热力过程1. 某理想气体初温K T 4701=,质量为kg 5.2,经可逆定容过程,其热力学能变化为kJ U 4.295=∆,求过程功、过程热量以及熵的变化;设气体()35.1,.4.0==k K kg kJ R g ,并假定比热容为定值;解由⎪⎩⎪⎨⎧==-kc c R c c V p g V p得()[]()()()K kJ T T mc S K T mc U T T T mc T mc U K kg kJ k R c V V V V gV 568.04704.573ln 143.15.2ln3.573470143.15.24.295.143.1135.14.01121212=⨯==∆=+⨯=+∆=-=∆=∆=-=-=2. 一氧化碳的初态为K T MPa p 493,5.411==;定压冷却到K T 2932=;试计算kmol 1的一氧化碳在冷却过程中的热力学能和焓的变化量,以及对外放出的热量;比热容取定值;答案 kJ kJ U 441082.5,10154.4⨯=∆H ⨯=∆3. 氧气由MPa p C t 1.0,3011== 被定温压缩至MPa p 3.02=;1试计算压缩单位质量氧气所消耗的技术功；2若按绝热过程压缩,初态与终态与上述相同,试计算压缩单位质量氧气所消耗的技术功；3将它们表示在同一副v p -图和s t -图上,试在图上比较两者的耗功;解 ()[]K kg kJ M R R g .26.032314.8===155.863.01.0ln 30326.0ln211,-=⨯==p p T R w g T t 23两过程在v p -图和s T -图上的表示分别如图3-37a 和3-37b 所示;图中过程线T21-为定温过程,s 21-为绝热过程线;从v p -图中可以看到,绝热过程耗功比定温过程耗功多出曲边三角形面积s T 221--;4.使将满足以下要求的理想气体多变过程在v p -和s t -图上表示出来先画出4个基本热力过程：1气体受压缩、升温和放热；2气体的多变指数8.0=n ,膨胀；3气体受压缩、降温又降压；4气体的多变指数2.1=n ,受压缩；5气体膨胀、将压且放热;答案 如图3-38a 和图3-38b 所示的v p -图和s T -图上,1-1,1-2,1-3,1-4和1-5分别为满足1,2,3,4和5要求的多变过程线;5.柴油机汽缸吸入温度C t 601=的空气33105.2m -⨯,经可逆绝热压缩;空气的温度等于燃料的着火温度;若燃料的着火温度为C 720,问空气应被压缩到多大的体积答案3421063.1m V -⨯=6.有kg 1空气,初态为C t MPa p 27,6.011==,分别经下列三种可逆过程膨胀到MPa p 1.02=,试将各过程画在v p -图和s t -图上,并求各过程始态温度、做工量和熵的变化量：1定温过程；225.1=n 的多变过程；3绝热过程;答案123v p -图和s T -图如图3-39所示; 7.一容积为32.0m 的贮气罐,内装氮气,其初压力MPa p 5.01=,温度C t 371=;若对氮气加热,其压力、温度都升高;贮气罐上装有压力控制阀,当压力超过MPa 8.0时,阀门便自动打开,防走部分氮气,即罐中维持最大压力为MPa 8.0,问当贮气罐中氮气温度为C 287时,对罐内氮气共加入多少热量设氮气比热容为定值;解()[]K kg kJ M R R g .297.028314.8===由 T mR pV g =开始过程是定容过程,则8.容积为36.0m V =的空气瓶内装有压力MPa p 101=,温度为K T 3001=的压缩空气,打开压缩空气瓶上的阀门用以启动柴油机;假定留在瓶中的空气进行的是绝热膨胀;设空气的比热容为定值,)./(287.0K kg kj R g =;1.问过一段时间后,瓶中空气从室内空气吸热,温度有逐渐升高,最后重新达到与室温相等,即又恢复到K 300,问这时空气瓶中压缩空气的压力3p 为多大答案 1 kg m K T 6.15,1.2712-=∆= 2MPa p 75.73=9.是导出理想气体定值比热容的多变过程的初、终态熵变为解：主要步骤与公式由 ⎪⎩⎪⎨⎧==-k c c R c c Vp gV p 得 1-=k kR c g p10.压力为kPa 160的kg 1空气,K 450定容冷却到K 300,空气放出的热量全部被温度为17℃的大气环境所吸收;求空气所放出热量的饿有效能和传热过程、的有效能损失,并将有效能损失表示在s T -图上;解由于放出的热量全部被环境吸收,使热量有效能全部变成了无效能,故有效能损失有效能损失如图3-40的s T -图上阴影面积所示;11.空气进行可逆压缩的多变过程,多变指数,3.1=n 耗功量为kg kj /95.67,求热量和热力学能变化;答案 kJ U kJ Q 85.50,95.16=∆-=第六章 水蒸气1.湿饱和蒸汽,85.0,9.0==x MPa p ,试由水蒸气表求u s v h t 和,,,,;答案 kg kJ h C t s 99.2468,389.175==2.过热蒸汽,425.0.3==t MPa p ℃,根据水蒸气表求u s h v ,,,和过热度D ,再用s h -图求上述参数;答案 查表：kg kJ h m v 7.3286,103638.03==查图：kg kJ h kg m v 3290,105.03==3.开水房用开水的蒸汽与20=t ℃同压下的水混合,试问欲得t 5的开水,需要多少蒸汽和水解 设需蒸汽为kg m V ,则水为V w m m m -=;由MPa p 1.0=,查得kg kJ h kg kJ h 14.2675,52.417=''='C t 20=时,kg kJ h 96.832=根据热力学第学一定律4.已知水蒸气kg kj h MPa p /1300,2.0==,试求其s t v ,,;答案 )K kg kJ s C t kg m v .5452.3,30.120,3158.03===5.kg 1蒸汽,95.0,0.211==x MPa p ,定温膨胀至MPa p 1.02=,求终态s h v ,,及过程中对外所做的功;解 ()kg kJ w 0.683=6.进汽轮机的蒸汽参数为435,0.311==t MPa p ℃;若经可逆膨胀绝热至MPa p .2=,蒸汽流量为s kg /0.4,求汽轮机的理想功率为多少千克：答案 kW P 31066.4⨯=7.一刚性容器的容积为MPa 3.0,其中51为饱和水,其余为饱和蒸汽,容器中初压为MPa 1.0;欲使饱和水全部汽化,问需要加入多少热量终态压力为多少若热源温度为500℃,试求不可逆温差传热的有效能损失;设环境温度为27℃;8.容积为336.0m 的刚性容器中贮有350=t ℃的水蒸气,其压力表度数为kPa 100;现容器对环境散热使压力下降到压力表度数为kPa 50;试求：1.确定初始状态是什么状态2.求水蒸气终态温度；3.求过程放出的热量和放热过程的有效能损失;设环境温度为20℃,大气压力为MPa 1.0;答案 1过热蒸汽；2C t 8.1452=此结果为利用教材热工基础与应用后附录A-7所得;利用较详细水蒸气热表或s h -图答案应为C 1913kJ I kJ Q 8.35,6.82=-=同上,kJ I kJ Q 2.27,1.59=-=9.气轮机的乏汽在真空度为kPa 96干度为88.0=x 的湿空气状态下进入冷凝器,被定压冷却凝结为饱和水;试计算乏汽体积是饱和水体积的多少倍,以及kg 1乏汽2在冷凝器中放出的热量;设大气压力为MPa 1.0;答案 kg kJ q V V 2140,1005.3411=⨯='10.一刚性绝热容器内刚性各班将容器分为容积相同的B A ,两部分;设A 的容积为316.0m ,内盛有压力为MPa 1.0、温度为300℃的水蒸气；B 为真空;抽掉隔板后蒸汽蒸汽自由膨胀达到新的平衡态;试求终态水蒸气的压力、温度和自由膨胀引起的不可逆有效能损失;设环境温度为20℃,并假设该蒸汽的自由膨胀满足常数=pV ;解1由==1122V p V p 常数得 ()MPa V V p p 5.0210.12112=⨯== （2） 由C t MPa p 300,0.111==,查得 由kg m v MPa p 3225161.0,5.0==,查得11.利用空气冷却蒸汽轮机乏汽的装置称为干式冷却器;瑞哦流经干式冷却器的空气入口温度为环境温度201=t ℃,出口温度为352=t ℃;进入冷凝器的压力为kPa 0.7,干度为8.0,出口为相同压力的饱和水;设乏汽流量为h t /220,空气进出口压力不变,比热容为定值;试求：1.流经干式冷却器的焓增量和熵增；2.空气流经干式冷却器的熵变以及不可逆传热引起的熵产;解1由8.0,0.7==x kPa p 查算得对空气)()K kg kJ c K kg kJ R p g .004.1,.287.0==根据热力学第一定律有2()()()()K kW S kW t t c q a p a m a 18.3910177.12035004.110818.75312,=∆⨯=-⨯⨯⨯=-=∆H3()()K kW S K kW S g V 63.1417.377=∆-=∆39.500,0.911==t MPa p ℃的水蒸汽进入气轮机中作绝热膨胀,终压为kPa p 502=;汽轮机相对内效率式中s h 2——为定熵膨胀到2p 时的焓;试求1.每kg 蒸汽所做的功；2.由于不可逆引起熵产,并表示在s T -图上;答案 由C t MPa p 500,0.911==查得()K kg kJ s kg kJ h .656.6,338511==由()kPa p K kg kJ s s 0.5,.656.6212===查得kg kJ h s 20302=由s T h h h h 2121--=η得()kg kJ h 22202=()kg kJ w sh 1165=（3） 由kg kJ h kPa p 2220,522==查得过程如图所示第七章 湿空气1.设大气压力为MPa 1.0,温度为25℃,试用分析法求湿空气的相对湿度为%55=ϕ,露点温度、含湿量及比焓,并查d h -图校核之;答案 解析法 ()()a kg kJ h a kg kg d C t d 15.53,011.0,8.14===查d h -图：2.空气的参数为%30,20,1.01===ϕC t MPa p b ,在加热器中加热到85℃后送入烘箱取烘干物体/从烘箱出来时空气温度为353=t ℃,试求从烘干物体中吸收kg 1水分所消耗的赶空气质量和热量;解 由%,30,2011==ϕC t 查d h -图得由C t d d 85,212==得3.设大气压力为MPa 1.0,温度为30℃,相对湿度为8.0;如果利用空气调节设备使温度降低到10℃去湿,然后再加热到20℃,试求所的空气的相对湿度;答案 %53=ϕ4.一房间内空气为MPa 1.0,温度为5℃,相对湿度为%80;由于暖气加热使房间温度升至18℃;试求放暖气后房内空气的相对湿度;答案 %32=ϕ5.在容积为3100m 的封闭室内,空气的压力为MPa 1.0,温度为25℃,露点温度为18℃,试求室内空气的含湿量,和相对湿度;若此时室内放置若干盛水的敞口容器,容器的加热装置使水能保持25℃定温蒸发至空气达到室温下饱和空气状态;试求达到饱和空气状态的空气含湿量和水的蒸发量;解 1由C t 25=查得由C t d 18=查得MPa p V 002064.0=所以%65=ϕ2%1002=ϕ6.一股空气流压力为MPa 1.0,温度为20℃,相对湿度为%30,流量为每分钟315m ;另一股空气流压力也为MPa 1.0,温度为35℃,相对湿度为%80,流量为每分钟320m ;混合后压力仍为MPa 1.0,试求混合后空气的温度、相对湿度和含湿量;解： 水蒸气的()[]K kg kJ R v g .462.0,=由%30,2011==ϕC t 查得由%80,3522==ϕC t 查得由热力学第一定律由 ()()a kg kg d a kg kJ h 0181.0,3.7333==查得第八章 气体和蒸汽的流动1.燃气经过燃气轮机中渐缩喷管绝热膨胀,流量为s kg q m /6.0=,燃气参数6001=t ℃,压力MPa p 6.01=,燃气在喷管出口的压力为MPa p 4.02=,喷管进口流速及摩擦损失不计,试求燃气在喷管出口处的流速和出口截面积,设燃气的 热力性质与空气相同,取定值比热容; 答案： s m A s m c /65.7,/43822==2.空气流经一出口截面积为3210cm A =的渐缩喷管,喷管进口的空气参数、为s m c C t MPa p /150,80,0.2111=== ,背压为MPa p b 8.0=,试求喷管出口处的流速和流经喷管的空气流量;若喷管的速度系数为96.0,喷管的出口流速和流量又为多少解：1.528.0356.0246.28.0)(246.2)3332.344(2)()(2.344004.1210150333204.04.111010322110=<===⨯===⨯⨯+=+=--er k k p v p MPa T T p p K c c T T 所以 )(186.1246.2528.002MPa p v p p er er =⨯=⋅==2.3.水蒸气经汽轮机中的喷管绝热膨胀,进入喷管的水蒸气参数525,0.911==t MPa p ℃,喷管背压力为MPa p b 0.4=,若流经喷管的流量为s kg q m /6=,试进行喷管设计计算;解： 由546.044.00.90.41=<==er b v p p 知喷管形状应选缩放型的;由,525,0.911C t MPa p ==s h -图得由,,0.4,),(914.4546.00.912211s s MPa p p s s MPa v p p b cr cr cr =====⨯==和查得4.空气以s m /200的速度在管内流动,用水银温度计测得空气的温度为70℃,假设气流在温度计壁面得到完全滞止,试求空气的实际温度;答案 1.50=f t ℃5.压力kPa p 1001=、温度为271=t ℃的空气,流经扩压管时压力提高到kPa p 1802=,问空气进入扩压管是至少有多大流速这时进口马赫数是多少答案 956.0,/33211==M s m c6.某单级活塞式压气机每小时吸入温度171=t ℃、压力MPa p 1.01=的空气3120m ,输出空气的压力为MPa p 64.02=;试按下列三种情况计算压气机所许的理想功率：1.定温压缩；2.绝热压缩；3.多变压缩2.1=n ;答案 1.kW P T c 19.6,=； 2.kW P s c 2.8,=； 3.kW P n c 3.7,=7.一台两级压气机,几如压气机的空气温度是171=t ℃,压力为MPa p 1.01=,压气机将空气压缩至MPa p 5.23=,压气机的生产量为h m /503标态下,两级压气机中的压缩过程均按多变指数25.1=n 进行;现以压气机耗功最小为条件,试求：1.空气在低压气缸中被压缩后的饿压力为2p ；2.空气在气缸中压缩后的温度；3.压气机耗功量；4.空气在级间冷却器中放出的热量;解 1.)(5.051.051.05.21213MPa p p p p opt opt =⨯=====ππ 2.K T T T T K p p T T nn 400,)(4005290231225.125.011212==='=⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=- 3.)(9.56)15(125.1290287.018.025.12)1(12)/(180.0)/(6.64627310287.010*********.025.125.01136000kW n T R nq P s kg h kg T R q p q opt n n g m c g v m =-⨯-⨯⨯⨯⨯=--===⨯⨯⨯⨯==-π4.()()()()kW T T c q T T c q p m p m 9.19400290004.118.02122-=-⨯⨯=-=-'=Φ8.某轴式压气机,每秒生产kg 20压力为MPa 5.0的压缩空气;若进入压气机的空气温度为201=t ℃,压力为MPa p 1.01,压气机的绝热效率92.0,=s c η,求出口处压缩空气的温度及该压气机的耗功率;解 )(1.4641.05.02934.114.111212K p p T T k k =⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-- 由12121212,T T T T h h h h s c -'-=-'-=η得 9.一离心式压气机每分钟吸入压力为2010011==t kPa p 、℃的空气3200m ;空气离开压气机的温度为502=t ℃,出口截面上的流速为s m /50,空气的比热容()K kg kJ c p ./004.1=,假定与外界无热量交换;试求压气机的耗功率;答案 kW P 4.124=10.定容加热汽油机循环在每千克空气加入热量kJ 1000,压缩比5/21==v v ε,压缩过程的初参数为15,100kPa ℃;试求：1.循环的最高压力和最高温度；2.循环的热效率;答案 1.K T 1943max =,MPa p 37.3max =； 2.%6.52,=s c η11.一混合加热理想内燃机循环,工质视为空气,已知3.1/,8.1/,12/,50,1.034232111========v v p p v v C t MPa p ρλε ,比热容为定值;试求在此循环中单位质量工质的吸热量、净功量和循环热效率;解 循环s T -图如右图所示;1点：2点： 3点：4点：5点：12.在相同的初态及循环最高压力与最高温度相同的条件下,试在s T -图上利用平均温度的概念比较定容加热、定压加热及混合加热的内燃机理想循环的热效率;答案 s T -图如图所示 若定容加热理想循环热效率为V t ,η,定压加热理想循环热效率为p t ,η,混合加热理想循环热效率为t η,则有p t t V t ,,ηηη<<13.在燃气轮机的定压循环中,工质视为空气,进入压气机的温度271=t ℃,压力MPa p 1.01=,循环增压比4/12==p p π;在燃烧事中加入热量,经绝热膨胀至MPa p 1.04=;设比热为定值;1.画出循环的s T -图；2.求循环的最高温度；3.求循环的净功量和热效率；4.若燃气轮机的相对内效率为91.0,循环的热效率为多少答案 1.s T -图如图所示；2.K T T 11763max ==；3.%7.32,/8.2390==t kg kJ ηω；4.%28=t η14.对于燃气轮机定压加热理想循环,若压气机进出口空气参数为MPa p 1.01=,271=t ℃,燃气轮机进出口处燃气温度10003=t ℃,试向增压比π最高为多少时,循环净功为0 答案 157max =π15.某锅炉每小时生产t 4水蒸气;蒸汽出口的表压为MPa p g 122=,温度3502=t ℃;设给水温度401=t ℃,锅炉效率8.0=B η,煤的发热量热值kg kJ q p /1097.24⨯=,试求每小时锅炉的耗煤量;答案 耗煤量h kg q c m /448,=16、 填空题：1用水银温度计测量高速流动的气流温度,设温度计上读数为t ,气流温度为f t ,则二者的大小关系为____________；2在喷管的气体流动中,气体压力不断__________,流速＿＿＿＿,马赫数 ＿＿＿＿＿＿； 3有一减缩喷管,空气进口压力为MPa p 11=,背压MPa p b 3.0=,册出口压力=2p ;4现设计一喷管,若进口过热蒸汽压为MPa p 91=,背压为MPa p b 2=,此 喷管的形状应选择 ;17、压力为MPa 1.0、温度为C 015的空气,分别以s m /100,s m /200,和s m /400的流速流动,当空气滞止时,问空气的滞止温度和滞止压力各为多少18、某减缩喷管进口氮气压力为MPa p 6.61= ,温度C t 0960= ,背压为MPa p b 0.4=试求出口截面流速;19.某减缩喷管出口截面积为225mm ,进口空气参数C t Pa p 011300,5.0==,初速s m c /1781=,问背压为多大时达到最大质量流量该值是多少20.压力为MPa 1.0,温度C 030的空气经扩压管后压力升高至MPa 16.0,问空气进入扩压管的初速是多少21.压力MPa p 0.91=、温度C t 01550=的水蒸气,经节流阀后压力降为MPa P 6.82=,然后进入喷管作可逆膨胀至压力为MPa p 63=;设环境温度为K T 3000=,流量s kg q m /32=问：1该喷管为何形状；2喷管出口流速及截面积为多少；3因节流引起的熵产及有效能损失为多少第九章 蒸汽动力循环1.蒸汽动力循环的主要设备是什么各起什么作用2.提高蒸汽动力循环热效率的主要措施与方法有那些3.在蒸汽压缩制冷循环中,如果用膨胀代替节流阀,有何优缺点4.试画出蒸汽再循环的s T -图;5.某朗肯循环,水蒸气初参数为C t MPa p 011500,4==,背压为MPa p 004.02=;试求循环吸热、放热量、汽轮机做功和循环热效率;6.某蒸汽动力循环,水蒸气的初参数为C t MPa p 011530,5.4==,背压为MPa p 005.02=,汽轮机相对内效率88.0=T η,试求循环吸热量、放热量、汽轮机做功量和循环热效率;7.某蒸汽压缩制冷循环,制冷剂为氟里昂134a,蒸发器的出口温度为C 045.26-,冷凝器的出口温度C 030;试求：1循环制冷量和压气机耗功量；2制冷系数；3循环热效率;8.某蒸汽动力循环装置为郎肯循环;蒸汽的初压为MPa p 0.41=,背压为MPa p 005.02=,若初温分别为300℃和500℃,试求蒸汽在不同初温下的循环热效率t η及蒸汽的终态干度2x ; 解：1.由MPa p 0.41=,3001=t ℃,查过热蒸汽表得由MPa p 005.02=,查饱和水和饱和蒸汽表得由12s s =得又 kg kJ h h /22.13723='=忽略泵功 34h h =2.过程和上一问相同,最后结果是%39=t η,832.02=x9.某朗肯循环,水蒸气初温为5001=t ℃,背压为MPa p 005.02=,试求当初压分别为MPa 0.4和MPa 0.6时的循环热效率及排汽干度;答案10.某蒸汽动力厂按再热循环工作,锅炉出口蒸汽参数为500,1011==t MPa p ℃,汽轮机排汽压力MPa p 004.02=;蒸汽在进入汽轮机膨胀至MPa 0.1时,被引出到锅炉再热器中再热至500℃,然后又回到汽轮机继续膨胀至排汽压力;设汽轮机和水泵中的过程都是理想的定熵过程,试求： 1.由于再热,使乏汽干度提高多少2.由于再热,循环的热效率提高了多少解： 1.由500,1011==t MPa p 查得由)./(5954.6,0.11K kg kJ s s MPa p a a ===查得由500,0.1==b b t MPa p ℃查得由)(7597.7,004.022K kg kJ s s MPa p b •===且 kg kJ h 3.1212=' 由)(5954.6,004.012K kg kJ s s MPa p a •===查得忽略泵功 kg kJ h h h 3.121234='== 2忽略泵功 ()()210h h h h w w b a T -+-===()())(17060.23378.347628078.3372kg kJ =-+-=()())(3.392128078.34763.1218.3372kg kJ =-+-无再热时第十章 制冷循环1.某蒸气压缩制冷装置如图5-26所示;制冷剂为氨,蒸发器出口氨的温度为 C t ︒-=151,在冷凝器中冷凝后的氨为饱和液,温度C t ︒=251;试求：蒸发器中氨的压力和冷凝器中氨的压力；循环的制冷量L q ,循环净功0w 和制冷系数ε； 若该装置的制冷能力为h kJ L 41042⨯=Φ,氨的流量为多大解 1T-s 图参阅图5-26b。

第8章气体和蒸汽的流动一、教案设计教学目标:使学生理解喷管和扩压管流动中的基本关系式和滞止参数的物理意义，熟练运用热力学理论分析亚音速、超音速和临界流动的特点。

熟练掌握渐缩、渐缩渐扩喷管的选型和出口参数、流量等的计算。

理解扩压管的流动特点，会进行热力参数的计算。

会应用有摩擦流动计算公式，进行喷管的热力计算。

熟练掌握绝热节流的特性，参数的变化规律。

知识点：喷管和扩压管的概念，滞止与节流的过程，喷管的计算，绝热节流的特点，参数的变化规律。

重点：喷管和扩压管的概念及其流动关系式，绝热节流的特点难点：分析亚音速、超音速和临界流动的特点与喷管计算教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论☺问：流体流动实际都存在有摩擦，该如何处理？为什么？☺问：你以前知道超音速飞机怎么回事？什么是音速？☺问：你知道温度计在测量时存在滞止引起的误差吗？☺问：你知道火力发电厂汽轮机发电到底如何工作的吗？热能如何变成电能的？问：你知道家用空调冰箱的制冷时都需要毛细管吗？为什么？ 学时分配：2学时二、基本知识第一节 绝热流动的基本方程一、稳态稳流工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。

二、连续性方程由稳态稳流特点， ====m m m .......21const而 vfc m =得：0=-+vdv f df c dc 该式适用于任何工质可逆与不可逆过程 三、绝热稳定流动能量方程 s w g d z dc q dh δδ---=221对绝热、不作功、忽略位能的稳定流动过程得：dh c d -=22说明：增速以降低本身储能为代价。

四、定熵过程方程由可逆绝热过程方程 k pv =const得：0=+vdv k p dp五、音速与马赫数音速：微小扰动在流体中的传播速度。

定义式： sp a )(ρ∂∂=注意：压力波的传播过程作定熵过程处理。

特别的， 对理想气体：kRT a = 只随绝对温度而变马赫数（无因次量）：流速与当地音速的比值acM =M>1，超音速 M=1 临界音速 M<1 亚音速第二节 定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系对定熵过程，由dh=vdp ，得到：vdp cdc -= 适用于定熵流动过程。

第八章 气体与蒸汽的流动工程中，常要处理气体与蒸汽在管路设备，如喷管、扩压管、节流阀内的流动过程。

例如蒸汽轮机、燃气轮机等动力设备中，使高压的气体通过喷管，产生高述度流动，然后利用高述气流冲击叶轮旋转而输出机械功。

火箭尾喷管，喷射式抽气器及扩压管等是工程上常见的另一些实例。

此外，热力工程上还常遇到 气体或蒸汽流经 门、孔板等狭窄通道时产生的节流现象。

本章主要讨论气体在流经喷管等设备时气流参数变话与流道截面积的关系及流动过程中气体能量传递和转化等问题。

此外还将简要地讨论绝热节流过程。

流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不随时间而变化的流动过程。

称为稳定流动。

工程中，最常见的工则的流动都是稳定的或接近稳定的流动。

严格地说。

运动流体在流道的同截面上的不同点，由于受摩插力及传热等影响，流述、压力、温度等参数也有所不同，但为研就问题简变起见，常取同一 截面上某参数的平均植作为该面上各点该参数的植，这眼样问题就可简化为沿流动方向上的一维问题。

实际流动问题都是不可逆的，而且流动过程中工质可能与外界有热量交换。

但是。

一般热力管道外都包有隔热保温材料，而且流体流过如喷管这样的设备的时简很短，与外界的换热也很小，为简便起见，把问题看成可逆绝热过程，由此而造程，由此而造成的误差利用实验系数修正。

因此，本章主要讨论可逆绝热过程，由此而造成的误差利用实验系数修正。

因此，本章主要讨论可逆绝热的一维稳定流动。

第一节 稳定流动的基本方程式一、连续性方程定流动中，任一截面的一切参数均不随时简而变，故流经一定截面的质量流量应为定植，不随时简而变。

设图8—1中流经截面1—1和2—2的质量分别为q m 1q m 2，流速为cfl 和cf2，比体积为v1和v2，流道截面面积为A1、A2。

若在此两截面间没有引进或排出流体，则据质量守恒原理有将上式微分，并整理得图8—1一维稳定流动常数=Α==Α=Α===vc v c v c q q q f 22f 211f 1m 2m 1m L （8—1） 0=−+Αvdv c dc A d f f （8—la ） 式（8—1）称做稳定流动的连续性方程式。

沈维道、将智敏、童钧耕《工程热力学》课后思考题答案工程热力学思考题及答案第 八 章 气体和蒸汽的流动1.改变气流速度起主要作用的是通道的形状，还是气流本身的状态变化？答：改变气流速度主要是气流本身状态变化。

2.当气流速度分别为亚声速和超声速时，下列形状的管道宜于作喷管还是宜于作扩压管？答：气流速度为亚声速时图6-1中的1图宜于作喷管，2图宜于作扩压管，3图宜于作喷管。

当声速达到超声速时时1图宜于作扩压管，2图宜于作喷管，3图宜于作扩压管。

4图不改变声速也不改变压强。

3.当有摩擦损耗时，喷管的流出速度同样可用()2022h h c f −=计算，似乎与无摩擦损耗时相同，那么摩擦损耗表现在哪里呢？答：摩擦损耗包含在流体出口的焓值里。

摩擦引起出口速度变小，出口动能的减小引起出口焓值的增大4.在图6-2中图a 为渐缩喷管,图b 为缩放喷管。

设两喷管的工作背压均为0.1MPa，进口截面压力均为1 MPa，进口流速1f c 可忽略不计。

1）若两喷管的最小截面面积相等，问两喷管的流量、出口截面流速和压力是否相同？2) 假如沿截面2’-2’切去一段，将产生哪些后果？出口截面上的压力、流速和流量起什么变化？答：1）若两喷管的最小截面面积相等，两喷管的流量相等，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。

2) 若截取一段，渐缩喷管最小截面面积大于缩放喷管最小截面面积，则渐缩喷管的流量小于缩放喷管的流量，渐缩喷管出口截面流速小于缩放喷管出口截面流速，渐缩喷管出口截面压力大于缩放喷管出口截面压力。

μ时可利5.图6-3中定焓线是否是节流过程线？既然节流过程不可逆，为何在推导节流微分效应J用dh=0？答：定焓线并不是节流过程线。

在节流口附近流体发生强烈的扰动及涡流，不能用平衡态热力学方法分析，不能确定各截面的焓值。

但是在距孔口较远的地方流体仍处于平衡态，忽略速度影响后节流前和节流后焓值相等。