工程热力学答案(第四版严家騄著含第六章).doc 74页

'第一章基本概念思考题1、如果容器中气体压力保持不变，那么压力表的读数一定也保持不变，对吗？答：不对。因为压力表的读书取决于容器中气体的压力和压力表所处环境的大气压力两个因素。因此即使容器中的气体压力保持不变，当大气压力变化时，压力表的读数也会随之变化，而不能保持不变。2、“平衡”和“均匀”有什么区别和联系答：平衡（状态）值的是热力系在没有外界作用（意即热力、系与外界没有能、质交换，但不排除有恒定的外场如重力场作用）的情况下，宏观性质不随时间变化，即热力系在没有外界作用时的时间特征-与时间无关。所以两者是不同的。如对气-液两相平衡的状态，尽管气-液两相的温度，压力都相同，但两者的密度差别很大，是非均匀系。反之，均匀系也不一定处于平衡态。但是在某些特殊情况下，“平衡”与“均匀”又可能是统一的。如对于处于平衡状态下的单相流体（气体或者液体）如果忽略重力的影响，又没有其他外场（电、磁场等）作用，那么内部各处的各种性质都是均匀一致的。3、“平衡”和“过程”是矛盾的还是统一的？答：“平衡”意味着宏观静止，无变化，而“过程”意味着变化运动，意味着平衡被破坏，所以二者是有矛盾的。对一个热力系来说，或是平衡，静止不动，或是运动，变化，二者必居其一。但是二者也有结合点，内部平衡过程恰恰将这两个矛盾的东西有条件地统一在一起了。这个条件就是：在内部平衡过程中，当外界对热力系的作用缓慢得足以使热力系内部能量及时恢复不断被破坏的平衡。4、“过程量”和“状态量”有什么不同？答：状态量是热力状态的单值函数，其数学特性是点函数，状态量的微分可以改成全微分，这个全微分的循环积分恒为零；而过程量不是热力状态的单值函数，即使在初、终态完全相同的情况下，过程量的大小与其中间经历的具体路径有关，过程量的微分不能写成全微分。因此它的循环积分不是零而是一个确定的数值。习题1-1一立方形刚性容器，每边长1m，将其中气体的压力抽至1000Pa，问其真空度为多少毫米汞柱?容器每面受力多少牛顿？已知大气压力为0.1MPa。[解]：(1)(2)1-2试确定表压为0.01MPa时U型管压力计中液柱的高度差。(1)U型管中装水，其密度为1000kg/m3；(2)U型管中装酒精，其密度为789kg/m3。-74- [解]：由（1-6）式，Pg=rgDz，得到Dz=(1)(2)*此题目的目的是练习如果通过U型管压力计的液柱高度差计算表压力。1-3用U型管测量容器中气体的压力。在水银柱上加一段水图(1-12)，测得水柱度850mm，汞柱度520mm。当时大气压力为755mmHg，问容器中气体的绝对压力为若干？[解]：水柱高，汞柱高级大气压力之间之和即为容器中气体的绝对压力，但各种压力单位要经过换算。图1-12图1-131-4用斜管式压力计测量锅炉管道中烟气的真空度。管子的倾角，压力计中使用密度为800Kg/m3的煤油。倾管中液柱长度为l=200mm。当时大气压力B=745mmHg，问烟气的真空度为若干毫米汞柱？绝对压力为若干毫米汞柱？[解]：(1)根据式(1-6)式有(2)根据(1-5)式有*此题目的练习真空度，绝对压力，表压之间的关系及压力单位之间的换算关系。1-5气象报告中说，某高压中心气压是1025毫巴。他相当于多少毫米汞柱？它比标准大气压高出多少毫巴？[解]：或*此题目的练习压力单位换算图1-141-6有一容器，内装隔板，将容器分成A、B两部分(图1-14)。容器两部分中装有不同压力的气体，并在A-74- 的不同部位安装了两个刻度为不同压力单位的压力表。已测得1、2两个压力表的表压依次为9.82at和4.24atm。当时大气压力为745mmHg。试求A、B二部分中气体的绝对压力(单位用MPa)。[解]：1-7从工程单位制水蒸气热力性质表中查得水蒸汽在500,100at时的比容和比焓为：V=0.03347m3/Kg,h=806.6Kcal/Kg。在国际单位制中，这时水蒸汽的压力和比内能各为若干?[解]：在国际单位制中，这时水蒸汽的压力为：由焓的表达式得或*此题目的练习工程制与国际制的单位换算。1-8摄氏温标取水在标准大气压力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(0K或-273.15)所对应的华氏温度。[解]：设以表示摄氏温度，表示华氏温度。根据摄氏和华氏两种温标的冰点和沸点的取法，可知两者温度之间存在着线性换算关系。假设则对冰点可得：32=0+b对沸点可得：212=a100+b所以：-74- 或当（即0K）时，第二章热力学第一定律思考题1.热量和热力学能有什么区别？有什么联系？答：热量和热力学能是有明显区别的两个概念：热量指的是热力系通过界面与外界进行的热能交换量，是与热力过程有关的过程量。热力系经历不同的过程与外界交换的热量是不同的；而热力学能指的是热力系内部大量微观粒子本身所具有的能量的总合，是与热力过程无关而与热力系所处的热力状态有关的状态量。简言之，热量是热能的传输量，热力学能是能量？的储存量。二者的联系可由热力学第一定律表达式看出；热量的传输除了可能引起做功或者消耗功外还会引起热力学能的变化。2.如果将能量方程写为或那么它们的适用范围如何？答：二式均适用于任意工质组成的闭口系所进行的无摩擦的内部平衡过程。因为，对闭口系将代入第一式得即。3.能量方程（变大）与焓的微分式（变大）很相像，为什么热量q不是状态参数，而焓h是状态参数？答：尽管能量方程与焓的微分式（变大）似乎相象，但两者的数学本质不同，前者不是全微分的形式，而后者是全微分的形式。是否状态参数的数学检验就是，看该参数的循环积分是否为零。对焓的微分式来说，其循环积分：因为，所以，-74- 因此焓是状态参数。而对于能量方程来说，其循环积分：虽然：但是：所以：因此热量不是状态参数。4.用隔板将绝热刚性容器分成A、B两部分（图2-13），A部分装有1kg气体，B部分为高度真空。将隔板抽去后，气体热力学能是否会发生变化？能不能用来分析这一过程？BbBBA图2-13答：这是一个有摩擦的自由膨胀过程，相应的第一定律表达式为。又因为容器为绝热、刚性，所以，，因而，即，所以气体的热力学能在在膨胀前后没有变化。如果用来分析这一过程，因为，必有，又因为是膨胀过程，所以，即这与前面的分析得出的矛盾，得出这一错误结论的原因是自由膨胀是自由膨胀是一个非平衡过程，不能采用这个式子来进行分析，否则将要得到错误的结论。5.说明下列论断是否正确：(1)气体吸热后一定膨胀，热力学能一定增加；(2)气体膨胀时一定对外作功；(3)气体压缩时一定消耗外功。答：(1)不正确：由可知，当气体吸热全部变成对外作出的膨胀功时，热力学能就不增加，即当时，；又当气体吸热全部用来增加其热力学能时，即当时，气体也不膨胀，因为此时，，而，所以。(2)不正确：上题4就是气体膨胀而不对外做功的实例。(3)正确：无摩擦时，，压缩时，故消耗外功；有摩擦时，，，压缩时，故消耗更多的外功。所以无论有无摩擦，也不论是否吸热或放热，气体压缩时一定消耗外功的。-74- 习题2-1冬季，工厂某车间要使室内维持一适宜温度。在这一温度下，透过墙壁和玻璃窗等处，室内向室外每小时传出0.7106kcal的热量。车间各工作机器消耗的动力为500PS¬PS为公制马力的符号，1PS=75kgfm/s。（认为机器工作时将全部动力转变为热能）。另外，室内经常点着50盏100W的电灯。要使这个车间的温度维持不变，问每小时需供给多少kJ的热量（单位换算关系可查阅附表10和附表11）？[解]：为了维持车间里温度不变，必须满足能量平衡即所以有因而*此题目的练习能量平衡概念及有关能量单位的换算。2-2某机器运转时，由于润滑不良产生摩擦热，使质量为150kg的钢制机体在30min内温度升高50℃。试计算摩擦引起的功率损失(已知每千克钢每升高1℃需热量0.461kJ)。[解]：摩擦引起的功率损失就等于摩擦热，故有*此题目的练习能量平衡2-3气体在某一过程中吸入热量12kJ，同时热力学能增加20kJ。问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外所作的功是多少（不考虑摩擦）？[解]：由闭口系能量方程：又不考虑摩擦，故有所以-74- 因为所以因此，这一过程是压缩过程，外界需消耗功8kW。2-4有一闭口系，从状态1经过a变化到状态2（图2-14）；又从状态2经过b回到状态1；再从状态1经过c变化到状态2。在这三个过程中，热量和功的某些值已知（如下表中所列数值），某些值未知（表中空白）。试确定这些未知值。过程热量Q/kJ膨胀功W/kJ1-a-210（7）2-b-1-7-41-c-2（11）8[解]：关键在于确定过程1－2的热力学能变化，再根据热力学能变化的绝对值不随过程而变，对三个过程而言是相同的，所不同的只是符号有正、负之差，进而则逐过程所缺值可求。根据闭口系能量方程的积分形式：2—b—1：1—a—2：1—c—2：将所得各值填入上表空中即可※此题可以看出几点：图2－141、不同热力过程，闭口系的热量Q和功W是不同的，说明热量与功是与过程有关的物理量。2、热力学能是不随过程变化的，只与热力状态有关。2-5绝热封闭的气缸中贮有不可压缩的液体0.002m3，通过活塞使液体的压力从0.2MPa提高到4MPa（图2-15）。试求：图2-15(1)外界对流体所作的功；(2)液体热力学能的变化；(3)液体焓的变化。[解]：(1)由于液体是不可压缩的，所以外界对流体所作的功为零：W=0(2)由闭口系能量方程：Q＝ΔU+W因为绝热，Q＝0-74- 又不作功W=0所以ΔU=0即液体的热力学内能没有变化。(3)虽然液体热力学能未变，但是由于其压力提高了，而容积不变，所以焓增加了（2-6同上题，如果认为液体是从压力为0.2MPa的低压管道进入气缸，经提高压力后排向4MPa的高压管道，这时外界消耗的功以及液体的热力学能和焓的变化如何？[答案]：Wt＝－7.6kJ外界消耗功ΔU=0ΔH=7.6kJ2-7已知汽轮机中蒸汽的流量qm=40t/h；汽轮机进口蒸汽焓h1=3442kJ/kg；出口蒸汽焓h2=2448kJ/kg，试计算汽轮机的功率（不考虑汽轮机的散热以及进、出口气流的动能差和位能差）。如果考虑到汽轮机每小时散失热量0.5106kJ，进口流速为70m/s，出口流速为120m/s，进口比出口高1.6m，那么汽轮机的功率又是多少？[解]：1）不考虑汽轮机散热以及进出口气流的动能差和位能差时，如右下图因为,,根据开口系稳定流动的能量方程，(2-11)式，汽轮机对外作的功等于蒸汽经过汽轮机后的焓降：汽轮机功率2）考虑汽轮机散热以及进出口气流的动能和位能差时，每kg蒸汽的散热量根据(2-11)式有：蒸汽作功功率各种损失及所占比例：汽轮机散热损失：占-74- 蒸汽的进出动能差：占蒸汽的进出位能差：占三项合计占1.74%不超过百分之二，一般计算不考虑这三个因素也是足够精确的。※此题的目的练习使用开口系稳定流动的能量方程及其在汽轮机功率计算中的应用和汽轮机有关损失的大致的数量级。2-8一汽车以45km/h的速度行驶，每小时耗油34.110-3m3。已知汽油的密度为0.75g/cm3，汽油的发热量为44000kJ/kg，通过车轮输出的功率为87PS。试求每小时通过排气及水箱散出的总热量。[解]：根据能量平衡，汽车所消耗的汽油所发出的热量等于其车轮轴输出的功率和通过排汽和水箱散出的热量之和，即有：※此题目练习能量平衡及能量单位的换算。2-9有一热机循环，在吸热过程中工质从外界获得热量1800J，在放热过程中向外界放出热量1080J，在压缩过程中外界消耗功700J。试求膨胀过程中工质对外界所作的功。[解]：根据能量平衡故有Q吸+Wt，压缩=Q放+Wt，膨胀所以Wt，膨胀=Q吸+Wt，压缩―Q放=1800+700-1080=1420J2-10某蒸汽循环12341，各过程中的热量、技术功及焓的变化有的已知（如下表中所列数值），有的未知（表中空白)。试确定这些未知值，并计算循环的净功w0和净热量q0。过程q/（kJ/kg）wt/（kJ/kg）Dh/（kJ/kg）1-20182-303-40-11424-10-2094[答案]：过程1－2Wt＝－18kJ/kg过程2－3q=3218kJ/kgΔH=3218kJ/kg过程3－4Wt＝1142kJ/kg过程4－1q=－2049kJ/kg-74- 第三章气体的热力性质和热力过程思考题1.理想气体的热力学能和焓只和温度有关，而和压力及比体积无关。但是根据给定的压力和比体积又可以确定热力学能和焓。其间有无矛盾？如何解释？答：其间没有矛盾，因为对理想气体来说，由其状态方程可知，如果给定了压力和比容也就给定了温度，因此就可以确定热力学能和焓了。2.迈耶公式对变比热容理想气体是否适用？对实际气体是否适用？答：迈耶公式是在理想气体基础上推导出来的，因此不管比热是否变化，只要是理想气体就适用，而对实际气体则是不适用的。3.在压容图中，不同定温线的相对位置如何？在温熵图中，不同定容线和不同定压线的相对位置如何？bca答：对理想气体来说，其状态方程为：，所以，T愈高，PV值愈大，定温线离P-V图的原点愈远。如图a中所示，T2>T1。实际气体定温线的相对位置也大致是这样由定比热理想气体温度与熵的关系式可知，当S一定时（C2、R、Cp0都是常数）压力愈高，T也愈高，所以在T-S图中高压的定压线位于低压的定压线上，如图b所示，P2>P1实际气体的定压线也类似的相对位置。由定比热理想气体温度与熵的关系式可知，当S一定时（C1、R、Cv0都是常数）比容愈大，温度愈低，所以在T-S图中大比容的定容线位于小比容的定容线下方，如图c所示，v20，所以dp<0，一定伴随有压降。正如流体在各种管道中的有摩流动，虽无技术功的输出，却有压力的损失（无功有摩压必降）。3）两个过程热量与焓的关系不同。定压过程只有在无摩擦的情况下，其热量才等于焓的变化，因为，当无摩擦时，，又定压时，,，所以有。而不作技术功的过程，不管有无摩擦，其热量却总等于焓的变化，由热力学第一定律的能量方程，可知当时即。定压过程与不作技术功的过程的联系在于当无摩擦时，二者就是完全一致的，即定压无摩擦的过程必定不作技术功，不做技术功的无摩擦过程是定压的，即6.定熵过程和绝热过程有何区别和联系？答：定熵过程与绝热过程两者区别在于：1）定熵过程是以热力系在过程中内部特征（熵不变）来定义热力过程的，绝热过程则是从热力系整体与外界之间没有热量交换来定义热力过程的。-74- 2）如果存在摩擦即而则所以对绝热过程必有熵增。正如流体（蒸汽或燃气）在汽轮机和燃气轮机流过时，虽然均可以看成是绝热的，但由于摩擦存在，所以总伴随着有熵增。对定熵过程来说，，熵是不变的。3）如果没有摩擦，二者是一致的即等熵必绝热无摩，而绝热无摩必等熵，这便是二者的联系，若无摩擦，再绝热，那么，而，所以；若定熵，必无摩又绝热。7.各适用于什么工质、什么过程？答：第一个公式适用于任意工质的不作技术功的过程和无摩擦的定压过程；第二个公式适用于任意工质的绝热过程；第三个公式适用于定比热理想气体的定熵膨胀过程。8.举例说明比体积和压力同时增大或同时减小的过程是否可能。如果可能，它们作功（包括膨胀功和技术功，不考虑摩擦）和吸热的情况如何？如果它们是多变过程，那么多变指数在什么范围内？在压容图和温熵图中位于什么区域？答：图f、g所示的就是比容和压力同时增大或减小的过程，如果不考虑摩擦，内部又是平衡的话，则所作功及吸热情况如图h、i所示。技术功：膨胀功：热量：这些过程是多变指数（中间符号是n）范围内的多变过程，在P-S图及T-S图中所处区域如图j、k阴影部分所示-74- 9.用气管向自行车轮胎打气时，气管发热，轮胎也发热，它们发热的原因各是什么？答：用气管向自行车轮胎打气需要外界作功，管内空气被压缩，压力升高，温度也升高，所以金属气管发热；空气经过气管出气嘴和轮胎气门芯时都有节流效应，这也会使空气的温度进一步升高，这些温度较高的空气进入轮胎后导致轮胎也发热了。习题3-1已知氖的相对分子质量为20.183，在25℃时比定压热容为1.030。试计算（按理想气体）：(1)气体常数；(2)标准状况下的比体积和密度；(3)25℃时的比定容热容和热容比。[解]：(1)(2)(3)3-2容积为2.5m3的压缩空气储气罐，原来压力表读数为0.05MPa，温度为18℃。充气后压力表读数升为0.42MPa，温度升为40℃。当时大气压力为0.1MPa。求充进空气的质量。[解]：在给定的条件下，空气可按理想气体处理，关键在于求出充气前后的容积，而这个容积条件已给出，故有3-3有一容积为2m3的氢气球，球壳质量为1kg。当大气压力为750mmHg、温度为20℃时，浮力为11.2N。试求其中氢气的质量和表压力。[解]：如右图所示，氢气球在空气中所受的总浮力为该气球排出同体积的空气的重量，该重量应该等于氢气球所受浮升力，球壳重量以及氢气重量之和，有此可得：-74- 所以氢气的表压力由，可得3-4汽油发动机吸入空气和汽油蒸气的混合物，其压力为0.095MPa。混合物中汽油的质量分数为6%，汽油的摩尔质量为114g/mol。试求混合气体的平均摩尔质量、气体常数及汽油蒸气的分压力。[解]：由混合气体平均分子量公式（3-20）式可得：3-550kg废气和75kg空气混合。已知：废气的质量分数为，，，空气的质量分数为，求混合气体的：(1)质量分数；(2)平均摩尔质量；(3)气体常数。[解]：(1)混合气体的质量成分可由(3-11)式求得：(2)混合气体的平均分子量可由(3-20)式求得(3)混合气体的气体常数可由(3-21)式求得：-74- 3-6同习题3-5。已知混合气体的压力为0.1MPa，温度为300K。求混合气体的：(1)体积分数；(2)各组成气体的分压力；(3)体积；(4)总热力学能（利用附表2中的经验公式并令积分常数C=0）。[解]：(1)混合气体的容积成份可由(3-18)式求得。(2)各组分气体的分压力可由(3-22)式求得：(3)混合气体的总容积可由理想气体的状态方程求得：(4)混合气体在300K时的总内能可由计算3-7定比热容理想气体，进行了1Õ2、4Õ3两个定容过程以及1Õ4、2Õ3两个定压过程（图3-18）。试证明：q123>q143-74- [证明]：方法1）把P-V图上过程移到T-S图上就容易证明了。如图3-11所示，可见因为面积A>面积B所以q123>q143方法2）由图3-11可知所以又因为工质是理想气体，故可将上式改写为：而（定容，定容），（图中可见）所以即q123>q1433-8某轮船从气温为-20℃的港口领来一个容积为40L的氧气瓶。当时压力表指示出压力为15MPa。该氧气瓶放于储藏舱内长期未使用，检查时氧气瓶压力表读数为15.1MPa，储藏室当时温度为17℃。问该氧气瓶是否漏气？如果漏气，漏出了多少（按理想气体计算，并认为大气压力pb»0.1MPa）？[解]：-74- 3-9在锅炉装置的空气预热器中（图3-19），由烟气加热空气。已知烟气流量qm=1000kg/h；空气流量=950kg/h。烟气温度t1=300℃，t2=150℃，烟气成分为，，，。空气初温=30℃，空气预热器的散热损失为5400kJ/h。求预热器出口空气温度（利用气体平均比热容表）。[解]：根据能量平衡，烟气放出的热量应该等于空气所吸收的热量和预热器散失热量之和即：1）烟气放出热量由热力学第一定律可知烟气放出热量等于烟气经过预热器后的焓降：2）空气吸收的热量3）空气出口温度由热力学第一定律可知，空气吸收的热量等于空气经过预热器后的焓升：-74- 所以经多次试凑计算得3-10空气从300K定压加热到900K。试按理想气体计算每千克空气吸收的热量及熵的变化：(1)按定比热容计算；(2)利用比定压热容经验公式计算；(3)利用热力性质表计算。[解]：(1)(2)(3)由，查附表5得：，，查附表5得：，所以※在以上三种计算方法中，第二种方法按热力性质表计算较准确，但即便用最简单的定比热方法计算与之相差也很小，，但都超过5%，一般也是满足工程计算精度要求的。3-11空气在气缸中由初状态T1=300K、p1=0.15MPa进行如下过程：-74- (1)定压吸热膨胀，温度升高到480K；(2)先定温膨胀，然后再在定容下使压力增到0.15MPa，温度升高到480K。试将上述两种过程画在压容图和温熵图中；利用空气的热力性质表计算这两种过程中的膨胀功、热量，以及热力学能和熵的变化，并对计算结果略加讨论。[解]：(1)、(2)要求的两个过程在P-V图和T-S图中表示如图a、b所示。(1)空气按理想气体处理，查附表5得：时，，，时，，，所以对定压吸热膨胀过程有(2)对1→1′→2即先定温膨胀，然后再定容压缩过程有对1→1′定温膨胀过程：所以对1′→2定容压缩过程：Wv=0图a图b-74- 因为1′→2是定容过程，所以因而或所以对整个1→1′→2过程来说有：（第二项是0，结果：40。48）现将(1)、(2)计算结果列表如下：Wq1(p)51.678182.30130.630.47560.28352(T-V)40.48171.11130.630.47560.2366讨论：1、(1)、(2)两个过程的状态参数的变化量是相等的：如、与具体过程无关，而只与始终两状态有关，进一步表明状态参数的特性。2、(1)、(2)两个过程的传热量q和作功量W是不同的，说明q、W与具体过程有关：定压过程的吸热量和作功量都比先定温后定容过程要多。3-12空气从T1=300K、p1=0.1MPa压缩到p2=0.6MPa。试计算过程的膨胀功（压缩功）、技术功和热量，设过程是(1)定温的、(2)定熵的、(3)多变的（n=1.25）。按定比热容理想气体计算，不考虑摩擦。[解]：依题意计算过程如下：(1)定温过程计算(2)定熵过程计算-74- (3)多变过程计算（相关处都换成n）现将计算结果列表如下：T-154.324-154.324-154.324S-143.138-201.5130-148.477-185.596-55.595※从以上结果可见，定温压缩耗功最小，因为在定温压缩过程中，产生的热量及时散出去了，在相同压力下比容较小，所以消耗的技术功较少；对定熵压缩来说，由于是绝热的，压缩产生的热量散不出去，使得工质的温度升高，在相同压力下比容较大，所以消耗的技术功较多。在实际压缩过程中，定温压缩做不到，而等熵压缩又耗功较多，因此多采用多变压缩过程，此时工质在压缩过程中的温度既不像定温压缩那样不升高，也不像定熵压缩那样升高太多，而是工质温度升高又同时向外散热，压气机散出热量和消耗的功都介于二者之间。此三个不同的压缩过程在P-V图及T-S图中的表示如下。耗功|WtT|<|Wtn|<|Wts|耗功|qT|>|qn|>|qs|-74- 3-13空气在膨胀机中由T1=300K、p1=0.25MPa绝热膨胀到p2=0.1MPa。流量qm=5kg/s。试利用空气热力性质表计算膨胀终了时空气的温度和膨胀机的功率：(1)不考虑摩擦损失(2)考虑内部摩擦损失已知膨胀机的相对内效率[解]：(1)不考虑摩擦损失，又是绝热膨胀，故属于等熵膨胀过程，故由，查附表5得，因为由在附表5中插值求出再由查附表5得所以因而(2)当，考虑摩擦损失有：所以则再由h2反查附表5，得*3-14计算习题3-13中由于膨胀机内部摩擦引起的气体比熵的增加（利用空气热力性质表）。[解]：由时，查附表5得时，查附表5得所以3-15天然气（其主要成分是甲烷CH4）由高压输气管道经膨胀机绝热膨胀作功后再使用。已测出天然气进入膨胀机时的压力为4.9MPa，温度为25℃。流出膨胀机时压力为0.15MPa，温度为-115℃。如果认为天然气在膨胀机中的状态变化规律接近一多变过程，试求多变指数及温度降为0℃时的压力，并确定膨胀机的相对内效率（按定比热容理想气体计算，参看例3-10）。-74- [解]：查附表1得CH4R=0.5183kJ/(kg•K),Cp0=2.227kJ/(kg•K),κ0=1.303(1)由于天然气在膨胀透平中的状态变化规律接近于一多变过程，故有，即解之，（n符号）(2)(3)所以相对内效率3-16压缩空气的压力为1.2MPa，温度为380K。由于输送管道的阻力和散热，流至节流阀门前压力降为1MPa、温度降为300K。经节流后压力进一步降到0.7MPa。试求每千克压缩空气由输送管道散到大气中的热量，以及空气流出节流阀时的温度和节流过程的熵增（按定比热容理想气体进行计算）。[解]：管道流动是不作技术功的过程，根据能量方程则有：q＝ΔH=CP0(T2–T1)＝1.005（300－380）＝－80.4kJ/kg理想气体节流后温度不变，则T3=T2=300K节流熵增：ΔS=-Rln=0.2871ln=0.1024kJ/kg∙K3-17温度为500K、流量为3kg/s的烟气（成分如习题3-9中所给）与温度为300K流量为1.8kg/s的空气（成分近似为）混合。试求混合后气流的温度（按定比热容理想气体计算）。[解]：先求空气的相对质量成分-74- ，查出，，，再求混合后温度℃3-18某氧气瓶的容积为50L。原来瓶中氧气压力为0.8MPa、温度为环境温度293K。将它与温度为300K的高压氧气管道接通，并使瓶内压力迅速充至3MPa（与外界的热交换可以忽略）。试求充进瓶内的氧气质量。[解]：快速充气过程：，，，充气后温度：充入质量：3-19同习题3-18。如果充气过程缓慢，瓶内气体温度基本上一直保持为环境温度293K。试求压力同样充到3MPa时充进瓶内的氧气质量以及充气过程中向外界放出的热量。[解]：等温充气：，3-2010L的容器中装有压力为0.15MPa、温度为室温（293K）的氩气。现将容器阀门突然打开，氩气迅速排向大气，容器中的压力很快降至大气压力（0.1MPa）。这时立即关闭阀门。经一段时间后容器内恢复到大气温度。试求：(1)放气过程达到的最低温度；-74- (2)恢复到大气温度后容器内的压力；(3)放出的气体质量；(4)关阀后气体从外界吸收的热量。[解]：，，，绝热放气工质氩气：，，，（1）绝热放气按定熵膨胀求（2）由，恢复到大气温度（室温）要经历一个定容加热过程，压力随温度升高而增加（3）绝热放气放出气体质量（4）关闭阀门后从外界定容吸热3-21空气的初状态为0℃、0.101325MPa，此时的比熵值定为零。经过(1)定压过程、(2)定温过程、(3)定熵过程、(4)n=1.2的多变过程，体积变为原来的(a)3倍；(b)1/3。试按定比热容理想气体并利用计算机，将上述四个膨胀过程和四个压缩过程的过程曲线准确地绘制在p-v和T-s坐标系中。-74- 第四章热力学第二定律例题例4-1先用电热器使20kg、温度t0=20℃的凉水加热到t1=80℃，然后再与40kg、温度为20℃的凉水混合。求混合后的水温以及电加热和混合这两个过程各自造成的熵产。水的比定压热容为4.187kJ/（kg·K）；水的膨胀性可忽略。[编题意图]实际过程中熵产的计算是本章的重点和难点之一，本题的目的在于检测和练习电热器加热造成的熵产和不等温水混合过程中的熵产的分析计算。[解题思路]电加热水过程引起熵产是由于电功转变为热产，水吸收这个热后其自身温度逐渐上升，这是一个不断积累过程，需通过微元热产量与水变化的水温T之比这个微元熵产的积分求得。要求凉水与热水混合造成的熵产，必须先求出20kg80℃的水放热的熵减与20℃的凉水吸热的熵增，这种内热流造成的熵产也是个逐渐积累的过程，也需积分求得。整个加热混合造成的总熵产由二者相加得到。[求解步骤]设混合后的温度为t，则可写出下列能量方程：即从而解得t=40℃（T=313.15K）电加热过程引起的熵产为=15.593kJ/K混合过程造成的熵产为总的熵产-74- 由于本例中无熵流（将使用电热器加热水看作水内部摩擦生热），根据式（4-12）可知，熵产应等于热力系的熵增。熵是状态参数，它的变化只和过程始末状态有关，而和具体过程无关。因此，根据总共60kg水由最初的20℃变为最后的40℃所引起的熵增，也可计算出总的熵产：[讨论]本例题中还给出了一种更为简便的计算总熵产的方法。由于整个系统没有与外界热交换而引起的熵流，像这种绝热闭口系的熵产生等于它的熵增。熵是状态参数，它的变化只与始末状态有关，而与经历的先电加热再混合的具体过程无关。从总的效果来看，可以看成总共有60kg20℃水变为最后40℃所引起的熵增，也就是最后要求的总熵产。例4-2某换热设备由热空气加热凉水（图4-5），已知空气流参数为：图4-5，，水流的参数为，，每小时需供应2t热水。试求：(1)热空气的流量；(2)由于不等温传热和流动阻力造成的熵产。不考虑散热损失；空气和水都按定比热容计算。空气的比定压热容cp=1.005kJ/（kg·K）；水的比定压热容cp¢=4.187kJ/（kg·K）。[编题意图]这是典型的在没有散热损失条件下，热平衡和熵产计算问题。重点是检测和练习冷热流体间壁式（非混合）不等温传热和流动阻力造成的熵产的分析计算能力。[解题思路]首先根据热空气与凉水间换热的热平衡方法求出热空气的质量流量，然后再求出由于热空气与凉水之间不等温传热和热空气与凉水的流动阻力造成的熵产。[求解步骤](1)换热设备中进行的是不作技术功的稳定流动过程。根据式（3-132），单位时间内热空气放出的热量水吸收的热量没有散热损失，因此二者应该相等：所以热空气的流量为-74- (2)该换热设备为一稳定流动的开口系。该开口系与外界无热量交换（热交换发生在开口系内部），其内部传热和流动阻力造成的熵产可根据式（4-18）计算：[讨论]从略例4-3将500kg温度为20℃的水用电热器加热到60℃。求这一不可逆过程造成的功损和可用能的损失。不考虑散热损失。周围大气温度为20℃,水的比定压热容为4.187kJ/(kg·K)。[编题意图]主要是为了检测功损和可用能的损失（即火用损）两个概念之间的区别与计算方法。[解题思路]功损是摩擦造成的，它转化为热产，可由温差乘以比热求得，而可用能的损失是由孤立系的熵增亦即熵产造成的，它可以环境温度乘以孤立系熵增（熵产）求得。图4-18[求解步骤]在这里，功损即消耗的电能，它等于水吸收的热量，如图4-18中面积12451所示。整个系统（孤立系）的熵增为可用能损失如图中面积13451所示，即-74- ，可用能的损失小于功损。图中面积1231即表示这二者之差。这一差值也就是500kg、60℃的水（对20℃的环境而言）的可用能。[讨论]功损和可用能的不可逆损失是不同的概念。功损来自摩擦生成的热产，可用能的不可逆损失来自物体的内摩擦和物体间的不等温传热，即便它们都是来自摩擦，二者的数值也不完全相等。如本例题结果所示。功损可以表示为，而可用能不可逆损失可以表示为。即使相同，WL也不一定等于EL，这取决于Tm，当时，；当时，；当时，，本例题就属于后面这种情况。可用能不可逆损失是真正的损失，而在本例中的功损不完全是最终的损失，其中还有部分可用能。例4-4压力为1.2MPa、温度为320K的压缩空气从压气机站输出。由于管道、阀门的阻力和散热，到车间时压力降为0.8MPa，温度降为298K。压缩空气的流量为0.5kg/s。求每小时损失的可用能（按定比热容理想气体计算，大气温度为20℃，压力为0.1MPa）。[编题意图]检测和练习流动工质可用能损失的概念和计算方法。[解题思路]可用能的不可逆损失或称为火用损，一般可以用公式计算，而对不做技术功的流动过程而言，。也可以用孤立系熵增与大气温度乘积求出，即用来计算，本例题中给出两种计算方法。[求解步骤]对于管道、阀门，技术功Wt=0。根据式（4-36）可知输送过程中的不可逆损失等于管道两端的火用差（火用降）：也可以根据式（4-37）由孤立系的熵增与大气温度的乘积来计算此不可逆火用损。每小时由压缩空气放出的热量等于大气吸收的热量：-74- 所以[讨论]从略例4-5同例4-2。求该换热设备损失的可用能（已知大气温度为20℃）。若不用热空气而用电炉加热水，则损失的可用能为若干?[编题意图]通过具体算例来验证用电加热水造成的可用能损失是用热空气加热水的数倍（3倍多），告诫读者用电加热器获得热量会造成很大的能质损失，虽然方便但是不符合节能原则，因该尽可能避免采用这种获得热量的方式，这也是为了热力学第二定律后应该掌握的节能原则。[求解步骤]可以将该换热设备取作一孤立系，如图4-19所示。该孤立系的熵增等于熵产[式（4-16）]，它与例4-2中按开口系计算所得的熵产相同。所以，根据式（4-37）可知该换热设备的可用能损失为若不用热空气而用电炉加热水，则该孤立系的熵增即为水的熵增。这时的可用能损失为用电加热水造成的可用能损失是用空气加热水时的3倍多。可见由电热器获得热量是不符合节能原则的。[讨论]从略思考题-74- 1.自发过程是不可逆过程，非自发过程是可逆过程，这样说对吗？答：这样说不对，诚然自发过程是不可逆过程，但非自发过程却并非是可逆过程，而是不可能自发进行的过程。2.热力学第二定律能不能说成“机械能可以全部转变为热能，而热能不能全部转变为机械能”？为什么？答：不能这样说。机械能固然能无条件地变成热能，而热能也能在一定条件下全部变成机械能。如理想气体进行的等温膨胀过程，就是把所吸收的热全部变成膨胀功了。但这时气体状态发生了变化，比容变大了——这就是条件。3.与大气温度相同的压缩气体可以从大气中吸热而膨胀作功（依靠单一热源作功）。这是否违背热力学第二定律？答：这并不违背热力学第二定律，开尔文－普朗克的说法是：不能制造出从单一热源吸热而使它全部转变为功的循环发动机。而压缩气体膨胀做功并非是循环发动机，气体工质膨胀后，并不回到原状态而完成闭合循环。在这里热能转变为机械能是以气体膨胀为必要的补充条件。4.闭口系进行一个过程后，如果熵增加了，是否能肯定它从外界吸收了热量？如果熵减少了，是否能肯定它向外界放出了热量？答：从闭口系的熵方程可知，如果,那也不能断定，因而不能肯定闭合系从外界吸收了热量。当，甚至（放热）但只要负熵流的绝对值小于熵产，闭口系的熵还是增加了的。如气体的不可逆绝热压缩就属于既增熵又绝热的过程。反过来，当闭口系的熵减小时，能肯定它向外放出了热量。因为那，而，所以必须，才能保证，故此时可以肯定闭系外向散热。5.指出循环热效率公式和各自适用的范围(和是指冷源和热源的温度)答：第一个公式适用于任何工质进行的任意循环；第二个公式适用于任何工质进行的可逆卡诺循环或可逆的回热卡诺循环6.下列说法有无错误？如有错误，指出错在哪里：(1)工质进行不可逆循环后其熵必定增加；(2)使热力系熵增加的过程必为不可逆过程；(3)工质从状态1到状态2进行了一个可逆吸热过程和一个不可逆吸热过程。后者的熵增必定大于前者的熵增。答：(1)这种说法有错误。因为熵是状态函数，工质在实完成了一个循环后回到原状态其熵不变，不管循环是否可逆。-74- (2)这种说法有错误。因为闭口系增熵的原因有两个，即吸热和不可逆损失（对开口系则还应该增加流入质量这个因素）。所以使热力系熵增的过程未必都是不可逆过程，如等温吸热过程是增熵过程，同时又可能是可逆过程。可见增熵未必不可逆，不可逆也未必增熵。(3)这种说法有错误。熵只是状态参数，只取决于状态，而与如何达到这一状态无关。当工质的初始和终结态1和2指定以后，不管中间进行的过程特性如何，熵的变化（）也就完全确定了。因此，在这种条件下不能说不可逆过程的熵增大于可逆过程的熵增。7.既然能量是守恒的，那还有什么能量损失呢？答：热力学第一定律告诉我们能量在转移和转换过程中，能量数量是守恒不变的，但是由于在能量转移和转换的实际过程中不可避免地存在各种不可逆因素，如相对运动的物体之间的摩擦以及传热过程中的温差，等等，这些不可逆因素总会造成能量转移和转换后能量品位的降低和做功能力的减少，而这种降低或减少不是能量数量上的而是能量质量上的，即由可用能变成废热的不可逆损失，这就是热力学第二定律所揭示的另外一种意义上的能量损失。习题4-1设有一卡诺热机，工作在温度为1200K和300K的两个恒温热源之间。试问热机每作出1kW·h功需从热源吸取多少热量？向冷源放出多少热量？热机的热效率为若干？[编题意图]通过习题4-1，习题4-2和习题4-3三个题具体算例验证卡诺定理看出，无论采用什么工质（4-1采用任意介质，4-2采用空气介质，4-3采用氩气介质）、无论采用怎样的循环（4-1和4-2种是无回热卡诺循环，4-3中是有回热卡诺循环），当热源温度(T1=1200K)和冷源温度（T2=300K）取定不变时，三个卡诺循环有相同的确定不变的循环热效率（75%）。这样编选这三个习题的目的之一；目的之二是通过习题4-3证明，如果不采用回热方式，过程41所吸收的热量由热源供给，过程23所放出的热量由冷源放出，由于这种不等温供热过程必然引起整个孤立系的熵增，从而导致循环热效率的下降。[求解步骤]卡诺热机的热效率可由(4-20)式求得：再由式(4-21)式得热机从热源吸收热量向冷源放出热量【讨论】从略-74- 4-2以空气为工质，在习题4-1所给的温度范围内进行卡诺循环。已知空气在定温吸热过程中压力由8MPa降为2MPa。试计算各过程的功和热量及循环的热效率（按定比热容理想气体计算）。解：空气按理想气体处理。所进行的卡诺循环如右图所示（以为1kg工质空气）12定温吸热过程由(3-83)式可得23等熵膨胀过程34定温压缩过程所以41定熵压缩过程因而卡诺循环热效率可见卡诺循环热效率与(4-1)题结果一样4-3以氩气为工质，在温度为1200K和300K的两个恒温热源之间进行回热卡诺循环(图4-20)。已知p1=p4=1.5MPa；p2=p3=0.1MPa，试计算各过程的功、热量及循环的热效率。-74- 图4-20如果不采用回热器，过程4→1由热源供热，过程2→3向冷源排热。这时循环的热效率为若干?由于不等温传热而引起的整个孤立系（包括热源、冷源和热机）的熵增为若干（按定比热容理想气体计算）?解：查附表1，得Ar，，12定温吸热膨胀过程：23定压放热过程34等温放热压缩过程41定压吸热过程回热卡诺循环热效率-74- 【讨论】从略4-4两台卡诺热机串联工作。A热机工作在700℃和t之间；B热机吸收A热机的排热，工作在t和20℃之间。试计算在下述情况下的t值：(1)两热机输出的功相同；(2)两热机的热效率相同。[解题思路提示]先写出两热机(1)如图中所示，已知又因为即，因为所以经整理可得(2)又因为-74- 所以即所以答案：(1)360(2)260.974-5以T1、T2为变量，导出图4-21a、b所示二循环的热效率的比值，并求T1无限趋大时此值的极限。若热源温度T1=1000K，冷源温度T2=300K，则循环热效率各为若干?热源每供应100kJ热量，图b所示循环比卡诺循环少作多少功？冷源的熵多增加若干？整个孤立系（包括热源、冷源和热机）的熵增加多少？图4-21[解](1)令，(2)-74- 4-6试证明：在压容图中任何两条定熵线（可逆绝热过程曲线）不能相交；若相交，则违反热力学第二定律。采用反证法来证明，如右图所示若两条定熵线ab、cb交于b点，再做一定温线ca，则abca构成一循环。为从热源吸收的热量，为向冷源放出的热量。因为cb为绝热过程，所以，则循环热效率由于这样就违反了热力学第二定律，变成从单一热源吸收全部变成功了。引出这个错误结论的原因是定熵线相交了，因而可证明在压容图中，两条定熵线是不能相交了。4-73kg空气，温度为20℃，压力为1MPa，向真空作绝热自由膨胀，容积增加了4倍（增为原来的5倍）。求膨胀后的温度、压力及熵增（按定比热容理想气体计算）。[解]由热力学第一定律可知，因为是绝热自由膨胀所以（绝热）（自由膨胀不作功）所以得到，空气可当理想气体处理，所以，可见向真空自由膨胀后空气的温度未变，，则有所以，膨胀后的压力为膨胀后的温度为膨胀后的熵增量-74- 1.3862(代替上数)4-8空气在活塞气缸中作绝热膨胀（有内摩擦），体积增加了2倍，温度由400K降为280K。求每千克空气比无摩擦而体积同样增加2倍的情况少作的膨胀功以及由于摩擦引起的熵增，并将这两个过程（有摩擦和无摩擦的绝热膨胀过程）定性地表示在压容图和温熵图中（按空气热力性质表计算）。[解]由附表5查时，时，所以，有内摩擦时的绝热膨胀功为而无内摩擦时绝热膨胀功即为等熵膨胀功（按定比理想气体计算）每kg空气有内摩擦得绝热膨胀功比等熵膨胀功少作功为：由内摩擦引起的熵增在计算等熵膨胀功时，如果不采用定比热理想气体时，则亦可利用空气性质表计算如下：对等熵（膨胀）过程，则有反查附表5得，由此查表-74- 所以，因而：在这里可以认为按空气热力性质表计算的比按定比理想气体计算得要准确些。有内摩擦得绝热膨胀过程与内摩擦得绝热膨胀过程（等熵过程）在P-V和T-S图中的定性表示如下：4-9将3kg温度为0℃的冰，投入盛有20kg温度为50℃的水的绝热容器中。求最后达到热平衡时的温度及整个绝热系的熵增。已知水的比热容为4.187kJ/（kg·K），冰的融解热为333.5kJ/kg（不考虑体积变化）。[解]由题已知条件为冰的质量；冰的温度；冰的熔解热水的质量；水的温度水的比热第一步：需要求出3kg温度为的溶解为的水所需要的溶解热因为是绝热闭口系，所以所需的溶解热由20kg,的水供给，所以这时热水由于传给冰热量使它融化而本身温度下降为由热量平衡可得：所以第二步：3kg的凉水和20kg,的热水混合时，达到热平衡时设温度为，则电热量平衡方程可得：所以第三步：求整个绝热系的熵增：1）冰融化时由于不等温传热引起的熵增-74- 2)3kg的水与20kg的水混合时由不等温传热引起的熵增所以，4-10有二物体质量相同，均为m；比热容相同，均为cp（比热容为定值，不随温度变化）。A物体初温为TA，B物体初温为TB（TA>TB）。用它们作为热源和冷源，使可逆热机工作于其间，直至二物体温度相等为止。试证明：(1)二物体最后达到的平衡温度为(2)可逆热机作出的总功为(3)如果抽掉可逆热机，使二物体直接接触，直至温度相等。这时二物体的熵增为[证明](1)可由计算熵增办法证明。将热源、冷源和热机考虑为一个孤立系，因整个过程是可逆的，因此即所以(2)可逆热机作出的的总功即-74- (3)抽掉A,B间的热机后，则即所以热源熵增冷源熵增整个孤立系熵增：若采用定比热理想气体为工质，可逆热机的循环定性表示如下：4-11求质量为2kg、温度为300℃的铅块具有的可用能。如果让它在空气中冷却到100℃，则其可用能损失了多少？如果将这300℃的铅块投入5kg温度为50℃的水中，则可用能的损失又是多少？铅的比热容cp=0.13kJ/(kg·K)；空气（环境）温度为20℃。[解]可用能就是在给定条件下变化到环境温度时的最大有功，考虑铅块放热时温度下降，属于变温有限热源的做功问题，于是有可用能计算公式为-74- 所以则将300℃的2kg铅块投入5kg温度为50℃的水中后，依热平衡方程可求出平衡温度为于是则4-12压力为0.4MPa、温度为20℃的压缩空气，在膨胀机中绝热膨胀到0.1MPa，温度降为-56℃，然后通往冷库。已知空气流量为1200kg/h，环境温度为20℃，压力为0.1MPa，试求：(1)流进和流出膨胀机的空气的比；(2)膨胀机的功率；(3)膨胀机中的不可逆损失。第五章气体的流动和压缩思考题1.既然对有摩擦和无摩擦的绝热流动都适用，那么摩擦损失表现在哪里呢?答：对相同的压降（）来说，有摩擦时有一部分动能变成热能，又被工质吸收了，使h增大，从而使焓降()减少了，流速C也降低了（动能损失）。对相同的焓降()而言，有摩擦时，由于动能损失（变成热能），要达到相同的焓降或相同的流速C，就需要进步膨胀降压，因此，最后的压力必然降低（压力损失）。2.为什么渐放形管道也能使气流加速?渐放形管道也能使液流加速吗?答：渐放形管道能使气流加速—是对于流速较高的超音速气流而言的，由可知，当时，若，则必-74- ，即气体必为超音速气流。超音速气流膨胀时由于（V--A）而液体，故有，对于渐放形管有，则必，这就是说，渐放形管道不能使液体加速。3.在亚音速和超音速气流中，图5-15所示的三种形状的管道适宜作喷管还是适宜作扩压管?(c)(b)(a)图5-15答：可用方程来分析判断a)时当时，必，适宜作喷管当时，必，适宜作扩压管b)时当时，必，适宜作扩压管当时，必，适宜作喷管c)当入口处时，在段；在喉部达到音速，继而在段成为超音速气流，故宜作喷管（拉伐尔喷管）当入口处时，在段，；在喉部降到音速，继而在成为亚音速气流，故宜作扩压管（缩放形扩压管）。4.有一渐缩喷管，进口前的滞止参数不变，背压（即喷管出口外面的压力）由等于滞止压力逐渐下降到极低压力。问该喷管的出口压力、出口流速和喷管的流量将如何变化?答：如右图所示分三种情况来分析1)当背压时，随流速，流量，2)当背压时，，流速，流量3)当背压时，，，5.有一渐缩喷管和一缩放喷管，最小截面积相同，一同工作在相同的滞止参数和极低的背压之间（图5-16）。试问它们的出口压力、出口流速、流量是否相同?如果将它们截去一段（图中虚线所示的右边一段），那么它们的出口压力、出口流速和流量将如何变化?(a)(b)-74- 图5-16答：1）（a)、（b)两喷管在截去一段之前有如下结果：（a)是渐缩喷管，出口只能达到临界状态，其出口处于临界状况即有，，（b)是缩放喷管，可以得到超音速流动，其出口必处于超音速状态，有，，（∵相同的喉部面积和参数）2）（a)、（b)两喷管在图中所示位置各截去一段后：（a)截后仍是渐缩喷管，，，（因为出口面积增大了）（b)截后仍是缩放喷管，，（因为喉部面积和参数未变）习题5-1用管道输送天然气（甲烷）。已知管道内天然气的压力为4.5MPa，温度为295K、流速为30m/s，管道直径为0.5m。问每小时能输送天然气多少标准立方米?[解]：或5-2温度为750℃、流速为550m/s的空气流，以及温度为20℃、流速为380m/s的空气流，是亚音速气流还是超音速气流?它们的马赫数各为若干?已知空气在750℃时g0=1.335；在20℃时g0=1.400。[解]：依音速公式(5-9)可得：因而是亚音速气流因而是超音速气流-74- 5-3已测得喷管某一截面空气的压力为0.3MPa、温度为700K、流速为600m/s。视空气为定比热容理想气体，试按定比热容和变比热容（查表）两种方法求滞止温度和滞止压力。能否推知该测量截面在喷管的什么部位?[解]：1)按定比热容计算，空气可认为是理想气体,由(5-24)式和(5-25)式可得：2)按变比热容查表计算a)按平均比热计算，由700K查附表3b)按比热经验公式计算，由附表2查得空气经验公式为要判断所测截面位置必先判断其流速是否超音速所以属于超音速流动，所用喷管必为缩放形喷管，可以为所测截面一定是喉部截面之后。(∵在喉部截面之前不能超音速)5-4压缩空气在输气管中的压力为0.6MPa、温度为25℃，流速很小。经一出口截面积为300mm2的渐缩喷管后压力降为0.45MPa。求喷管出口流速及喷管流量(按定比热容理想气体计算，不考虑摩擦,以下各题均如此)。-74- [解]：喷管流速可由(5-17)式求得：由连续方程可知，要求，必先求对理想气体：等熵流动：所以也可以如下求得：对等熵流动：所以同样可得：5-5同习题5-4。若渐缩喷管的背压为0.1MPa，则喷管流量及出口流速为若干?[解]：因为此时已达临界状态所以此时的流量为临界流量可由(5-22)式求得：【（去掉1）】或由计算-74- 所以5-6空气进入渐缩喷管时的初速为200m/s，初压为1MPa，初温为400℃。求该喷管达到最大流量时出口截面的流速、压力和温度。[解]：喷管为渐缩形，故达到最大流量是应为临界状态，故有5-7试设计一喷管，工质是空气。已知流量为3kg/s，进口截面上的压力为1MPa、温度为500K、流速为250m/s，出口压力为0.1MPa。[解]:，,故应选缩放形喷管。为此先求进口滞止参数。因为进口流速临界流速出口流速-74- 喉部截面出口截面喷管截面设计成圆形，因此喉部直径为，出口截面直径为取渐放段锐角，则渐放段长度为渐缩段较短，从较大的进口直径光滑地过渡到喉部直径即可。5-8一渐缩喷管，出口流速为350m/s，工质为空气。已知滞止温度为300℃（滞止参数不变）。试问这时是否达到最大流量?如果没有达到，它目前的流量是最大流量的百分之几?[解]：空气按定比热容理想气体处理：最大流量-74- 由得，没达到此时流量所以5-9欲使压力为0.1MPa、温度为300K的空气流经扩压管后压力提高到0.2MPa，空气的初速至少应为若干?[解]：如右图所示，需先求出出口温度（认为无摩擦，绝热流动）假若认为C2=0(滞止)，则得：所以5-10有两台单级活塞式压气机，每台每小时均能生产压力为0.6MPa的压缩空气2500kg。进气参数都是0.1MPa、20℃。其中一台用水套冷却气缸，压缩过程的多变指数n=1.3；另一台没有水套冷却，压缩过程的指数。试求两台压气机理论上消耗的功率各为若干?如果能做到定温压缩，则理论上消耗的功率将是多少?[解]：三种情况压缩1kg空气所需理论耗功为：-74- 三者理论上消耗的功率分别为：由计算结果可见，等温压缩耗功最少，多变压缩耗功次之，定熵压缩耗功最多。5-11单级活塞式压气机，余隙比为0.06，空气进入气缸时的温度为32℃，压力为0.1MPa，压缩过程的多变指数为1.25。试求压缩气体能达到的极限压力（图5-10中p2²）及达到该压力时的温度。当压气机的出口压力分别为0.5MPa和1MPa时，其容积效率及压缩终了时气体的温度各为若干?如果将余隙比降为0.03，则上面所要求计算的各项将是多少?将计算结果列成表格，以便对照比较。[解]：1)余隙比为0.06时，由式(5-37)式，当，，代入上式，解出，时，时，时，时，2）余隙比为0.03时时，-74- 时，计算结果列简表如下：项目极限极限0.0636.22625.610.84260.6814421.02483.630.0383.11738.660.92130.8407421.02483.63可见：(1)当n不变时，极限和极限随而(2)当n不变时，时，(3)当n不变时，时，(4)当n不变时，时，5-12离心式空气压缩机，流量为3.5kg/s，进口压力为0.1MPa、温度为20℃，出口压力为0.3MPa。试求压气机消耗的理论功率和实际功率。已知压气机的绝热效率[解]：理论耗功率实际耗功率第六章气体动力循环例题例6-1试计算活塞式内燃机定压加热循环各特性点（图6-10中状态1、2、4、5）的温度、压力、比体积以及循环的功、放出的热量和循环热效率。已知p1=0.1MPa、t1=50℃、ee=16、q1=1000kJ/kg。工质为空气，按定比热容理想气体计算。-74- 解对空气，查附表1得，，状态1：状态2：状态4：状态5：放出的热量：循环的功：循环热效率：-74- 或例6-2已知某燃气轮机装置中压气机的绝热效率和燃气轮机的相对内效率均为0.85，升温比为3.8。试求增压比为4、6、8、10、12、14、16时燃气轮机装置的绝对内效率，并画出它随增压比变化的曲线（按定比热容理想气体计算，取gk0=1.4）。解根据题中所给条件，压气机的绝热效率为（参看图6-24）：燃气轮机的相对内效率为燃气轮机装置的绝对内效率为式中所以令，则可计算出燃气轮机装置在不同增压比下的绝对内效率如下表所示：-74- 468101214160.2170.2520.2670.2710.2690.2620.251燃气轮机装置绝对内效率随增压比变化的曲线如图6-25所示。当pe»10时，hi有最大值。所以，在本题所给的条件下，最佳增压比Eopt»10，最高绝对内效率hJi,max»0.271。思考题1.内燃机循环从状态f到状态g（参看图6-1）实际上是排气过程而不是定容冷却过程。试在p-v图和T-s图中将这一过程进行时气缸中气体的实际状态变化情况表示出来。答：f到g是一排气过程，这是排气阀门打开，气缸中的气体由于压力高于大气压力而迅速膨胀，大部分气体很快排出气缸。气体的这一快速膨胀过程接近于绝热膨胀过程，如不考虑摩擦则为定熵过程（下图中过程1-2），如考虑膨胀时的内部摩擦，则气缸中气体的比熵略有增加（下图中过程1-2’）。2.活塞式内燃机循环中，如果绝热膨胀过程不是在状态5结束(图6-26)，而是继续膨胀到状态6(p6=p1),那么循环的热效率是否会提高？试用温熵图加以分析。答：按图2-26’所示的循环，其热效率为可见，如果继续膨胀到状态b时，循环的热效率比原来膨胀5要高一些。图6-26’-74- 3.试证明：对于燃气轮机装置的定压加热循环和活塞式内燃机的定容加热循环，如果燃烧前气体被压缩的程度相同，那么它们将具有相同的理论热效率。[证明]燃气轮机装置的定压加热循环表示在T-S图中如图a)所示活塞式内燃机的定容加热循环表示在T-S图b)(a)(b)燃气轮机定压加热循环理论热效率可由(6-13)式求得a)内燃机定容加热循环理论热效率可由(6-5)式求得b)因为，而对空气等熵压缩过程来说，将它代入(b),因而4.在燃气轮机装置的循环中，如果空气的压缩过程采用定温压缩（而不是定熵压缩），那么压气过程消耗的功就可以减少，因而能增加循环的净功（w0）。在不采用回热的情况下，这种定温压缩的循环比起定熵压缩的循环来，热效率是提高了还是降低了？为什么？答：采用定温压缩是可以增加循环的净功（w0-74- ）（因为压气机耗功少了）但是如果不同时采用回热的话，将会使循环吸热量增加（），这是因为定温压缩终了的空气温度低，因而要把压缩终了的空气的温度加热到指定的温度话，定温压缩后的吸热量要比定熵压缩后的吸热量多。由T-S图可以看出，采用定温压缩后，相当于在原定压缩循环的基础上增加了一个循环，而该附加的循环的热效率低于原循环的热效率，所以采用定温压缩后，如无回热反而会降低燃气轮机装置循环的理论热效率。习题6-1已知活塞式内燃机定容加热循环的进气参数为p1=0.1MPa、t1=50℃，压缩比，加入的热量q1=750kJ/kg。试求循环的最高温度、最高压力、压升比、循环的净功和理论热效率。认为工质是空气并按定比热容理想气体计算。[解]活塞式内燃机定容加热循环的图示见a)、b)图示(b)(a)，理论热效率由(6-5)式得：循环净功最高温度须先求出，因过程是等熵过程，由(3-89)式得因为所以最高压力须先求出和过程是定容过程，因此即所以则-74- 6-2同习题6-1，但将压缩比提高到8。试计算循环的平均吸热温度、平均放热温度和理论热效率。[解]如右图所示因过程是等熵过程，是定容过程平均吸热温度平均吸热温度所以先将两结果进行比较可知当由提高了33%则，则。可见提高空气压缩比可以提高循环的平均吸热温度，降低循环的平均放热温度，因而可以提高循环的热效率。-74- 6-3活塞式内燃机的混合加热循环，已知其进气压力为0.1MPa，进气温度为300K，压缩比为16，最高压力为6.8MPa，最高温度为1980K。求加入每千克工质的热量、压升比、预胀比、循环的净功和理论热效率。认为工质是空气并按定比热容理想气体计算。[解]如右两图，已知，1)压升比：因过程是等熵过程，因是定容过程所以2)预涨比因是定压过程3)4)由(6-4)式可循环热效率5)6-4按定压加热循环工作的柴油机，已知其压缩比，预胀比，工质的定熵指数。求理论循环的热效率。如果预胀比变为2.4（其它条件不变），这时循环的热效率将是多少？功率比原来增加了百分之几？[解]如右图所示，时，由(6-6)式可得：-74- ，时，由(6-6)式可得：可见在其它条件不变的条件下，欲涨比ρ↑20%而循环热效率ηtp↓3.5%同样可见，提高予涨比（其它条件不变）虽然会循环热效率降低，但却能（提高）增加循环净功。6-5某燃气轮机装置，已知其流量qm=8kg/s、增压比、升温比，大气温度为295K。试求理论上输出的净功率及循环的理论热效率。认为工质是空气并按定比热容理想气体计算。[解]，燃气轮机膨胀功压气机压缩耗功理论循环净功率理论循环热效率（按题解72页修改）*6-6同习题6-6。若压气机的绝热效率h=0.86，燃气轮机的相对内效率hri=0.88（参看例6-2及图6-24），则实际输出的净功率及循环的绝对内效率为多少？按空气热力性质表计算。[解]由(6-6)可知；-74- ；所以：实际输出净功率循环的绝对内效率6-7已知某燃气轮机装置的增压比为9、升温比为4，大气温度为295K。如果采用回热循环，则其理论热效率比不回热循环增加多少？认为工质是空气并按定比热容理想气体计算。[解]如右图所示a)不回热循环，热效率由(6-13)式得：b)回热循环，热效率由(6-14)式得：回热比不回热循环热效率提高为：第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环思考题1.理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。-74- [答]：以500℃的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar、30bar、100bar及300bar时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据计算它们的热力学能，计算结果列于表中：t[oC]P[bar]v[m3/kg]h[kJ/kg]u[(kJ/kg)]50013.5653487.93131.4300.11613456.43108.41000.032773374.13046.43000.0086793083.92823.5由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。2.根据式(3-31)可知：在定压过程中dh=cpdT。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得dh=cpdT=0（因为水定压汽化时温度不变，dT=0）。然而众所周知,水在汽化时焓是增加的(dh>0)。问题到底出在哪里?[答]：的确，dh=cpdT可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的亦即为，而。此时＝不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。3.物质的临界状态究竟是怎样一种状态？[答]：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。4.各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗？[答]：并不矛盾，虽然经过理想化的各种循环都可以按可逆循环计算，但甚至在相同的温度范围内（指循环最高温度和最低温度之间）也不一定具有相同的热效率。原因是吸热过程和防热过程并不都是在最高温度和最低温度下进行的，因而可能具有不同的平均吸热温度和平均放热温度。所以循环热效率也可以不同。卡诺定理则是专对在最高温度下吸热和在最低温度下放热的可逆循环（包括卡诺循环和回热卡诺循环）而言的。-74- 5.能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热（这样就可以取消凝汽器，Q2=0），从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放出热量Q2，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，提高热效率？[答]：不能在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来，用于回热。因为锅炉给水吸收不了这么大的回热量，回热的抽气量是由热平衡方程确定的，通常只占汽轮机中蒸汽流量的小部分，也不能将乏汽直接压入锅炉，由于不可逆性的存在，如果这样做，所需的压缩功将超过蒸汽在汽轮机中膨胀作出功，整个装置不仅无动力输出，反而消耗动力，因而不可能起到节能和提高热效率的作用。习题7-1利用水蒸气的焓熵图填充下列空白：状态p/MPat/oCh/(kJ/kg)s/[kJ/(kg×K)]干度x/%过热度D/oC1550034346.975——23520.3133.525506.56591.9——31.018025246.086.7——40.014723457.40590——5440032126.77——1507-2已知下列各状态：（1）p=3MPa，t=300℃；（2）p=5MPa，t=155℃；（3）p=0.3MPa，x=0.92。试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、焓、熵和热力学能。[解](1)；；(2)；；(3)由，查饱和水蒸气表（附表7）得：，；；；所以-74- 7-3试利用计算机，通过对式（7-2）的计算，列出一个从三相点到临界点饱和蒸汽压随温度变化的关系表（从0℃开始，温度间隔取10℃），并与附表6中的数据对照。[答案]:从略7-4某锅炉每小时生产10t水蒸气，其压力为1MPa，温度为350℃。锅炉给水温度为40℃，压力为1.6MPa。已知锅炉效率为煤的发热量Hv=29000kJ/kg。求每小时的耗煤量。[解]：由，，查未饱和水（附表8），得由，，查过热蒸气（附表8），得所以煤发热由热量平衡，可得7-5过热水蒸气的参数为：p1=13MPa、t1=550℃。在蒸汽轮机中定熵膨胀到p2=0.005MPa。蒸汽流量为每小时130t。求蒸汽轮机的理论功率和出口处乏汽的湿度。若蒸汽轮机的相对内效率，求蒸汽轮机的功率和出口处乏汽的湿度，并计算因不可逆膨胀造成蒸汽比熵的增加。[解]：查水蒸气的h-s表计算如下：由，，查附表（附表8），得；由，查饱和蒸气表（附表7）得2s点各参数为：；；；；；则所以-74- 理论功率实际功率为求2状态点的干度必先求出，可由相对内效率定义求得不可逆损失造成的蒸汽比熵增加为：所以7-6一台功率为200MW的蒸汽轮机，其耗汽率d=3.1kg/(kW×h)。乏汽压力为0.004MPa，干度为0.9，在凝汽器中全部凝结为饱和水（图7-27）。已知冷却水进入凝汽器时的温度为10℃，离开时的温度为18℃；水的比定压热容为4.187kJ/（kg×K），求冷却水流量。[解]先求每小时的蒸汽流量由，x=0.9附表7,得根据热量平衡方程即所以图7－27-74- 7-7已知朗肯循环的蒸汽初压p1=10MPa，终压p2=0.005MPa；初温为：（1）500℃、（2）550℃。试求循环的平均吸热温度、理论热效率和耗汽率[kg/（kW·h）]。[答案]（1）528.45K，42.09%，2.651kg/(kW.h)（2）542.75K，43.62%，2.483kg/(kW.h)7-8已知朗肯循环的初温t1=500℃，终压p2=0.005MPa。初压为：（1）10MPa、（2）15MPa。试求循环的平均吸热温度、理论热效率和乏汽湿度。[答案]（1）528.45K，42.09%，22.8%(2)538.35K，43.15%，25.9%*7-9某蒸汽动力装置采用再热循环。已知新汽参数为p1=14MPa、t1=550℃，再热蒸汽的压力为3MPa，再热后温度为550℃，乏汽压力为0.004MPa。试求它的理论热效率比不再热的朗肯循环高多少，并将再热循环表示在压容图和焓熵图中。[答案]2.17%4.68%*7-10某蒸汽动力装置采用二次抽汽回热。已知新汽参数为p1=14MPa、t1=550℃，第一次抽汽压力为2MPa，第二次抽汽压力为0.16MPa，乏汽压力为0.005MPa。试问：（1）它的理论热效率比不回热的朗肯循环高多少？（2）耗汽率比朗肯循环增加了多少？（3）为什么热效率提高了而耗汽率反而增加呢？[答案]（1）4.47％10.97％（2）0.43kg/(kW.h)17.27%(3)因为抽气凝结放出的热量加热给锅炉给水，使水在锅炉里吸热减少（低温吸热段没有了）从而提高了循环的平均吸热温度即，而不变所以热效率由两次抽汽使最后在汽轮机里膨胀做功的蒸汽量由原来1kg减少为，所以还要做出原来那么多功的话，虽然消耗的热量比原来少了，但是其蒸汽耗量却必然要增加。第八章制冷循环思考题-74- 1.利用制冷机产生低温，再利用低温物体做冷源以提高热机循环的热效率。这样做是否有利？[答]：这样做必定不利，因为虽然低温物体作冷源可以提高热及循环的热效率，多获得功，但是要造成这样的低温冷源，需要制冷机，需要耗功，由于不可逆性的存在，制冷机消耗的功必然大于热机多获得的功，因此，这样做是得不偿失的。2.如何理解空气压缩制冷循环采取回热措施后，不能提高理论制冷系数，却能提高实际制冷系数？[答]：参见图a，没有回热的循环为12341,有回热的循环为1r2r53r41r。采用回热循环后，在理论上制冷能力为q2（过程4→1的吸热量）以及循环消耗的净功和向外界派出的热与没有回热的循环相比，显然都没有变（Wor=Wo,q1r=q）所以理论制冷系数也没有变（εr=ε）。但是采用回热后，循环的增压比降低了，从而使压气机耗功和膨胀机做功减少了同一数量，这也减轻了压气机和膨胀机的工作负担，使它们在较小的压力范围内工作，因而机器可以设计得比较简单而轻小，另外，如果考虑到压气机和膨胀机的不可逆性（图b）那么采用回热压气机少消耗的功将不是等于而是大于膨胀机少作出功。因而制冷机实际消耗的净功将会减少。同时，每kg空气的制冷量也相应地有所增加（如b图中面积a所示）所以采用回热措施能提高空气压缩制冷循环的实际制冷系数，因而这种循环在深度制冷，液化气体等方面获得了实际应用。图a图b3.参看图8-13。如果蒸气压缩制冷装置按1"2"351"运行，就可以在不增加压气机耗功的情况下增加制冷剂在冷库中的吸热量(由原来的h1¢-h4¢增加为h1¢-h5)，从而可以提高制冷系数。这样考虑对吗？-74- [答]：不对。因为要实现定压冷却过程3→5，就需要一定的制冷量(h3—h5)，这冷量只能来自冷库，因而冷库的制冷量将减少，这减少量恰好等于由定压冷却过程取代节流过程带来的制冷量的增加：所以，这样做在理论上并无得益，而实际上不仅增加了设备的复杂性（由简单的节流阀变成较复杂的换热器）。还会由于换热器存在的损失而导致实际制冷系数的降低。习题8-1（1）设大气温度为30℃，冷库温度分别为0℃、-10℃、-20℃，求逆向卡诺循环的制冷系数。（2）设大气温度为-－10℃，供热温度分别为40℃、50℃、60℃，求逆向卡诺循环的供热系数。[解]：（1）逆向卡诺循环的制冷系数由(8-2)式得：可见，当T0一定时，TR愈低，愈小。(2)逆向卡诺循环的供热系数由(8-4)式得：-74- 可见，当T0一定时，TH愈高，愈小，且。8-2已知大气温度为25℃，冷库温度为-10℃，压气机增压比分别为2、3、4、5、6。试求空气压缩制冷循环的理论制冷系数。在所给的条件下，理论制冷系数最大可达多少（按定比热容理想气体计算）？[解]：空气压缩制冷循环的理论制冷系数可由(8-5)式求得：时，时，时，时，时，可见，当，8-3大气温度和冷库温度同习题8-2。压气机增压比为3，压气机绝热效率为82%，膨胀机相对内效率为84%，制冷量为。求压气机所需功率、整个制冷装置消耗的功率和制冷系数（按定比热容理想气体计算）。[解]：由例8-1可知，考虑了压气机和膨胀机不可逆损失的空气压缩制冷循环的实际制冷系数可由下式求得：每kg空气吸热量-74- 空气流量压气机所需功率膨胀机所做功率制冷循环消耗的功率8-4某氨蒸气压缩制冷装置（参看图8-10），已知冷凝器中氨的压力为1MPa，节流后压力降为0.2MPa，制冷量为，压气机绝热效率为80%。试求：（1）氨的流量；（2）压气机出口温度及所耗功率；（3）制冷系数；（4）冷却水流量[已知冷却水经过氨冷凝器后温度升高8K，水的比定压热容为4.187kJ/(kg×k)]。[解]：参考图8-10、8-11及8-12，由，查图得由沿等熵线向上与线交于点查得因为：则（查lgP-h图）(1)氨的流量：(2)压气机出口温度及耗功率：-74- ：由等焓线与等压线交点，查lgP-h图可得：(3)制冷系数理论：实际：(4)冷却水流量冷却水带走的热量应等于氨气放出的热量，即由热平衡方程得：可见所需冷却水量是相当大的。8-5习题8-4中的制冷装置在冬季改作热泵用。将氨在冷却器中的压力提高到1.6MPa，氨凝结时放出的热量用于取暖，节流后氨的压力为0.3MPa，压气机功率和效率同上题。试求：（1）氨的流量；（2）供热量（kJ/h）；（3）供热系数；（4）若用电炉直接取暖，则所需电功率为若干？[解]：由查附录图Ⅰ得：；；(1)氨的流量：可由压气机功率及效率反求出氨的流量(2)供热量(3)供热系数理论：实际：-74- (4)若用电炉直接取暖，则需耗电为34.70kW，而用热泵只需使用压气机功率为8.94Kw,比较可见，采用热泵所耗电能仅为电炉直接取暖所耗电能的四分之一，显然用热泵取暖是经济可行的。8-6以R134a为制冷剂的冰箱（蒸气压缩制冷），已知蒸发温度为250K，冷凝温度为300K，压缩机绝热效率为80%，每昼夜耗电1.5kW×h。试利用压焓图计算：（1）制冷系数；（2）每昼夜制冷量；（3）压缩机的增压比及出口温度。[解题思路提示]在压焓图上，查出冷凝温度和蒸发温度所对应的冷凝压力和蒸发压力，二者相比即为压缩机的增压比；在压焓图上画出此制冷循环过程图，查出冷凝压力下的饱和液体的焓值和蒸发压力下的饱和蒸汽的焓值，二者之差即为每千克制冷剂的制冷量，再找到压缩机实际出口状态点及其焓值与温度值；压缩机出口过热蒸汽焓值与蒸发压力下的饱和蒸汽的焓值之差就是压缩机实际耗功，制冷量与这个耗功相比即为制冷系数；每昼夜耗电与制冷系数相乘即为每昼夜制冷量。[答案]：（1）2.349（2）12680kJ(3)5.83,319K第九章湿空气性质和湿空气过程思考题1.湿空气和湿蒸汽、饱和空气和饱和蒸汽，它们有什么区别？[答]：湿空气与湿蒸汽的区别：湿空气指的是含有水蒸汽的空气，它是干空气（完全不含水蒸汽）与水蒸汽的混合物，湿空气中的水蒸汽通常处于过热状态。湿蒸汽是潮湿蒸汽的简称，它是饱和液体和饱和蒸汽的混合物，两相处于平衡状态，湿蒸汽处于饱和状态。饱和空气和饱和水蒸汽的区别：饱和空气是指湿空气中所含水蒸汽的分压力达到了当时温度所对应的饱和压力，不再具有吸湿能力，如果再加入水蒸汽，就会凝结出水珠来。饱和蒸汽则是指可以与同温同压的(饱和)液体平衡共存的蒸汽。2.当湿空气的温度低于和超过其压力所对应的饱和温度时，相对湿度的定义式有何相同和不同之处？[答]：不适用，这时应改为3.为什么浴室在夏天不像冬天那样雾气腾腾？-74- [答]：所谓雾气就是漂浮在空气中的小水珠。由于温度较高和通风情况较好，夏天浴室里的相对湿度比冬天的低，因而吸湿能力比冬天的强，不易形成雾状小水珠，所以不像冬天那样雾气腾腾。4.使湿空气冷却到露点温度以下可以达到去湿目的（见例9-4）。将湿空气压缩（温度不变）能否达到去湿目的？[答]：从焓湿图可见，湿空气定温压缩过程指向图的左下方，此时湿空气的含湿量、相对湿度和水蒸气的分压力都降低，故而可以达到去湿目的。习题9-1已测得湿空气的压力为0.1MPa，温度为30℃，露点温度为20℃。求相对湿度、水蒸气分压力、含湿量和焓。（1）按公式计算；（2）查焓湿图。[解]（1）按公式计算由，查附表6得：代入(9-8)式可得：由(9-7)式可得水蒸汽的分压力为：含湿量可由（9-14）式求得：水蒸汽的焓可由(9-16)式求得：(2)查H-d图（附录图Ⅲ）可得：，，，可见(1)、(2)两种方法求得参数是很吻合的。9-2已知湿空气的压力为0.1MPa，干球温度为35℃，湿球温度为25℃。试用式（9-19）和查焓湿图两种方法求湿空气的相对湿度。[答案]44.88％，45％9-3夏天空气的温度为35℃，相对湿度为60%，求通风良好的荫处的水温。已知大气压力为0.1MPa。[解]通风良好处荫处及相当于求湿球温度tw，可由查图求得。步骤如下：d1）由，，在H-d图上找到该状态点a.（右图所示）-74- 2)由a点沿等焓线向右下方引线与饱和空气线交于b点3)再从b点沿等温线向左引线与H线交于C点，则C点所指的温度即为所求的通风良好的荫处的水温，由图可查得9-4已知空气温度为20℃，相对湿度为60%。先将空气加热至50℃，然后送进干燥箱去干燥物品。空气流出干燥箱时的温度为30℃。试求空气在加热器中吸收的热量和从干燥箱中带走的水分。认为空气压力p=0.1MPa。[解]该问题属于加热去湿过程，整个过程详见右图所示先求空气在加热器中吸收的热量：该热量应等于空气经过加热器后的焓增，为此需求空气在进入加热器前后两状态焓值由，查附表图Ⅲ—H-d图可得：，。空气加热后温度升为，由1→2过程是等湿含量过程，从1点沿等d线向上引线交的等温线于2点，其焓值为：。于是空气在加热器中吸收热量：因为加湿和去湿过程是等焓过程，从2点沿的线往右下方引线与空气流出干燥箱的温度等温线交于3点，查出3点的d3值为所以可求空气从干燥箱中带走的水份：9-5夏天空气温度为30℃，相对湿度为85%。将其降温去湿后，每小时向车间输送温度为20℃、相对湿度为65%的空气10000kg。求空气在冷却器中放出的热量及冷却器出口的空气温度（参看例9-4）。认为空气压力p=0.1MPa。[答案]517MJ/h13.5℃；9-610℃的干空气和20℃的饱和空气按干空气质量对半混合，所得湿空气的含湿量和相对湿度各为若干？已知空气的压力在混合前后均为0.1MPa。[解]依题意可有：：，：（1），查H-d图（附录图Ⅲ）得：-74- ；；根据(9-23)式和(9-24)式可得：再由d3、H3，查H-d图可得：：可见，在此情况下，混合后所得湿空气的温度取二者均值，而相对湿度却高于两者的均值。若设;；：，得，若设;；：，得，以上计算表明：不同温度的干空气和饱和空气的对混合后，所得湿空气的温度等于二者的均值，而湿空气的相对湿度却高于均值。*9-7将压力为0.1MPa、温度为25℃、相对湿度为80%的湿空气压缩到0.2MPa，温度保持为25℃。问能除去多少水分？(利用附图5进行计算)[答案]：6.1g/kgDA-74-'