工程熱力學(xué)第三版電子教案第7章

1、第7章 水蒸汽71 本章基本要求6272 本章難點(diǎn)6273 例題6274 思考及練習(xí)題6675 自測(cè)題6961 / 1271 本章基本要求理解水蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，掌握水蒸汽狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算，學(xué)會(huì)查水蒸汽圖表和正確使用水蒸汽h-s圖。掌握水蒸汽熱力過(guò)程、功量、熱量和狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法。自學(xué)水蒸汽基本熱力過(guò)程(§7-4)。72 本章難點(diǎn)1水蒸汽是實(shí)際氣體，前面章節(jié)中適用于理想氣體的計(jì)算公式，對(duì)于水蒸汽不能適用，水蒸汽狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算，只能使用水蒸汽圖表和水蒸汽h-s圖。2理想氣體的內(nèi)能、焓只是溫度的函數(shù),而實(shí)際氣體的內(nèi)能、焓則和溫度及壓力都有關(guān)。3查水蒸汽h-s圖，要注意各熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)的單位

2、。73 例題例1：容積為0.6的密閉容器內(nèi)盛有壓力為3.6bar的干飽和蒸汽，問(wèn)蒸汽的質(zhì)量為多少，若對(duì)蒸汽進(jìn)行冷卻，當(dāng)壓力降低到2bar時(shí)，問(wèn)蒸汽的干度為多少，冷卻過(guò)程中由蒸汽向外傳出的熱量為多少解：查以壓力為序的飽和蒸汽表得：=3.6bar時(shí)，=0.51056 =2733.8kJ /kg蒸汽質(zhì)量 m=V/=1.1752kg查飽和蒸汽表得：=2bar時(shí)，=0.0010608 =0.88592 =504.7kJ /kg=2706.9kJ /kg在冷卻過(guò)程中，工質(zhì)的容積、質(zhì)量不變，故冷卻前干飽和蒸汽的比容等于冷卻后濕蒸汽的比容即： =或= 由于0.5763取蒸汽為閉系，由閉系能量方程 由于是定容放

3、熱過(guò)程，故 所以 而u=h-pv 故 其中：=1773.8kJ /kg則 kJ /kgQ=mq=1.1752(-878.3) =-1032.2kJ例2：=50bar 的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)絕熱膨脹至=0.04bar。設(shè)環(huán)境溫度求：（1）若過(guò)程是可逆的，1kg蒸汽所做的膨脹功及技術(shù)功各為多少。（2）若汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率為0.88時(shí)，其作功能力損失為多少解：用h-s圖確定初、終參數(shù)初態(tài)參數(shù)：=50bar 時(shí)，=3197kJ /kg =0.058=6.65kJ /kgK則=2907 kJ /kg6.65kJ /kgK終態(tài)參數(shù)：若不考慮損失，蒸汽做可逆絕熱膨脹，即沿定熵線膨脹至=0.04bar ，此過(guò)程在h

4、-s圖上用一垂直線表示，查得=2020 kJ /kg =0.058 =6.65kJ /kgK=1914 kJ /kg膨脹功及技術(shù)功：=2907-1914=993 kJ /kg=3197-2020=1177 kJ /kg2）由于損失存在，故該汽輪機(jī)實(shí)際完成功量為=0.881177=1036 kJ /kg此不可逆過(guò)程在h-s圖上用虛線表示，膨脹過(guò)程的終點(diǎn)狀態(tài)可以這樣推算，按題意，則=3197-1036=2161 kJ /kg這樣利用兩個(gè)參數(shù)=0.04bar和=2161 kJ /kg，即可確定實(shí)際過(guò)程終點(diǎn)的狀態(tài)，并在h-s圖上查得=7.12kJ /kgK，故不可逆過(guò)程熵產(chǎn)為=7.12-6.65=0.

5、47kJ /kgK作功能力損失因絕熱過(guò)程則例3：0.1kg水盛于一絕熱的剛性容器中，工質(zhì)的壓力的0.3Mpa，干度為0.763。一攪拌輪置于容器中，由外面馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，直到水全變?yōu)轱柡驼羝?。求：?）完成此過(guò)程所需的功；（2）水蒸汽最終的壓力和溫度。解：取容器內(nèi)的工質(zhì)為系統(tǒng)，攪拌輪攪拌工質(zhì)的功變?yōu)闊幔遣豢赡孢^(guò)程。（1）系統(tǒng)絕熱，q=0。系統(tǒng)的邊界為剛性，因而沒(méi)有容積變化功，可是由于攪拌輪攪拌，外界對(duì)系統(tǒng)作了功。由熱力學(xué)第一定律即外界消耗的功變了熱，工質(zhì)吸收熱內(nèi)能增加，因而只要計(jì)算初終態(tài)的內(nèi)能變化就可求得耗功量。對(duì)于初態(tài)，已知p1=0.3Mpa，x=0.763，于是因?yàn)槿萜魇莿傂缘?，終態(tài)和初態(tài)

6、比容相等，因而終態(tài)是v2=0.4643m3/kg的干飽和蒸汽。由飽和水與飽和蒸氣表可查得相應(yīng)于v2=0.4624時(shí)的壓力p2=0.4Mpa，溫度t2=143.62。由查得的終態(tài)參數(shù)可計(jì)算出終態(tài)的內(nèi)能u2=2253.6kJ/kg。所以，攪拌輪功為 圖7.1（2）終態(tài)如圖7.1所示，為v2=v1、x=1的干飽和蒸氣，p2=0.4Mpa，t2=143.62。例4：1kg水貯存于有負(fù)載的活塞-氣缸裝置中，壓力為3Mpa，溫度為240。定壓下對(duì)工質(zhì)慢慢加熱直至其溫度達(dá)320，求：（1）舉起負(fù)載活塞作多少功？（2）外界需加入多少熱量？解：取裝置中的工質(zhì)水為系統(tǒng)，由飽和水與飽和蒸氣表查得對(duì)應(yīng)于3Mpa的飽和

7、溫度為233.84?，F(xiàn)初態(tài)溫度高于此值，可知初態(tài)為剛高于飽和溫度的過(guò)熱蒸氣，故工質(zhì)在整個(gè)加熱過(guò)程均為過(guò)熱蒸氣。（1）在緩慢加熱的條件下，可認(rèn)為熱源與工質(zhì)溫差很小而視過(guò)程為可逆過(guò)程故比容值可由“未飽和水與過(guò)熱蒸汽表”查出，代入上式得（2）對(duì)可逆定壓加熱過(guò)程由過(guò)熱蒸氣表查得焓值后代入上式得若根據(jù)水蒸氣的h-s圖讀取v和h的數(shù)據(jù)亦可得到相近的結(jié)果。圖中數(shù)據(jù)連續(xù)，且可顯示過(guò)程，但所讀數(shù)據(jù)不如表中數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。74 思考及練習(xí)題1物質(zhì)的臨界狀態(tài)究竟是怎樣一種狀態(tài)?2水的定壓產(chǎn)生過(guò)程可分為哪幾個(gè)階段，經(jīng)歷哪幾種狀態(tài)，寫(xiě)出它們的名稱(chēng)。3對(duì)水蒸汽的熱力過(guò)程和理想氣體熱力過(guò)程 ，在分析方法上有何異同之處。4試用水蒸

8、汽的熱力性質(zhì)說(shuō)明冰刀滑冰的機(jī)理。5理想氣體的內(nèi)能是溫度的單值函數(shù)，而實(shí)際的內(nèi)能則與T、v有關(guān)，試計(jì)算任意兩個(gè)溫度相同而比容不同的狀態(tài)下蒸氣的內(nèi)能，從而驗(yàn)證上述結(jié)論。（取過(guò)熱蒸氣參數(shù)）。6飽和水蒸氣的焓值是否隨壓力和溫度的升高而不斷增大？過(guò)熱蒸氣的焓值呢？7壓力為3.5Mpa，溫度為420的過(guò)熱蒸氣，在汽輪機(jī)中定熵膨脹，如果乏汽恰好的干飽和蒸氣，則汽輪機(jī)的作功量及乏氣的溫度各為多少？并將該過(guò)程表示在hs圖上。圖7.281kg狀態(tài)為p1=1Mpa，t1=200的過(guò)熱蒸氣，在定壓下被加熱到300，試求加熱量，容積變化功及內(nèi)能變化。如果工質(zhì)為1kg空氣，結(jié)果又將如何？通過(guò)本例的計(jì)算，說(shuō)明對(duì)于水蒸氣和空

9、氣，在處理方法上有何異同之處。圖7.29利用蒸氣與冷水混合來(lái)制取開(kāi)水是常見(jiàn)的方法?，F(xiàn)將壓力為0.1MPa，干度為0.9濕蒸氣，與壓力為0.1MPa，溫度為20的自來(lái)水相混合，如果供應(yīng)4噸開(kāi)水，則需要蒸氣、水各為多少？混合過(guò)程的熵產(chǎn)是多少？10圖7.2表示一臺(tái)鍋爐的示意圖，每小時(shí)生產(chǎn)1MPa，240的過(guò)熱蒸氣15噸。已知給水溫度為20鍋爐效率為0.75，煤的值為29400kJ/kg，進(jìn)入過(guò)熱囂的濕蒸汽干度為0.95，試求：（1）耗煤量；（2）溫蒸氣在過(guò)熱器中的吸熱量。11一剛性容器被絕熱隔板分成A和B兩部分。已知A和B中的狀態(tài)分別為：mA=1kg，xA=1，pA=0.5MPa；mB=1kg，xB

10、=1，pB=0.5MPa抽去隔板后，容器內(nèi)的最終壓力為0.7MPa，若環(huán)境溫度為300K，求：（1）剛性容器的容積及蒸汽的最終狀態(tài)；（2）過(guò)程中交換的熱量；（3）過(guò)程中總的熵產(chǎn)。12一容器內(nèi)裝有1kg的濕蒸汽，其壓力ps=10bar，如果容器內(nèi)的飽和水與飽和蒸汽各自恰好占去容器容積的一半。求容器內(nèi)濕蒸汽的焓。13在容積V=6m3的容器中，有ts=150的飽和水與飽和蒸氣共存，其中飽和水占總?cè)莘e的1/3。求蒸汽的干度x。14在一內(nèi)徑為60cm、高為3m的圓柱形密閉容器中，充以壓力p1=80at的飽和水與飽和水蒸汽混合物，其中飽和水的液面高h(yuǎn)1=15cm。若使容器內(nèi)濕飽和蒸汽的壓力由于冷卻而降至p

11、2=40at，求此時(shí)飽和水液面的高度h2以及冷卻過(guò)程中所放出的熱量Q。15在壓力p=8bar下，對(duì)1kg的飽和液體加入711.76kJ的熱量，結(jié)果其內(nèi)能增加為628kJ。試求：（1）加熱后混合物的干度x=?（2）內(nèi)汽化潛熱和外汽化潛熱各為多少？某物質(zhì)的汽化潛熱為1130kJ/kg。16現(xiàn)有兩個(gè)容積相等、材質(zhì)相同的容器，它們的容積V=1m3，其中一個(gè)充滿了壓力為10bar飽和水，另一個(gè)裝有壓力為10bar的飽和干蒸汽。如果由于某種意外的原因發(fā)生爆炸，問(wèn)哪一個(gè)容器爆炸所引起的危害大些？提示：由于爆炸是在瞬間發(fā)生的，飽和水飽和蒸汽進(jìn)行絕熱膨脹其，壓力由10bar降至1bar，所以s1=s2，其危害性

12、可粗略按其絕熱膨脹所作功的大小來(lái)衡量。由第一定律可得：W=mu。計(jì)算結(jié)果飽和水容器爆炸的危害約為飽和汽容器產(chǎn)生危害的30倍。17把壓力為1bar的干飽和蒸氣10kg，在定壓下變?yōu)閠w=50的熱水，用其所放出的熱量來(lái)加熱空氣。問(wèn)在定壓加熱的情況下，這些熱量可將多少公斤的空氣由t1=50加熱至t2=100。18在壓力p=30bar，溫度t=500的過(guò)熱蒸汽中的加入tw=25的水，使其混合后溫度tm=400，問(wèn)對(duì)1kg蒸汽而言，需要加入多少公斤的水，設(shè)過(guò)熱蒸汽的平均比熱cpm=0.5399kcal/kg·。19有一廢熱鍋爐每小時(shí)可把200kg溫度為t1=10的水，變?yōu)閠2=100的干飽和蒸

13、氣。進(jìn)入鍋爐的煙氣溫度為tg1=600，排煙溫度為tg2=200，若鍋爐的效率為60%，求每小時(shí)通過(guò)的煙氣量。已知煙氣的比熱為cp=1.047kJ/kg，水的汽化潛熱T=2260.87kJ/kg·。20一加熱器每小時(shí) 換熱量9010kJ/h，現(xiàn)送入壓力p=1.078bar的蒸氣（h=2658.6kJ/kg），蒸氣在加熱器內(nèi)放熱后變?yōu)閠2=83的凝結(jié)水排入大氣，問(wèn)此換熱器每小時(shí)所需蒸汽量。21把壓力p=2.94bar的干飽和蒸汽，通過(guò)1英寸的管道（內(nèi)徑為2.54cm）送往用戶(hù)。無(wú)論管內(nèi)的蒸汽流量是多大，每1m2的管子內(nèi)表面每小時(shí)向管外保溫層散出的熱量為2093.4kJ/m2·

14、h。問(wèn)蒸氣在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)每流過(guò)10m有多少蒸汽由于散熱而冷凝？如要使蒸氣的冷凝量限制在管內(nèi)蒸汽總流量的10%，求每小時(shí)需要通過(guò)的蒸汽量。22蒸汽按pV1.1=C的規(guī)律從p1=700kPa膨脹至p2=70kPa。如果蒸氣在初始條件下的干度x=0.9，求膨脹過(guò)程中傳遞的熱量。23在一個(gè)密封的管內(nèi)充以1kg臨界狀態(tài)的蒸汽。由于從管內(nèi)向外傳熱，使管內(nèi)蒸汽從臨界狀態(tài)變?yōu)閴毫=29.4bar的飽和蒸汽，求此時(shí)管內(nèi)蒸汽的干度x=?24在一個(gè)密封的管內(nèi)充有濕蒸氣，現(xiàn)對(duì)其加熱至臨界狀態(tài)（注：當(dāng)接近臨界狀態(tài)時(shí)管內(nèi)汽-液分界面應(yīng)接近管子的中部），求當(dāng)充入壓力p=20bar的濕蒸汽時(shí)，其中飽中水與飽和蒸汽的容積比應(yīng)是

15、多少？251kg質(zhì)量的飽和水裝在一剛性容器內(nèi)，其壓力為1bar，飽和溫度為99.64。若將水加熱至120，求下列情況容器內(nèi)水的終了壓力p2：（1）容器的容積未發(fā)生變化；（2）容器的容積增大1%。26一容器其容積V=0.15m3，其中裝有壓力p1=7.26bar的干飽和蒸汽，當(dāng)容器的壓力降至p2=3.92bar時(shí)，求容器的飽和水及飽和水蒸汽的質(zhì)量及容積各是多少？27壓力p1=12.5bar的飽和蒸汽，以速度c1=24m/s在內(nèi)徑D=150mm的管道內(nèi)流動(dòng)，求蒸汽的質(zhì)量流量kg/s。如果在流動(dòng)中經(jīng)過(guò)節(jié)流，蒸汽壓力降為p1=1.2bar。求節(jié)流后的溫度t2=?如將節(jié)流后的蒸汽4.5kg送進(jìn)一個(gè)盛有溫

16、度tw=18質(zhì)量為90kg水的水箱內(nèi)，求混合后水的終溫t3=?取過(guò)熱蒸氣的定壓比熱cp=2kJ/kgK，忽略任何熱損失。281kg的汽、水混合物（其中蒸氣的質(zhì)量為20%）裝在一個(gè)剛性容器內(nèi)，壓力p1=2abr。如對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行加熱直至其中的水完全汽化（x2=1）。求。（1）終了壓力p2；（2）焓、內(nèi)能和熵的變化；（3）加給系統(tǒng)的熱量Q。75 自測(cè)題一、是非題1在水蒸氣的定溫過(guò)程中，加入的熱量等于膨脹功。（ ）2水的相圖表明，冰點(diǎn)和沸點(diǎn)均隨壓力的升高而升高。( )3對(duì)封閉剛性容器中的濕蒸汽加熱，總可以使其中的飽和水全部變成飽和蒸汽。( )4當(dāng)壓力超過(guò)臨界壓力,溫度低于臨界溫度。則處在液態(tài)。( )

17、5溫度愈高,飽和水蒸汽的熵越大 ( )6干飽和蒸汽進(jìn)行絕熱膨脹后，必變?yōu)闈耧柡驼羝? )7有0以下的水蒸汽（ ）8在一定的壓力下， 從0的水加熱到200的過(guò)熱蒸汽,其焓變?yōu)? )9過(guò)熱蒸汽的干度大于1。( )10壓力和溫度一定，則的狀態(tài)就確定。( )二、選擇題1濕蒸汽進(jìn)行定溫膨脹,其內(nèi)能變化u (A)=0; （B）>0 (C) <0; (D)<或>02水蒸汽的汽化潛熱隨壓力升高而 (A)增加; (B)不變; （C）減小; （D）先增后減3冰的熔解溫度隨壓力升高而 (A)升高 （B）降低 (C)不變; (D)先降后升4不斷對(duì)剛性密閉容器中的汽水混合物加熱，其結(jié)果只能是

18、(A)全部水變成水蒸汽 (B)部分水變成水蒸汽 (C)部分或全部水變成水蒸汽 （D）不能確定5在相同溫度下,蒸發(fā)與沸騰所需要的汽化潛熱 (A)沸騰時(shí)大于蒸發(fā);（B）沸騰時(shí)等于蒸發(fā)(C)沸騰時(shí)小于蒸發(fā); (D)不能確定其大小。6水處在三相點(diǎn)時(shí)，其焓與內(nèi)能的關(guān)系是 (A)焓=內(nèi)能; (B)焓<內(nèi)能; (C)焓>內(nèi)能; (D)不能確定。7水在升壓發(fā)生過(guò)程中，則 (A)增大, 增大 （B）增大, 減小(C) 減少, 增大 (D) 減小 減小8同一地點(diǎn)，普通鍋中的開(kāi)水與高壓鍋中的開(kāi)水 (A)溫度相同，壓力不同; （B）壓力相同,溫度不同(C)壓力相同,溫度相同; （D）壓力不同,溫度不同9發(fā)現(xiàn)一熱力管道泄漏出蒸汽，則可斷定管道中輸送的是 (A)蒸汽; （B）高溫水(t>100