题目
一刚性绝热容器容积 V = 0.028 eu,原先装有压力为 0.1 MPa 、温度为 21 ℃ 的空气,现将连接此容器与输气管道的阀门打开,向容器内快速充气,设输气管道内气体的状态参数保持 p = 0.7 MPa , t = 21℃不变,当容器中压力达到 0.2 MPa 时,阀门关闭,求容器内气体可能达到的最高温度,设空气可视为理想气体,其热力学能与温度的关系为 u = 0.72eukJ / kg; 焓与温度的关系为 h = 1.005 eukJ / kg。
一刚性绝热容器容积 V = 0.028 ,原先装有压力为 0.1 MPa 、温度为 21 ℃ 的空气,现将连接此容器与输气管道的阀门打开,向容器内快速充气,设输气管道内气体的状态参数保持 p = 0.7 MPa , t = 21℃不变,当容器中压力达到 0.2 MPa 时,阀门关闭,求容器内气体可能达到的最高温度,设空气可视为理想气体,其热力学能与温度的关系为 u = 0.72
kJ / kg; 焓与温度的关系为 h = 1.005
kJ / kg。
题目解答
答案
取刚性容器为控制体,
=d
+(
+
+g
)
-(
+
+g
)
+
Q
∵=0,
=0,
=0,动能差位能可忽略不计
∴d=
∴=
∴=
∴
解得,=342.69K
解析
步骤 1:确定初始状态和最终状态
容器初始状态:压力 p1 = 0.1 MPa,温度 T1 = 21℃ = 294 K,容积 V = 0.028 m³。
输气管道状态:压力 p = 0.7 MPa,温度 T = 21℃ = 294 K。
容器最终状态:压力 p2 = 0.2 MPa,温度 T2 = 未知,容积 V = 0.028 m³。
步骤 2:计算初始状态下的质量
使用理想气体状态方程 PV = mRT,其中 R = 287 J/(kg·K)(空气的气体常数)。
m1 = (p1V)/(RT1) = (0.1 × 10^6 × 0.028)/(287 × 294) = 0.032 kg。
步骤 3:计算最终状态下的质量
m2 = (p2V)/(RT2) = (0.2 × 10^6 × 0.028)/(287 × T2) = 0.064/T2 kg。
步骤 4:计算充气过程中的质量变化
Δm = m2 - m1 = 0.064/T2 - 0.032 kg。
步骤 5:计算充气过程中的能量变化
根据能量守恒定律,充气过程中的能量变化等于输入的焓减去输出的焓。
ΔU = Δm × h = (0.064/T2 - 0.032) × 1.005 × 294 = 0.064 × 1.005 × 294/T2 - 0.032 × 1.005 × 294。
步骤 6:计算最终状态下的温度
根据热力学能与温度的关系 u = 0.72 × T,可以得到 ΔU = m2 × 0.72 × (T2 - T1)。
将步骤 5 中的 ΔU 代入,得到 0.064 × 1.005 × 294/T2 - 0.032 × 1.005 × 294 = 0.064/T2 × 0.72 × (T2 - 294)。
解得 T2 = 342.69 K。
容器初始状态:压力 p1 = 0.1 MPa,温度 T1 = 21℃ = 294 K,容积 V = 0.028 m³。
输气管道状态:压力 p = 0.7 MPa,温度 T = 21℃ = 294 K。
容器最终状态:压力 p2 = 0.2 MPa,温度 T2 = 未知,容积 V = 0.028 m³。
步骤 2:计算初始状态下的质量
使用理想气体状态方程 PV = mRT,其中 R = 287 J/(kg·K)(空气的气体常数)。
m1 = (p1V)/(RT1) = (0.1 × 10^6 × 0.028)/(287 × 294) = 0.032 kg。
步骤 3:计算最终状态下的质量
m2 = (p2V)/(RT2) = (0.2 × 10^6 × 0.028)/(287 × T2) = 0.064/T2 kg。
步骤 4:计算充气过程中的质量变化
Δm = m2 - m1 = 0.064/T2 - 0.032 kg。
步骤 5:计算充气过程中的能量变化
根据能量守恒定律,充气过程中的能量变化等于输入的焓减去输出的焓。
ΔU = Δm × h = (0.064/T2 - 0.032) × 1.005 × 294 = 0.064 × 1.005 × 294/T2 - 0.032 × 1.005 × 294。
步骤 6:计算最终状态下的温度
根据热力学能与温度的关系 u = 0.72 × T,可以得到 ΔU = m2 × 0.72 × (T2 - T1)。
将步骤 5 中的 ΔU 代入,得到 0.064 × 1.005 × 294/T2 - 0.032 × 1.005 × 294 = 0.064/T2 × 0.72 × (T2 - 294)。
解得 T2 = 342.69 K。