题目
一容积为 0.15 , (m)^3 的气罐,内装有 p_1 = 0.55 , (MPa)、t_1 = 38 , (℃) 的氧气。今对氧气加热,其温度、压力都将升高。罐上装有压力控制阀,当压力超过 0.7 , (MPa) 时阀门自动打开,放走部分氧气,使罐中维持最大压力 0.7 , (MPa)。问当罐中氧气温度为 285 , (℃) 时,共加入了多少热量?设氧气的比热容为定值,且 c_v = 0.657 , (kJ) / ((kg) cdot (K)),c_p = 0.917 , (kJ) / ((kg) cdot (K))。
一容积为 $0.15 \, \text{m}^3$ 的气罐,内装有 $p_1 = 0.55 \, \text{MPa}$、$t_1 = 38 \, \text{℃}$ 的氧气。今对氧气加热,其温度、压力都将升高。罐上装有压力控制阀,当压力超过 $0.7 \, \text{MPa}$ 时阀门自动打开,放走部分氧气,使罐中维持最大压力 $0.7 \, \text{MPa}$。问当罐中氧气温度为 $285 \, \text{℃}$ 时,共加入了多少热量?设氧气的比热容为定值,且 $c_v = 0.657 \, \text{kJ} / (\text{kg} \cdot \text{K})$,$c_p = 0.917 \, \text{kJ} / (\text{kg} \cdot \text{K})$。
题目解答
答案
根据题意,初始质量 $ m_1 = \frac{p_1 V}{R T_1} = \frac{0.55 \times 10^6 \times 0.15}{260 \times 311} \approx 1.02 \, \text{kg} $。
阀门打开时,$ T_{\text{open}} = \frac{p_{\text{max}} T_1}{p_1} = \frac{0.7}{0.55} \times 311 \approx 395.6 \, \text{K} $。
最终质量 $ m_2 = \frac{p_2 V}{R T_2} = \frac{0.7 \times 10^6 \times 0.15}{260 \times 558} \approx 0.724 \, \text{kg} $。
加入的热量为:
\[
Q = m_1 c_V (T_{\text{open}} - T_1) + m_2 c_V (T_2 - T_{\text{open}}) + (m_1 - m_2) c_p T_{\text{open}}
\]
\[
Q = 1.02 \times 0.657 \times 84.6 + 0.724 \times 0.657 \times 162.4 + 0.296 \times 0.917 \times 395.6
\]
\[
Q = 56.7 + 77.3 + 107.6 = 241.6 \, \text{kJ}
\]
最终结果:$ Q \approx 241.6 \, \text{kJ} $。