华自强张忠进工程热力学课后完整答案第四版;(6)

第一章 基本概念及定义 ·26·

答案：涡轮机PT?15kW，T2?773.7K；增压器T2'=449.3 K、p2'=0.365 MPa。

5-28 一封闭的绝热气缸，用无摩擦的绝热活塞把气缸分为A、B两部分，且各充以压缩空气。开始时用销钉固定活塞，使VA＝0.3 m、VB＝0.6 m，这时pA＝4 bar、tA＝127 ℃；pB＝2 bar、tB＝27 ℃。然后拔去销钉，让活塞自由移动，而B内气体受压缩。设B部分气体压缩过程的效率为95%，试求当A、B两部分气体达到压力相同的过程中，两部分气体各自熵的变化以及总的熵变化，并分析过程的不可逆因素。

提示：缸内气体可看做理想气体；绝热气缸，总热力学能不变，总容积不变，终态时pA2=pB2=p2；绝热过程对应的理想过程为等熵过程；B容积中的压缩过程的过程效率等于对应的理想过程的功量与过程实际功量之比η= Ws/W。

答案： ?SA?0.207 kJ/K，?SB?0.0057 kJ/K； ?SA?B?0.0264 kJ/K； A与Ｂ中都是不可逆绝热过程，Ａ中的不可逆性较大。

5-29 有一热机循环由以下四个过程组成：1-2为绝热压缩过程，过程中熵不变，温度由80 ℃升高到140 ℃；2-3为定压加热过程，温度升高到440 ℃；3-4为不可逆绝热膨胀过程，温度降至80 ℃，而熵增为0.01 kJ/K；4-1为定温放热过程，温度为80 ℃。设工质为空气，试把该循环表示在T-s图上并计算：(1)除过程3-4外其余各过程均为可逆过程时的克劳修斯积分值?δq以及该循环中系统熵的变化?ds；(2)假Tr3

3

设热源仅为440 ℃及80 ℃的两个恒温热源时，系统和热源两者总的熵变。

提示：(1)

2dq3dq4dq1dqdq?????T?1T?2T?3T?4T，熵是状态参数。

(2)?siso??s高温热源??s低温热源??s热机。 答案：

?

dq??0.01kJ/K，?ds?0；?siso=0.1358kJ/K。 Tr第一章 基本概念及定义 ·27·

习题提示与答案

第六章 热能的可用性及火用分析

6-1 汽车用蓄电池中储存的电能为1 440 W·h。现采用压缩空气来代替它。设空气压力为6.5 MPa、温度为25 ℃，而环境的压力为0.1 MPa，温度为25 ℃，试求当压缩空气通过容积变化而作出有用功时，为输出1 440 W·h的最大有用功所需压缩空气的体积。

提示：蓄电池存储的电能均为可转换有用功的火用 ，用压缩空气可逆定温膨胀到与环境平衡时所作出的有用功替代蓄电池存储的电能，其有用功完全来源于压缩空气的火用 ，即Wu=mex,U1。单位质量压缩空气火用 值ex,U??u1?u0??p0?v1?v0??T0?s1?s0?，空气作为理想气体处理。

1答案：V=0.25 m3。

6-2 有一个刚性容器，其中压缩空气的压力为3.0 MPa，温度和环境温度相同为25 ℃，环境压力为0.1 MPa。打开放气阀放出一部分空气使容器内压力降低到1.0 MPa。假设容器内剩余气体在放气时按可逆绝热过程变化，试求：(1) 放气前、后容器内空气比火用ex,U的值；(2) 空气由环境吸热而恢复到25 ℃时空气的比火用ex,U的值。

提示：放气过程中刚性容器中剩余气体经历了一个等熵过程，吸热过程为定容过程；空气可以作为理想气体处理；各状态下容器中空气的比 火用ex,U??u?u0??p0?v?v0??T0?s?s0?。

答案：ex,U1=208.3 kJ/kg，ex,U2=154.14 kJ/kg，ex,U3=144.56 kJ/kg。

6-3 有0.1 kg温度为17 ℃、压力为0.1 MPa的空气进入压气机中，经绝热压缩后其温度为207 ℃、压力为0.4 MPa。若室温为17 ℃，大气压力为0.1 MPa，试求该压气机的轴功，进、出口处空气的比 火用

ex,H。

提示：工质为理想气体；压气机的轴功ws,1?2??h?cp0?T，比 火用ex,H=(h-h0)-T0(s-s0)。 答案：ws,1?2=-19.08 kJ，ex,H1=0 kJ/kg，ex,H2=159.4 kJ/kg 。

6-4 刚性绝热容器由隔板分成A、B两部分，各储有1 mol空气，初态参数分别为pA=200 kPa，

TA=500 K，pB=300 kPa，TB=800 K。现将隔板抽去，求混合引起的熵产及火用损失。设大气环境温度为300

K。

第一章 基本概念及定义 ·28·

提示：工质为理想气体；熵产?Sg??Siso??SA??SB, 火用损失Ex,L?T0?Sg。 答案：?Sg?1.147J/K, Ex,L=343.1 J。

6-5 1kg空气经绝热节流，由0.6 MPa，127 ℃变化到0.1 MPa，求节流引起的熵产及火用损失。设大气环境温度为300K。

提示：熵产Δsg?Δs?cplnT2p?Rgln2，火用损失ex,LT1p1?T0?sg。

答案：ΔSg=0.514 2 kJ/K, Ex,L=154.3 kJ。

6-6 容积0.1m的刚性容器，初始时为真空，打开阀门，0.1 MPa、303 K的环境大气充入，充气终了时压力达到与环境平衡。分别按绝热充气和等温充气两种情况，求充气过程的熵产及火用损失。已知空气

cp?1.004kJ(kg?K)，Rg?0.287kJ(kg?K)，??1.4kJ(kg?K)。

3

提示：工质看做理想气体；理想气体的热力学能和焓为温度的单值函数；充、放气过程的能量方程

u2-u1=q+hi-he-ws；火用损失Ex,L?T0?Sg。(1)绝热充气过程特征：u1=0、he=0、q=0、ws=0；过程熵变完

全由熵产造成，即?Sg??S?m(cpln产?Sg???Sf??T2p?Rgln2);(2)等温充气过程特征：u1=0、he=0、ws=0；过程的熵TipiQ。（注：角标“i”表示流入；“e”表示流出。） T答案：绝热充气ΔSg=0.027 7 kJK，Ex,L=8.39 kJ；等温充气ΔSg=0.033 kJK，Ex,L=9.99 kJ。

6-7 一绝热容器内有某种流体5 kg，为使流体处于均匀状态，采用搅拌器不断搅动流体。设搅拌过程中流体的温度由15 ℃升高至20 ℃，已知环境温度为15 ℃，流体的比热容为6 kJ/(kg·K)。试求：(1)搅拌过程中消耗的功及火用损失；(2)假设用100 ℃的热水循环来加热流体而使流体温度由15 ℃升高到20 ℃时的火用损失。并说明消耗的功和火用损失不同的原因。

提示：火用 损失等于所消耗的火用 与流体火用 的增加值之差。搅拌时，消耗的是功量火用，加热时，消耗的是热量火用 ；两种情况流体火用 的增加值

?Ex,U12?T0?sg相同。

答案：搅拌：Ws??150 kJ，Ex,L=148.7 kJ ；供热：Ex,L=32.89 kJ。搅拌所消耗的功量全是火用 ，热库所供热量中仅一部分是火用 。因而， 加热方式比搅拌方式的火用 损失小。

6-8 根据习题6-3中压气机的压缩过程及环境条件，试求该过程由初态变化到终态时的作功能力及该过程的火用损失。

提示：稳定流动开口系统的进口及出口状态确定时，系统的作功能力为：wrev,1?2?ex,H1?ex,H2，火用损失为Ex,L=Wrev,1-2-Ws,1-2 。

第一章 基本概念及定义 ·29·

答案：Wrev=-15.96 kJ，Ex,L=3.13 kJ。

6-9 按习题6-2的条件，计算整个放气和吸热过程中1 kg空气的火用损失，并分析各部分损失的原因。

提示：火用 损失ex,L=wrev,1-0- wrev,3-0；或ex,L?T0?sg。 答案：ex,L=67.1 kJ/kg。

6-10 有一台燃气轮机，其涡轮机进口处燃气的温度为850 ℃、压力为0.55 MPa。经绝热膨胀后排气压力为0.1 MPa。若环境温度为25 ℃，燃气的气体常数Rg＝287 4 J/(kg·K)、比热容cp0＝1.10

kJ/(kg·K)，涡轮机效率为90%，试求1 kg燃气所作的轴功、燃气及废气的比火用 、由初态变化到终态时的作功能力及该涡轮机中膨胀过程的作功能力损失。

提示：工质均可看做理想气体。涡轮机效率等于过程轴功量与相同压降范围内的等熵过程轴功量之比，即η?ws，汽轮机的轴功ws??h；开口系统工质的比火用ex,H??h?h0??T0(s?s0)，两状态间工质?ws?s的作功能力wrev,1-2?ex,H1?ex,H2，火用 损失ex,L=wrev,1-2-ws,1-2。

答案：ws,1-2=399.15kJ/kg，ex,H,燃气=618.6 kJ/kg，ex,H,废气= 201.4 kJ/kg，wrev,1-2=417.2kJ/kg，wL=18.1 kJ/kg。

6-11 一可逆热机循环中，工质氦定压吸热，温度由300 ℃升高到850 ℃，其定压比热容

cp=5.193kJ/(kg·K)，设大气环境温度为298 K，求循环的热效率及火用效率。

提示：循环吸热量q?cp0?T，热量的火用 值ex,L?q?T0?s，该热量火用 即单位质量工质吸热后在可逆热机中所能作出的最大有用功wu,max；循环热效率ηt?w0w0，火用 效率ηex?可逆热机的循环功量

ex,Qq1w0=wu,max。

答案：ηt=63.55%，ηex=100%。

习题提示与答案 第七章 气体的流动

7-1 设输气管内甲烷气流的压力为4.5 MPa、温度为15 ℃、流速为30 m/s，管道的内径为0.5 m，试求每小时输送的甲烷为多少m3。

提示：管内的甲烷可看做理想气体。

第一章 基本概念及定义 ·30·

答案：V0=893 220 m/h。

7-2 一股空气流的流速为380 m/s、温度为20 ℃，另一股空气流的流速为550 m/s、温度为750 ℃。已知750 ℃时?=1.335，20 ℃时?=1.400，试求这两股气流各属于亚声速还是超声速，其马赫数各为多少？

提示：音速c??RgT，马赫数Ma?cf。

c3

答案：Ma1=1.107，Ma2=0.878。

7-3 在压缩空气输气管上接有一渐缩形喷管，喷管前空气的压力可通过阀门调节，而空气的温度为27 ℃，喷管出口的背压为0.1 MPa。试求喷管进口的压力为0.15 MPa及0.25 MPa时，喷管出口截面的流速和压力。

2?提示：视喷管入口处速度近似为零，临界压力pcr?p1??????1????-1?；渐

缩形喷管，pcr

pcr>pB时，出口截面压力p2等于临界压力pcr，出口截面流速等于当地声速。

答案：（1）p2=0.1 MPa，cf2错误！未找到引用源。=256.8 m/s；（2）

p2=0.132 MPa，cf2=317 m/s。

7-4 按上题条件，求两种情况下出口截面气流的马赫数。

提示：等熵流动过程, 音速c??RgT，马赫数Ma?答案：(1) Ma=0.783 6；(2) Ma=1。

7-5 设进入喷管的氦气的压力为0.4 MPa、温度为227 ℃，而出口背压为0.15 MPa，试选用喷管形状并计算出口截面气体的压力、速度及马赫数。

cfc。

2?提示：视喷管入口处速度近似为零，临界压力pcr?p1?????-1?若pcr>pB，则选用缩放形喷管。

???-1?，若pcr

答案：选用缩放形喷管，p2 =0.15 MPa， cf2=1 298 m/s，Ma2=1.2。

7-6 按习题7-3所述条件，设喷管的出口截面面积为10 cm2，试求两种情况下气体的流量。

提示：喷管内工质为理想气体，qm=A2 cf2。

答案：（1）qm=0.334 7 kg/s，；（2）qm =0.583 3 kg/s。

7-7 按习题7-3所述条件，若进口压力为0.25 MPa，并采用缩放形喷管，试求出口截面的流速及喷管

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