الديناميكا الحرارية 1: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

قانون الغاز المثالي

قانون الغاز المثالي: pV = nRT
ثابت الغاز: R = 8,314 J/(mol·K)
قانون الغاز العام: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
المولات: n = m/M
درجة الحرارة: T[K] = T[°C] + 273,15

موازنة الطاقة

الحرارة المحسوسة: Q = ṁ·c_p·ΔT
الحرارة الكامنة: Q = ṁ·h_fg
الخلط: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
الماء: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

المحرّكات الحرارية والثلاجات

الكفاءة: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
كفاءة كارنو: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP الثلاجة: COP_R = Q_C/W
COP المضخة الحرارية: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
موازنة الطاقة: Q_H = W + Q_C

دورات القدرة الغازية

أيزنتروبي، نسبة الحجوم: T₂/T₁ = r^k−1
أيزنتروبي، نسبة الضغوط: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
كفاءة أوتو: η = 1 − 1/r^k−1
كفاءة ديزل: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
كفاءة برايتون: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
الحرارة المضافة: أوتو: c_v(T₃ − T₂) ديزل، برايتون: c_p(T₃ − T₂)
الشغل الصافي لبرايتون: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
الكفاءات الأيزنتروبية: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
الهواء البارد: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2مسائل تدريبية

1.قانون الغاز المثاليمتوسطة

ما الحجم V الذي يشغله 170 g من Ar عند 450 kPa و 80 °C؟ اعتبره غازًا مثاليًا.

m = 170 gM = 39,95 g/molP = 450 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.قانون الغاز المثاليصعبة

أوجد كثافة ρ لـ He عند 350 kPa و 130 °C، معتبرًا إياه غازًا مثاليًا.

M = 4,003 g/molP = 350 kPaT = 130 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.موازنة الطاقةمتوسطة

يبرّد الإيثانول ساخن الماءَ في مبادل حراري متعاكس الجريان دون فقد حراري. أوجد درجة حرارة الماء الخارج t_out.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 130 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.موازنة الطاقةصعبة

يسخّن خليط الجلايكول ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 5% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁ_c.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 100 °Ct: 10 → 25 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.المحرّكات الحرارية والثلاجاتمتوسطة

ثلاجة عكوسة تحافظ على غرفة باردة عند -10 °C بإزالة 2 kW من الحرارة، وتطرد الحرارة إلى المحيط عند 35 °C. أوجد المعدّل Q̇_H الذي تطرد به الحرارة.

T_L = -10 °CT_H = 35 °CQ̇_L = 2 kW

Q̇_H = kW

6.المحرّكات الحرارية والثلاجاتصعبة

محرّك حراري يأخذ 3700 kJ من الحرارة من خزّان عند 550 °C، وينتج 1628 kJ من الشغل ويطرد الباقي إلى خزّان عند 30 °C، في كل دورة. أوجد الإنتروبيا الكلية المتولّدة S_gen في كل دورة.

T_H = 550 °CT_L = 30 °CQ_H = 3700 kJW = 1628 kJ

S_gen = kJ/K

7.دورات القدرة الغازيةمتوسطة

دورة ديزل مثالية نسبة انضغاطها r = 20 ونسبة قطعها r_c = v₃/v₂ = 2. في بداية الانضغاط يكون الهواء عند 295 K. استخدم افتراضات الهواء البارد القياسي: الهواء غاز مثالي بحرارات نوعية ثابتة، k = 1,4، و c_p = 1,005 kJ/(kg·K) و c_v = 0,718 kJ/(kg·K). أوجد الحرارة المضافة q_in لكل كيلوغرام من الهواء، بالـ kJ/kg.

r = 20r_c = 2T₁ = 295 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.دورات القدرة الغازيةصعبة

محطة توربين غازي تعمل بدورة برايتون نسبة ضغط ضاغطها 12. يدخل الهواء الضاغط عند 290 K والتوربين عند 1200 K. الآلتان كلتاهما أيزنتروبيتان. استخدم افتراضات الهواء البارد القياسي: الهواء غاز مثالي بحرارات نوعية ثابتة، k = 1,4، و c_p = 1,005 kJ/(kg·K) و c_v = 0,718 kJ/(kg·K). أوجد الشغل الصافي الخارج w_net لكل كيلوغرام من الهواء، بالـ kJ/kg.

r_p = 12T₁ = 290 KT₃ = 1200 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3المحاليل

1.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V = 27,76 L

قانون الغاز المثالي: PV = nRT، مع n = m/M.

المولات

n = 170/39,95 = 4,255 mol

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

الحجم

V = nRT/P = 4,255·8,314·353,1/450 = 27,76 L

الإجابة

V = 27,76 L

2.قانون الغاز المثالي

الإجابة: ρ = 0,418 kg/m³

كثافة الغاز المثالي: ρ = PM/(RT).

أعد ترتيب قانون الغاز

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 130 + 273,15 = 403,1 K

الكثافة

ρ = 350·4,003/(8,314·403,1) = 0,418 kg/m³

الإجابة

ρ = 0,418 kg/m³

3.موازنة الطاقة

الإجابة: t_out = 28,76 °C

موازنة طاقة المبادل: دون فقد، ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

الحرارة التي يطلقها التيار الساخن

Q = 1,5·2,44·(160 − 130) = 109,8 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 109,8/(3·4,18) = 28,76 °C

الإجابة

t_out = 28,76 °C

4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁ_c = 8,182 kg/s

موازنة الطاقة مع الفقد: الحرارة المنطلقة = الحرارة الممتصة + الحرارة المفقودة.

الحرارة المنطلقة

Q_h = 2,5·3,6·(160 − 100) = 540 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Q_c = (1 − 0,05)·540 = 513 kW

تدفّق الماء

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 513/(4,18·15) = 8,182 kg/s

الإجابة

ṁ_c = 8,182 kg/s

5.المحرّكات الحرارية والثلاجات

الإجابة: Q̇_H = 2,342 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

درجات الحرارة المطلقة

T_H = 35 + 273,15 = 308,1 K

T_L = -10 + 273,15 = 263,1 K

نسبة الحرارة العكوسة

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 2·308,1/263,1 = 2,342 kW

الإجابة

Q̇_H = 2,342 kW

القدرة الداخلة: Ẇ = 0,342 kW.

6.المحرّكات الحرارية والثلاجات

الإجابة: S_gen = 2,34 kJ/K

توليد الإنتروبيا: على مدى دورة كاملة لا يحدث لمائع التشغيل تغيّر صافٍ في الإنتروبيا. يفقد الخزّان الساخن Q_H/T_H ويكتسب الخزّان البارد Q_L/T_L. مجموعهما هو الإنتروبيا المتولّدة، وهي صفر للدورة العكوسة وموجبة لكل دورة حقيقية.

الحرارة المطرودة

Q_L = Q_H − W = 3700 − 1628 = 2072 kJ

درجات الحرارة المطلقة

T_H = 550 + 273,15 = 823,1 K

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

تغيّرات إنتروبيا الخزّانين

ΔS_H = −3700/823,1 = −4,495 kJ/K

ΔS_L = 2072/303,1 = 6,835 kJ/K

S_gen = 6,835 − 4,495 = 2,34 kJ/K

الإجابة

S_gen = 2,34 kJ/K

S_gen > 0، لذا المحرّك ممكن لكنه غير عكوس.

7.دورات القدرة الغازية

الإجابة: q_in = 982,7 kJ/kg

دورة ديزل (محرّك الاشتعال بالانضغاط): 1→2 انضغاط أيزنتروبي، 2→3 إضافة حرارة عند ضغط ثابت، 3→4 تمدّد أيزنتروبي، 4→1 طرد حرارة عند حجم ثابت. مع نسبة الانضغاط r = v₁/v₂ ونسبة القطع r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1، و T₃ = r_c·T₂، و q_in = c_p·(T₃ − T₂) و η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

درجات الحرارة

T₂ = 295·20^0,4 = 977,8 K

T₃ = 2·977,8 = 1956 K

الحرارة المضافة عند ضغط ثابت

q_in = 1,005·(1956 − 977,8) = 982,7 kJ/kg

الإجابة

q_in = 982,7 kJ/kg

8.دورات القدرة الغازية

الإجابة: w_net = 311,7 kJ/kg

دورة برايتون (التوربين الغازي): 1→2 انضغاط أيزنتروبي، 2→3 إضافة حرارة عند ضغط ثابت، 3→4 تمدّد أيزنتروبي في التوربين، 4→1 طرد حرارة عند ضغط ثابت. مع نسبة الضغط r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k، و T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k و η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. الشغل الصافي w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. مع الكفاءات الأيزنتروبية يحتاج الضاغط w_s/η_c ويعطي التوربين η_t·w_s.

درجات الحرارة الأيزنتروبية

T₂ = 290·12^0,2857 = 589,8 K

T₄ = 1200/12^0,2857 = 590 K

شغل الضاغط والتوربين

w_c = 1,005·(589,8 − 290) = 301,3 kJ/kg

w_t = 1,005·(1200 − 590) = 613,1 kJ/kg

الشغل الصافي

w_net = 613,1 − 301,3 = 311,7 kJ/kg

الإجابة

w_net = 311,7 kJ/kg

نسبة الشغل المرتدّ: w_c/w_t = 49,15%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1