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 430 g من CH₄ عند 300 kPa و 20 °C؟ اعتبره غازًا مثاليًا.

m = 430 gM = 16,04 g/molP = 300 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.قانون الغاز المثاليصعبة

كمية ثابتة من CH₄ تنتقل من 300 kPa، 2 L، 35 °C إلى 500 kPa و 110 °C. أوجد الحجم الجديد V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 2 LT₁ = 35 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 110 °C

V₂ = L

3.موازنة الطاقةمتوسطة

يبرّد زيت خفيف 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 = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 70 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.موازنة الطاقةصعبة

يسخّن الإيثانول ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 10% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁ_c.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Ct: 30 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.المحرّكات الحرارية والثلاجاتمتوسطة

يعمل محرّك حراري بين خزّان ساخن عند 475 °C وخزّان بارد عند 5 °C. يأخذ 4500 kJ من الحرارة. أوجد أكبر شغل W_max يمكن أن ينتجه.

T_H = 475 °CT_L = 5 °CQ_H = 4500 kJ

W_max = kJ

6.المحرّكات الحرارية والثلاجاتصعبة

تحافظ مضخة حرارية على منزل عند 21 °C بينما الخارج 2 °C، وتزوّد المنزل بـ 14 kW من الحرارة. أوجد أعلى معامل أداء ممكن COP_max.

T_H = 21 °CT_L = 2 °CQ̇_H = 14 kW

COP_max =

7.دورات القدرة الغازيةمتوسطة

دورة ديزل مثالية نسبة انضغاطها r = 22 ونسبة قطعها r_c = v₃/v₂ = 3. في بداية الانضغاط يكون الهواء عند 310 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 = 22r_c = 3T₁ = 310 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 15. يدخل الهواء الضاغط عند 290 K والتوربين عند 1100 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 = 15T₁ = 290 KT₃ = 1100 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3المحاليل

1.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V = 217,8 L

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

المولات

n = 430/16,04 = 26,81 mol

T = 20 + 273,15 = 293,1 K

الحجم

V = nRT/P = 26,81·8,314·293,1/300 = 217,8 L

الإجابة

V = 217,8 L

2.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V₂ = 1,492 L

قانون الغاز العام: لكمية ثابتة من غاز مثالي، P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

درجات الحرارة المطلقة

T₁ = 308,1 K, T₂ = 383,1 K

قانون الغاز العام

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(300/500)·(383,1/308,1) = 1,492 L

الإجابة

V₂ = 1,492 L

3.موازنة الطاقة

الإجابة: t_out = 60,17 °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 = 1,5·2,1·(140 − 70) = 220,5 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 220,5/(1,5·4,18) = 60,17 °C

الإجابة

t_out = 60,17 °C

4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁ_c = 0,5837 kg/s

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

الحرارة المنطلقة

Q_h = 1·2,44·(130 − 80) = 122 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Q_c = (1 − 0,1)·122 = 109,8 kW

تدفّق الماء

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 109,8/(4,18·45) = 0,5837 kg/s

الإجابة

ṁ_c = 0,5837 kg/s

5.المحرّكات الحرارية والثلاجات

الإجابة: W_max = 2827 kJ

حدود القانون الثاني: لا يمكن لأي دورة تعمل بين خزّانين بدرجتي حرارة مطلقتين T_H و T_L أن تتفوّق على الدورة العكوسة (كارنو): η_max = 1 − T_L/T_H، COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) و COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). الطاقة محفوظة دائمًا: Q_H = W + Q_L.

درجات الحرارة المطلقة

T_H = 475 + 273,15 = 748,1 K

T_L = 5 + 273,15 = 278,1 K

كفاءة كارنو

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278,1/748,1 = 62,82 %

أقصى شغل

W_max = η_max·Q_H = 0,6282·4500 = 2827 kJ

الإجابة

W_max = 2827 kJ

6.المحرّكات الحرارية والثلاجات

الإجابة: COP_max = 15,48

درجات الحرارة المطلقة

T_H = 21 + 273,15 = 294,1 K

T_L = 2 + 273,15 = 275,1 K

أفضل COP ممكن

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 294,1/(294,1 − 275,1) = 15,48

الإجابة

COP_max = 15,48

7.دورات القدرة الغازية

الإجابة: q_in = 2145 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 = 310·22^0,4 = 1067 K

T₃ = 3·1067 = 3202 K

الحرارة المضافة عند ضغط ثابت

q_in = 1,005·(3202 − 1067) = 2145 kJ/kg

الإجابة

q_in = 2145 kJ/kg

8.دورات القدرة الغازية

الإجابة: w_net = 255,2 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 = 290·15^0,2857 = 628,7 K

T₄ = 1100/15^0,2857 = 507,4 K

شغل الضاغط والتوربين

w_c = 1,005·(628,7 − 290) = 340,4 kJ/kg

w_t = 1,005·(1100 − 507,4) = 595,5 kJ/kg

الشغل الصافي

w_net = 595,5 − 340,4 = 255,2 kJ/kg

الإجابة

w_net = 255,2 kJ/kg

نسبة الشغل المرتدّ: w_c/w_t = 57,15%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1