Hukum gas unggul
- Hukum gas unggul
- pV = nRT
- Pemalar gas
- R = 8.314 J/(mol·K)
- Hukum gas gabungan
- p1V1/T1 = p2V2/T2
- Mol
- n = m/M
- Suhu
- T[K] = T[°C] + 273.15
Termodinamik 1: pek ulang kaji kilat
Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.
1Formula dan kaedah
Imbangan tenaga
- Haba ketara
- Q = ṁ·cp·ΔT
- Haba pendam
- Q = ṁ·hfg
- Pencampuran
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- Air
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
Enjin haba & peti sejuk
- Kecekapan
- η = W/QH = 1 − QC/QH
- Kecekapan Carnot
- ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
- COP peti sejuk
- COPR = QC/W
- COP pam haba
- COPHP = QH/W = COPR + 1
- Imbangan tenaga
- QH = W + QC
Kitaran kuasa gas
- Isentropik, nisbah isi padu
- T2/T1 = rk−1
- Isentropik, nisbah tekanan
- T2/T1 = rp(k−1)/k
- Kecekapan Otto
- η = 1 − 1/rk−1
- Kecekapan Diesel
- η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
- Kecekapan Brayton
- η = 1 − 1/rp(k−1)/k
- Haba ditambah
- Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
- Kerja bersih Brayton
- w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
- Kecekapan isentropik
- wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
- Udara sejuk
- k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)
2Soalan latihan
1.Hukum gas unggulSederhana
Satu tangki 30 L mengandungi 130 g He pada 40 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.
m = 130 gM = 4.003 g/molV = 30 LT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
2.Hukum gas unggulSukar
Cari ketumpatan ρ bagi Ar pada 1000 kPa dan 180 °C, dengan menganggapnya gas unggul.
M = 39.95 g/molP = 1000 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
3.Imbangan tenagaSederhana
campuran glikol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air tout.
ṁh = 2 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Imbangan tenagaSukar
campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 10% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁc yang diperlukan.
ṁh = 2 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 140 → 60 °Ct: 25 → 50 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %
ṁc = kg/s
5.Enjin haba & peti sejukSederhana
Satu enjin haba beroperasi antara takungan panas pada 525 °C dan takungan sejuk pada 20 °C. Cari kecekapan terma tertinggi yang mungkin ηmax.
TH = 525 °CTL = 20 °C
ηmax = %
6.Enjin haba & peti sejukSukar
Sebuah peti sejuk mengekalkan ruang sejuknya pada -25 °C di dapur bersuhu 30 °C, dengan mengeluarkan haba daripada ruang sejuk pada 2 kW. Cari input kuasa minimum Ẇmin.
TH = 30 °CTL = -25 °CQ̇L = 2 kW
Ẇmin = kW
7.Kitaran kuasa gasSederhana
Satu kitaran Diesel unggul mempunyai nisbah mampatan r = 22 dan nisbah potong rc = v₃/v₂ = 1.8. Pada permulaan mampatan udara berada pada 300 K. Gunakan andaian piawai udara sejuk: udara ialah gas unggul dengan haba tentu malar, k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) dan cv = 0.718 kJ/(kg·K). Cari suhu T3 pada akhir penambahan haba, dalam K.
r = 22rc = 1.8T1 = 300 Kk = 1.4
T3 = K
8.Kitaran kuasa gasSukar
Sebuah loji turbin gas beroperasi pada kitaran Brayton dengan nisbah tekanan pemampat 10. Udara memasuki pemampat pada 300 K dan turbin pada 1400 K. Pemampat mempunyai kecekapan isentropik 85% dan turbin 92%. Gunakan andaian piawai udara sejuk: udara ialah gas unggul dengan haba tentu malar, k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) dan cv = 0.718 kJ/(kg·K). Cari keluaran kerja bersih wnet bagi setiap kilogram udara, dalam kJ/kg.
rp = 10T1 = 300 KT3 = 1400 Kηc = 85%ηt = 92%k = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
3Larutan
1.Hukum gas unggul
Jawapan: P = 2818 kPa
Hukum gas unggul: PV = nRT, dengan n = m/M.
Mol
n = m/M = 130/4.003 = 32.48 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K
Tekanan
P = nRT/V = 32.48·8.314·313.1/0.03 = 2818 kPa
Jawapan
P = 2818 kPa
2.Hukum gas unggul
Jawapan: ρ = 10.6 kg/m³
Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).
Susun semula hukum gas
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273.15 = 453.1 K
Ketumpatan
ρ = 1000·39.95/(8.314·453.1) = 10.6 kg/m³
Jawapan
ρ = 10.6 kg/m³
3.Imbangan tenaga
Jawapan: tout = 66.67 °C
Imbangan tenaga penukar: tanpa kehilangan, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).
Haba yang dibebaskan oleh aliran panas
Q = 2·3.6·(130 − 70) = 432 kW
Haba yang diserap oleh air
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 432/(2·4.18) = 66.67 °C
Jawapan
tout = 66.67 °C
4.Imbangan tenaga
Jawapan: ṁc = 4.961 kg/s
Imbangan tenaga dengan kehilangan: haba dibebaskan = haba diserap + haba hilang.
Haba dibebaskan
Qh = 2·3.6·(140 − 60) = 576 kW
Haba yang sampai kepada air
Qc = (1 − 0.1)·576 = 518.4 kW
Kadar alir air
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 518.4/(4.18·25) = 4.961 kg/s
Jawapan
ṁc = 4.961 kg/s
5.Enjin haba & peti sejuk
Jawapan: ηmax = 63.27 %
Had hukum kedua: tiada kitaran yang beroperasi antara takungan pada suhu mutlak TH dan TL dapat mengatasi kitaran boleh balik (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Tenaga sentiasa terabadi: QH = W + QL.
Suhu mutlak
TH = 525 + 273.15 = 798.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K
Kecekapan Carnot
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 293.1/798.1 = 63.27 %
Jawapan
ηmax = 63.27 %
6.Enjin haba & peti sejuk
Jawapan: Ẇmin = 0.4433 kW
Had hukum kedua: tiada kitaran yang beroperasi antara takungan pada suhu mutlak TH dan TL dapat mengatasi kitaran boleh balik (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Tenaga sentiasa terabadi: QH = W + QL.
Suhu mutlak
TH = 30 + 273.15 = 303.1 K
TL = -25 + 273.15 = 248.1 K
COP terbaik yang mungkin
COPR,max = TL/(TH − TL) = 248.1/(303.1 − 248.1) = 4.512
Kuasa minimum
Kerja paling sedikit diperlukan oleh mesin boleh balik, yang mempunyai COP tertinggi.
Ẇmin = Q̇L/COP = 2/4.512 = 0.4433 kW
Jawapan
Ẇmin = 0.4433 kW
7.Kitaran kuasa gas
Jawapan: T3 = 1859 K
Kitaran Diesel (enjin nyalaan mampatan): 1→2 mampatan isentropik, 2→3 penambahan haba pada tekanan malar, 3→4 pengembangan isentropik, 4→1 pembuangan haba pada isi padu malar. Dengan nisbah mampatan r = v₁/v₂ dan nisbah potong rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) dan η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Akhir mampatan
T2 = 300·220.4 = 1033 K
Penambahan haba pada tekanan malar
T3 = rc·T2 = 1.8·1033 = 1859 K
Jawapan
T3 = 1859 K
8.Kitaran kuasa gas
Jawapan: wnet = 293.9 kJ/kg
Kitaran Brayton (turbin gas): 1→2 mampatan isentropik, 2→3 penambahan haba pada tekanan malar, 3→4 pengembangan isentropik dalam turbin, 4→1 pembuangan haba pada tekanan malar. Dengan nisbah tekanan rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k dan η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Kerja bersih w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Dengan kecekapan isentropik, pemampat memerlukan ws/ηc dan turbin memberikan ηt·ws.
Suhu isentropik
T2s = 300·100.2857 = 579.2 K
T4s = 1400/100.2857 = 725.1 K
Kerja pemampat dan turbin
wc = 1.005·(579.2 − 300)/0.85 = 330.1 kJ/kg
wt = 0.92·1.005·(1400 − 725.1) = 624 kJ/kg
Kerja bersih
wnet = 624 − 330.1 = 293.9 kJ/kg
Jawapan
wnet = 293.9 kJ/kg
Nisbah kerja balik: wc/wt = 52.91%.
ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1