Termodinamik 1: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

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

Imbangan tenaga

Haba ketara: Q = ṁ·c_p·ΔT
Haba pendam: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

Enjin haba & peti sejuk

Kecekapan: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Kecekapan Carnot: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP peti sejuk: COP_R = Q_C/W
COP pam haba: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Imbangan tenaga: Q_H = W + Q_C

Kitaran kuasa gas

Isentropik, nisbah isi padu: T₂/T₁ = r^k−1
Isentropik, nisbah tekanan: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Kecekapan Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Kecekapan Diesel: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Kecekapan Brayton: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Haba ditambah: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Kerja bersih Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Kecekapan isentropik: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Udara sejuk: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

2Soalan latihan

1.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 350 g N₂ pada 200 kPa dan 90 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 350 gM = 28.01 g/molP = 200 kPaT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi He pada 900 kPa dan 110 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 4.003 g/molP = 900 kPaT = 110 °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 t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 15% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 80 °Ct: 20 → 35 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Enjin haba & peti sejukSederhana

Satu enjin haba beroperasi antara takungan panas pada 200 °C dan takungan sejuk pada 10 °C. Ia menyerap 1300 kJ haba. Cari kerja paling banyak W_max yang mungkin dihasilkannya.

T_H = 200 °CT_L = 10 °CQ_H = 1300 kJ

W_max = kJ

6.Enjin haba & peti sejukSukar

Sebuah peti sejuk mengekalkan ruang sejuknya pada -10 °C di dapur bersuhu 25 °C, dengan mengeluarkan haba daripada ruang sejuk pada 1.5 kW. Cari input kuasa minimum Ẇ_min.

T_H = 25 °CT_L = -10 °CQ̇_L = 1.5 kW

Ẇ_min = kW

7.Kitaran kuasa gasSederhana

Satu kitaran Diesel unggul mempunyai nisbah mampatan r = 15 dan nisbah potong r_c = v₃/v₂ = 2.2. Pada permulaan mampatan udara berada pada 305 K. Gunakan andaian piawai udara sejuk: udara ialah gas unggul dengan haba tentu malar, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) dan c_v = 0.718 kJ/(kg·K). Cari suhu T₃ pada akhir penambahan haba, dalam K.

r = 15r_c = 2.2T₁ = 305 Kk = 1.4

T₃ = K

8.Kitaran kuasa gasSukar

Satu kitaran Brayton unggul beroperasi dengan nisbah tekanan pemampat 16. Gunakan andaian piawai udara sejuk: udara ialah gas unggul dengan haba tentu malar, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) dan c_v = 0.718 kJ/(kg·K). Cari kecekapan termanya η dalam peratus.

r_p = 16k = 1.4

η = %

3Larutan

1.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 188.6 L

Hukum gas unggul: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = 350/28.01 = 12.5 mol

T = 90 + 273.15 = 363.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 12.5·8.314·363.1/200 = 188.6 L

Jawapan

V = 188.6 L

2.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 1.131 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 110 + 273.15 = 383.1 K

Ketumpatan

ρ = 900·4.003/(8.314·383.1) = 1.131 kg/m³

Jawapan

ρ = 1.131 kg/m³

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 107.5 °C

Imbangan tenaga penukar: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Haba yang dibebaskan oleh aliran panas

Q = 1·3.6·(180 − 90) = 324 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 324/(1·4.18) = 107.5 °C

Jawapan

t_out = 107.5 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 4.962 kg/s

Imbangan tenaga dengan kehilangan: haba dibebaskan = haba diserap + haba hilang.

Haba dibebaskan

Q_h = 2.5·2.44·(140 − 80) = 366 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·366 = 311.1 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 311.1/(4.18·15) = 4.962 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 4.962 kg/s

5.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: W_max = 522 kJ

Had hukum kedua: tiada kitaran yang beroperasi antara takungan pada suhu mutlak T_H dan T_L dapat mengatasi kitaran boleh balik (Carnot): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) dan COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Tenaga sentiasa terabadi: Q_H = W + Q_L.

Suhu mutlak

T_H = 200 + 273.15 = 473.1 K

T_L = 10 + 273.15 = 283.1 K

Kecekapan Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 283.1/473.1 = 40.16 %

Kerja maksimum

W_max = η_max·Q_H = 0.4016·1300 = 522 kJ

Jawapan

W_max = 522 kJ

6.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: Ẇ_min = 0.1995 kW

Suhu mutlak

T_H = 25 + 273.15 = 298.1 K

T_L = -10 + 273.15 = 263.1 K

COP terbaik yang mungkin

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 263.1/(298.1 − 263.1) = 7.519

Kuasa minimum

Kerja paling sedikit diperlukan oleh mesin boleh balik, yang mempunyai COP tertinggi.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 1.5/7.519 = 0.1995 kW

Jawapan

Ẇ_min = 0.1995 kW

7.Kitaran kuasa gas

Jawapan: T₃ = 1982 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 r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) dan η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Akhir mampatan

T₂ = 305·15^0.4 = 901 K

Penambahan haba pada tekanan malar

T₃ = r_c·T₂ = 2.2·901 = 1982 K

Jawapan

T₃ = 1982 K

8.Kitaran kuasa gas

Jawapan: η = 54.71 %

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 r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k dan η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Kerja bersih w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Dengan kecekapan isentropik, pemampat memerlukan w_s/η_c dan turbin memberikan η_t·w_s.

Kecekapan terma

η = 1 − 1/16^0.2857 = 1 − 1/2.208 = 54.71%

Jawapan

η = 54.71%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1