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 140 g N₂ pada 550 kPa dan 70 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 140 gM = 28.01 g/molP = 550 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi N₂ pada 700 kPa dan 10 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 28.01 g/molP = 700 kPaT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Imbangan tenagaSederhana

minyak ringan panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 5% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 80 °Ct: 20 → 85 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Enjin haba & peti sejukSederhana

Sebuah enjin haba menerima haba daripada sumber pada 700 °C dan membuang haba ke persekitaran pada 15 °C. Kecekapan termanya yang sebenar ialah 46%. Cari kecekapan hukum kedua η_II, iaitu nisbah kecekapan sebenar kepada kecekapan Carnot.

T_H = 700 °CT_L = 15 °Cη = 46%

η_II = %

6.Enjin haba & peti sejukSukar

Sebuah enjin haba Carnot menerima 10 kW haba daripada sumber pada 400 °C dan membuang haba ke persekitaran pada 30 °C. Semua kerjanya menggerakkan peti sejuk Carnot yang mengeluarkan haba daripada pembeku pada -30 °C dan juga membuang haba ke persekitaran pada 30 °C. Cari kadar Q̇_L haba dikeluarkan daripada pembeku.

T_H = 400 °CT₀ = 30 °CT_L = -30 °CQ̇_H = 10 kW

Q̇_L = kW

7.Kitaran kuasa gasSederhana

Satu kitaran Diesel unggul mempunyai nisbah mampatan r = 14 dan nisbah potong r_c = v₃/v₂ = 1.5. Pada permulaan mampatan udara berada pada 320 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 haba yang ditambah q_in bagi setiap kilogram udara, dalam kJ/kg.

r = 14r_c = 1.5T₁ = 320 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Kitaran kuasa gasSukar

Sebuah loji turbin gas beroperasi pada kitaran Brayton dengan nisbah tekanan pemampat 12. Udara memasuki pemampat pada 288 K dan turbin pada 1500 K. Pemampat mempunyai kecekapan isentropik 88% dan turbin 92%. 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 keluaran kerja bersih w_net bagi setiap kilogram udara, dalam kJ/kg.

r_p = 12T₁ = 288 KT₃ = 1500 Kη_c = 88%η_t = 92%k = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 25.93 L

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

Mol

n = 140/28.01 = 4.998 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 4.998·8.314·343.1/550 = 25.93 L

Jawapan

V = 25.93 L

2.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 8.329 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 10 + 273.15 = 283.1 K

Ketumpatan

ρ = 700·28.01/(8.314·283.1) = 8.329 kg/m³

Jawapan

ρ = 8.329 kg/m³

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 18.37 °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 = 1·2.1·(160 − 110) = 105 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 105/(3·4.18) = 18.37 °C

Jawapan

t_out = 18.37 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.194 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2·2.44·(150 − 80) = 341.6 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·341.6 = 324.5 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 324.5/(4.18·65) = 1.194 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.194 kg/s

5.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: η_II = 65.35 %

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.

Suhu mutlak

T_H = 700 + 273.15 = 973.1 K

T_L = 15 + 273.15 = 288.1 K

Kecekapan Carnot

η_Carnot = 1 − 288.1/973.1 = 70.39 %

Kecekapan hukum kedua

η_II = η/η_Carnot = 46/70.39 = 65.35 %

Jawapan

η_II = 65.35 %

6.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: Q̇_L = 22.27 kW

Suhu mutlak

T_H = 400 + 273.15 = 673.1 K

T₀ = 30 + 273.15 = 303.1 K

T_L = -30 + 273.15 = 243.1 K

Kerja enjin

η = 1 − 303.1/673.1 = 0.5497

Ẇ = 0.5497·10 = 5.497 kW

Haba dikeluarkan oleh peti sejuk

COP_R = 243.1/(303.1 − 243.1) = 4.052

Q̇_L = 4.052·5.497 = 22.27 kW

Jawapan

Q̇_L = 22.27 kW

7.Kitaran kuasa gas

Jawapan: q_in = 462.1 kJ/kg

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)).

Suhu

T₂ = 320·14^0.4 = 919.6 K

T₃ = 1.5·919.6 = 1379 K

Haba ditambah pada tekanan malar

q_in = 1.005·(1379 − 919.6) = 462.1 kJ/kg

Jawapan

q_in = 462.1 kJ/kg

8.Kitaran kuasa gas

Jawapan: w_net = 364.9 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 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.

Suhu isentropik

T_2s = 288·12^0.2857 = 585.8 K

T_4s = 1500/12^0.2857 = 737.5 K

Kerja pemampat dan turbin

w_c = 1.005·(585.8 − 288)/0.88 = 340.1 kJ/kg

w_t = 0.92·1.005·(1500 − 737.5) = 705 kJ/kg

Kerja bersih

w_net = 705 − 340.1 = 364.9 kJ/kg

Jawapan

w_net = 364.9 kJ/kg

Nisbah kerja balik: w_c/w_t = 48.24%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1