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 310 g He pada 300 kPa dan 20 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 310 gM = 4.003 g/molP = 300 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CH₄ yang tetap berubah daripada 200 kPa, 10 L, 35 °C kepada 150 kPa dan 140 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 200 kPaV₁ = 10 LT₁ = 35 °CP₂ = 150 kPaT₂ = 140 °C

V₂ = L

3.Imbangan tenagaSederhana

campuran glikol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °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: 120 → 60 °Ct: 10 → 30 °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 350 °C dan membuang haba ke persekitaran pada 30 °C. Kecekapan termanya yang sebenar ialah 36%. Cari kecekapan hukum kedua η_II, iaitu nisbah kecekapan sebenar kepada kecekapan Carnot.

T_H = 350 °CT_L = 30 °Cη = 36%

η_II = %

6.Enjin haba & peti sejukSukar

Dua enjin Carnot bekerja secara bersiri. Enjin A menerima haba daripada takungan pada 900 °C dan membuang haba ke takungan perantaraan pada suhu T_m. Enjin B mengambil semua haba itu dan membuang haba ke takungan pada 30 °C. Kedua-dua enjin menghasilkan kerja yang sama. Cari T_m dalam °C.

T_H = 900 °CT_L = 30 °C

T_m = °C

7.Kitaran kuasa gasSederhana

Satu kitaran Diesel unggul mempunyai nisbah mampatan r = 16 dan nisbah potong r_c = v₃/v₂ = 1.8. Pada permulaan mampatan udara berada pada 295 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 = 16r_c = 1.8T₁ = 295 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 290 K dan turbin pada 1300 K. Kedua-dua mesin adalah isentropik. 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 = 290 KT₃ = 1300 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 629.2 L

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

Mol

n = 310/4.003 = 77.44 mol

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 77.44·8.314·293.1/300 = 629.2 L

Jawapan

V = 629.2 L

2.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 17.88 L

Hukum gas gabungan: bagi jumlah gas unggul yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 308.1 K, T₂ = 413.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(200/150)·(413.1/308.1) = 17.88 L

Jawapan

V₂ = 17.88 L

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 42.22 °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 = 1.5·3.6·(150 − 110) = 216 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 216/(3·4.18) = 42.22 °C

Jawapan

t_out = 42.22 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 3.327 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2·2.44·(120 − 60) = 292.8 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·292.8 = 278.2 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 278.2/(4.18·20) = 3.327 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 3.327 kg/s

5.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: η_II = 70.1 %

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 = 350 + 273.15 = 623.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

Kecekapan Carnot

η_Carnot = 1 − 303.1/623.1 = 51.35 %

Kecekapan hukum kedua

η_II = η/η_Carnot = 36/51.35 = 70.1 %

Jawapan

η_II = 70.1 %

6.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: T_m = 465 °C

Suhu mutlak

T_H = 900 + 273.15 = 1173 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

Kerja yang sama

W = Q·(1 − T_low/T_high) dan Q/T adalah sama pada setiap takungan, maka W berkadar dengan penurunan suhu.

T_m = (1173 + 303.1)/2 = 738.2 K = 465 °C

Jawapan

T_m = 465 °C

7.Kitaran kuasa gas

Jawapan: q_in = 719 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 = 295·16^0.4 = 894.3 K

T₃ = 1.8·894.3 = 1610 K

Haba ditambah pada tekanan malar

q_in = 1.005·(1610 − 894.3) = 719 kJ/kg

Jawapan

q_in = 719 kJ/kg

8.Kitaran kuasa gas

Jawapan: w_net = 362.8 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

T₂ = 290·12^0.2857 = 589.8 K

T₄ = 1300/12^0.2857 = 639.2 K

Kerja pemampat dan turbin

w_c = 1.005·(589.8 − 290) = 301.3 kJ/kg

w_t = 1.005·(1300 − 639.2) = 664.1 kJ/kg

Kerja bersih

w_net = 664.1 − 301.3 = 362.8 kJ/kg

Jawapan

w_net = 362.8 kJ/kg

Nisbah kerja balik: w_c/w_t = 45.37%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1