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

Satu tangki 5 L mengandungi 90 g N₂ pada 85 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 90 gM = 28.01 g/molV = 5 LT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Hukum gas unggulSukar

Jumlah He yang tetap berubah daripada 400 kPa, 10 L, 30 °C kepada 300 kPa dan 210 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 10 LT₁ = 30 °CP₂ = 300 kPaT₂ = 210 °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 = 0.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

minyak ringan 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 = 2.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Ct: 15 → 55 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Enjin haba & peti sejukSederhana

Satu enjin haba beroperasi antara takungan panas pada 350 °C dan takungan sejuk pada 40 °C. Ia menyerap 800 kJ haba. Cari kerja paling banyak W_max yang mungkin dihasilkannya.

T_H = 350 °CT_L = 40 °CQ_H = 800 kJ

W_max = kJ

6.Enjin haba & peti sejukSukar

Sebuah pam haba membekalkan 20 kW haba kepada sistem pemanasan pada 35 °C, dengan mengambil haba daripada sumber pada -5 °C. COP sebenarnya ialah 35% daripada COP Carnot antara suhu-suhu ini. Cari kuasa elektrik Ẇ yang digunakannya.

T_H = 35 °CT_L = -5 °Cη_II = 35%Q̇_H = 20 kW

Ẇ = kW

7.Kitaran kuasa gasSederhana

Satu kitaran Diesel unggul mempunyai nisbah mampatan r = 22 dan nisbah potong r_c = v₃/v₂ = 2. 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 = 22r_c = 2k = 1.4

η = %

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: P = 1914 kPa

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

Mol

n = m/M = 90/28.01 = 3.213 mol

T = 85 + 273.15 = 358.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 3.213·8.314·358.1/0.005 = 1914 kPa

Jawapan

P = 1914 kPa

2.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 21.25 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 303.1 K, T₂ = 483.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(400/300)·(483.1/303.1) = 21.25 L

Jawapan

V₂ = 21.25 L

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 35.77 °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 = 0.5·3.6·(170 − 120) = 90 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 90/(2·4.18) = 35.77 °C

Jawapan

t_out = 35.77 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.79 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2.5·2.1·(120 − 60) = 315 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·315 = 299.3 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 299.3/(4.18·40) = 1.79 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.79 kg/s

5.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: W_max = 398 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 = 350 + 273.15 = 623.1 K

T_L = 40 + 273.15 = 313.1 K

Kecekapan Carnot

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 313.1/623.1 = 49.75 %

Kerja maksimum

W_max = η_max·Q_H = 0.4975·800 = 398 kJ

Jawapan

W_max = 398 kJ

6.Enjin haba & peti sejuk

Jawapan: Ẇ = 7.418 kW

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 = 35 + 273.15 = 308.1 K

T_L = -5 + 273.15 = 268.1 K

COP Carnot dan sebenar

COP_max = 308.1/(308.1 − 268.1) = 7.704

COP = 0.35·7.704 = 2.696

Kuasa masukan

Ẇ = Q̇_H/COP = 20/2.696 = 7.418 kW

Jawapan

Ẇ = 7.418 kW

7.Kitaran kuasa gas

Jawapan: η = 66 %

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)).

Sebutan potong

(2^1.4 − 1)/(1.4·(2 − 1)) = 1.171

Kecekapan terma

η = 1 − 0.2904·1.171 = 66%

Jawapan

η = 66%

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