Thermodynamica 1: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgaven Terug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Ideale gaswet

Ideale gaswet: pV = nRT
Gasconstante: R = 8,314 J/(mol·K)
Algemene gaswet: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Temperatuur: T[K] = T[°C] + 273,15

Energiebalans

Voelbare warmte: Q = ṁ·c_p·ΔT
Latente warmte: Q = ṁ·h_fg
Mengen: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Water: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Warmtemotoren en koelmachines

Rendement: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Carnotrendement: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP van de koelmachine: COP_R = Q_C/W
COP van de warmtepomp: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Energiebalans: Q_H = W + Q_C

Gaskringprocessen

Isentroop, volumeverhouding: T₂/T₁ = r^k−1
Isentroop, drukverhouding: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Otto-rendement: η = 1 − 1/r^k−1
Diesel-rendement: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Brayton-rendement: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Toegevoerde warmte: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Netto arbeid Brayton: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Isentrope rendementen: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Koude lucht: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Oefenopgaven

1.Ideale gaswetGemiddeld

Een tank van 30 L bevat 460 g N₂ bij 55 °C. Behandel het als een ideaal gas en vind de druk P.

m = 460 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Ideale gaswetMoeilijk

Vind de dichtheid ρ van He bij 600 kPa en 150 °C, als ideaal gas.

M = 4,003 g/molP = 600 kPaT = 150 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.EnergiebalansGemiddeld

Warme ethanol koelt water in een tegenstroomwarmtewisselaar zonder warmteverlies. Vind de uittredetemperatuur van het water t_out.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 140 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme glycolmengsel verwarmt water in een warmtewisselaar die 10% van de door de warme stroom afgegeven warmte aan de omgeving verliest. Vind het benodigde waterdebiet ṁ_c.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 80 °Ct: 20 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachinesGemiddeld

Een omkeerbare (Carnot)warmtemotor neemt per cyclus 3200 kJ warmte op uit een reservoir op 250 °C en staat 1977 kJ af. Vind de temperatuur T_L van het koude reservoir in °C.

T_H = 250 °CQ_H = 3200 kJQ_L = 1977 kJ

T_L = °C

6.Warmtemotoren en koelmachinesMoeilijk

Een koelkast houdt de koude ruimte op -25 °C in een keuken van 28 °C, en onttrekt warmte aan de koude ruimte met 1,5 kW. Vind het minimaal benodigde vermogen Ẇ_min.

T_H = 28 °CT_L = -25 °CQ̇_L = 1,5 kW

Ẇ_min = kW

7.GaskringprocessenGemiddeld

Een ideaal Diesel-kringproces heeft een compressieverhouding r = 19 en een afsnijverhouding r_c = v₃/v₂ = 3. Gebruik de koude-luchtstandaardaannamen: lucht is een ideaal gas met constante soortelijke warmtes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) en c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Vind het thermisch rendement η in procent.

r = 19r_c = 3k = 1,4

η = %

8.GaskringprocessenMoeilijk

Een gasturbine-installatie werkt volgens een Brayton-kringproces met een drukverhouding van de compressor van 10. Lucht komt de compressor in met 290 K en de turbine met 1500 K. De compressor heeft een isentroop rendement van 82% en de turbine 88%. Gebruik de koude-luchtstandaardaannamen: lucht is een ideaal gas met constante soortelijke warmtes, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) en c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Vind de netto arbeid w_net per kilogram lucht, in kJ/kg.

r_p = 10T₁ = 290 KT₃ = 1500 Kη_c = 82%η_t = 88%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Oplossingen

1.Ideale gaswet

Antwoord: P = 1494 kPa

Ideale gaswet: PV = nRT, met n = m/M.

Mol

n = m/M = 460/28,01 = 16,42 mol

T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Druk

P = nRT/V = 16,42·8,314·328,1/0,03 = 1494 kPa

Antwoord

P = 1494 kPa

2.Ideale gaswet

Antwoord: ρ = 0,6827 kg/m³

Dichtheid van een ideaal gas: ρ = PM/(RT).

Herschrijf de gaswet

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 150 + 273,15 = 423,1 K

Dichtheid

ρ = 600·4,003/(8,314·423,1) = 0,6827 kg/m³

Antwoord

ρ = 0,6827 kg/m³

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 44,19 °C

Energiebalans van de warmtewisselaar: zonder verliezen geldt ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Warmte afgegeven door de warme stroom

Q = 2,5·2,44·(180 − 140) = 244 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 244/(2·4,18) = 44,19 °C

Antwoord

t_out = 44,19 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 0,8859 kg/s

Energiebalans met verliezen: afgegeven warmte = opgenomen warmte + verloren warmte.

Afgegeven warmte

Q_h = 2·3,6·(120 − 80) = 288 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,1)·288 = 259,2 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 259,2/(4,18·70) = 0,8859 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 0,8859 kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: T_L = 50,06 °C

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.

Absolute temperatuur van de bron

T_H = 250 + 273,15 = 523,1 K

Warmteverhouding bij een omkeerbaar proces

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 523,1·1977/3200 = 323,2 K = 50,06 °C

Antwoord

T_L = 50,06 °C

6.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: Ẇ_min = 0,3204 kW

Grenzen van de tweede hoofdwet: geen kringproces tussen reservoirs op absolute temperaturen T_H en T_L kan beter zijn dan het omkeerbare (Carnot)proces: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) en COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energie blijft altijd behouden: Q_H = W + Q_L.

Absolute temperaturen

T_H = 28 + 273,15 = 301,1 K

T_L = -25 + 273,15 = 248,1 K

Best mogelijke COP

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 248,1/(301,1 − 248,1) = 4,682

Minimaal vermogen

Een omkeerbare machine, met de hoogste COP, heeft de minste arbeid nodig.

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 1,5/4,682 = 0,3204 kW

Antwoord

Ẇ_min = 0,3204 kW

7.Gaskringprocessen

Antwoord: η = 59,79 %

Diesel-kringproces (motor met compressieontsteking): 1→2 isentrope compressie, 2→3 warmtetoevoer bij constante druk, 3→4 isentrope expansie, 4→1 warmteafvoer bij constant volume. Met compressieverhouding r = v₁/v₂ en afsnijverhouding r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) en η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Afsnijterm

(3^1,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Thermisch rendement

η = 1 − 0,308·1,306 = 59,79%

Antwoord

η = 59,79%

8.Gaskringprocessen

Antwoord: w_net = 308,7 kJ/kg

Brayton-kringproces (gasturbine): 1→2 isentrope compressie, 2→3 warmtetoevoer bij constante druk, 3→4 isentrope expansie in de turbine, 4→1 warmteafvoer bij constante druk. Met drukverhouding r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k en η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Netto arbeid w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Met isentrope rendementen heeft de compressor w_s/η_c nodig en levert de turbine η_t·w_s.

Isentrope temperaturen

T_2s = 290·10^0,2857 = 559,9 K

T_4s = 1500/10^0,2857 = 776,9 K

Compressor- en turbinearbeid

w_c = 1,005·(559,9 − 290)/0,82 = 330,8 kJ/kg

w_t = 0,88·1,005·(1500 − 776,9) = 639,5 kJ/kg

Netto arbeid

w_net = 639,5 − 330,8 = 308,7 kJ/kg

Antwoord

w_net = 308,7 kJ/kg

Verhouding compressor- tot turbinearbeid (back-work ratio): w_c/w_t = 51,73%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1