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

Welk volume V neemt 340 g Ar in bij 250 kPa en 80 °C? Behandel het als een ideaal gas.

m = 340 gM = 39,95 g/molP = 250 kPaT = 80 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Ideale gaswetMoeilijk

Een vaste hoeveelheid O₂ gaat van 400 kPa, 5 L, 35 °C naar 800 kPa en 50 °C. Vind het nieuwe volume V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 5 LT₁ = 35 °CP₂ = 800 kPaT₂ = 50 °C

V₂ = L

3.EnergiebalansGemiddeld

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

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.EnergiebalansMoeilijk

Warme lichte olie verwarmt water in een warmtewisselaar die 5% van de door de warme stroom afgegeven warmte aan de omgeving verliest. Vind het benodigde waterdebiet ṁ_c.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 110 °Ct: 20 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachinesGemiddeld

Een omkeerbare koelmachine houdt een koelcel op -25 °C door 7,5 kW warmte te onttrekken, en staat warmte af aan de omgeving op 30 °C. Vind de warmtestroom Q̇_H die hij afstaat.

T_L = -25 °CT_H = 30 °CQ̇_L = 7,5 kW

Q̇_H = kW

6.Warmtemotoren en koelmachinesMoeilijk

Een warmtepomp houdt een huis op 22 °C terwijl het buiten 5 °C is, en levert 13 kW warmte aan het huis. Vind het minimaal benodigde vermogen Ẇ_min.

T_H = 22 °CT_L = 5 °CQ̇_H = 13 kW

Ẇ_min = kW

7.GaskringprocessenGemiddeld

Een ideaal Diesel-kringproces heeft een compressieverhouding r = 20 en een afsnijverhouding r_c = v₃/v₂ = 2. Aan het begin van de compressie heeft de lucht 305 K. 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 toegevoerde warmte q_in per kilogram lucht, in kJ/kg.

r = 20r_c = 2T₁ = 305 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.GaskringprocessenMoeilijk

Een gasturbine-installatie werkt volgens een Brayton-kringproces met een drukverhouding van de compressor van 20. Lucht komt de compressor in met 290 K en de turbine met 1300 K. De compressor heeft een isentroop rendement van 82% en de turbine 92%. 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 = 20T₁ = 290 KT₃ = 1300 Kη_c = 82%η_t = 92%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Oplossingen

1.Ideale gaswet

Antwoord: V = 99,95 L

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

Mol

n = 340/39,95 = 8,511 mol

T = 80 + 273,15 = 353,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,511·8,314·353,1/250 = 99,95 L

Antwoord

V = 99,95 L

2.Ideale gaswet

Antwoord: V₂ = 2,622 L

Algemene gaswet: voor een vaste hoeveelheid ideaal gas geldt P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Absolute temperaturen

T₁ = 308,1 K, T₂ = 323,1 K

Algemene gaswet

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(400/800)·(323,1/308,1) = 2,622 L

Antwoord

V₂ = 2,622 L

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 27,51 °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 = 1,5·2,44·(160 − 120) = 146,4 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 146,4/(2·4,18) = 27,51 °C

Antwoord

t_out = 27,51 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 2,005 kg/s

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

Afgegeven warmte

Q_h = 1,5·2,1·(180 − 110) = 220,5 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,05)·220,5 = 209,5 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 209,5/(4,18·25) = 2,005 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 2,005 kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: Q̇_H = 9,162 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.

Absolute temperaturen

T_H = 30 + 273,15 = 303,1 K

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

Warmteverhouding bij een omkeerbaar proces

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 7,5·303,1/248,1 = 9,162 kW

Antwoord

Q̇_H = 9,162 kW

Opgenomen vermogen: Ẇ = 1,662 kW.

6.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: Ẇ_min = 0,7488 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 = 22 + 273,15 = 295,1 K

T_L = 5 + 273,15 = 278,1 K

Best mogelijke COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 295,1/(295,1 − 278,1) = 17,36

Minimaal vermogen

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

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 13/17,36 = 0,7488 kW

Antwoord

Ẇ_min = 0,7488 kW

7.Gaskringprocessen

Antwoord: q_in = 1016 kJ/kg

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)).

Temperaturen

T₂ = 305·20^0,4 = 1011 K

T₃ = 2·1011 = 2022 K

Toegevoerde warmte bij constante druk

q_in = 1,005·(2022 − 1011) = 1016 kJ/kg

Antwoord

q_in = 1016 kJ/kg

8.Gaskringprocessen

Antwoord: w_net = 210,2 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 = 290·20^0,2857 = 682,5 K

T_4s = 1300/20^0,2857 = 552,4 K

Compressor- en turbinearbeid

w_c = 1,005·(682,5 − 290)/0,82 = 481,1 kJ/kg

w_t = 0,92·1,005·(1300 − 552,4) = 691,3 kJ/kg

Netto arbeid

w_net = 691,3 − 481,1 = 210,2 kJ/kg

Antwoord

w_net = 210,2 kJ/kg

Verhouding compressor- tot turbinearbeid (back-work ratio): w_c/w_t = 69,59%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1