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 150 kPa en 75 °C? Behandel het als een ideaal gas.

m = 340 gM = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Ideale gaswetMoeilijk

Een vaste hoeveelheid CO₂ gaat van 350 kPa, 5 L, 25 °C naar 450 kPa en 210 °C. Vind het nieuwe volume V₂.

P₁ = 350 kPaV₁ = 5 LT₁ = 25 °CP₂ = 450 kPaT₂ = 210 °C

V₂ = L

3.EnergiebalansGemiddeld

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

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Cṁ_c = 3 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: 170 → 110 °Ct: 20 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)verlies = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachinesGemiddeld

Een warmtemotor werkt tussen een warm reservoir van 500 °C en een koud reservoir van 15 °C. Vind het hoogst mogelijke thermisch rendement η_max.

T_H = 500 °CT_L = 15 °C

η_max = %

6.Warmtemotoren en koelmachinesMoeilijk

Een Carnotwarmtemotor krijgt 40 kW warmte van een bron op 850 °C en staat warmte af aan de omgeving op 20 °C. Al zijn arbeid drijft een Carnotkoelmachine aan die warmte onttrekt aan een vriezer op -15 °C en ook warmte afstaat aan de omgeving op 20 °C. Vind de warmtestroom Q̇_L die aan de vriezer wordt onttrokken.

T_H = 850 °CT₀ = 20 °CT_L = -15 °CQ̇_H = 40 kW

Q̇_L = kW

7.GaskringprocessenGemiddeld

Een ideaal Diesel-kringproces heeft een compressieverhouding r = 22 en een afsnijverhouding r_c = v₃/v₂ = 1,8. Aan het begin van de compressie heeft de lucht 290 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 = 22r_c = 1,8T₁ = 290 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.GaskringprocessenMoeilijk

Een ideaal Brayton-kringproces werkt met een drukverhouding van de compressor van 12. 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_p = 12k = 1,4

η = %

3Oplossingen

1.Ideale gaswet

Antwoord: V = 164,2 L

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

Mol

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

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 8,511·8,314·348,1/150 = 164,2 L

Antwoord

V = 164,2 L

2.Ideale gaswet

Antwoord: V₂ = 6,302 L

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

Absolute temperaturen

T₁ = 298,1 K, T₂ = 483,1 K

Algemene gaswet

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(350/450)·(483,1/298,1) = 6,302 L

Antwoord

V₂ = 6,302 L

3.Energiebalans

Antwoord: t_out = 49,45 °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 = 2·3,6·(150 − 90) = 432 kW

Warmte opgenomen door het water

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 432/(3·4,18) = 49,45 °C

Antwoord

t_out = 49,45 °C

4.Energiebalans

Antwoord: ṁ_c = 3,721 kg/s

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

Afgegeven warmte

Q_h = 2·3,6·(170 − 110) = 432 kW

Warmte die het water bereikt

Q_c = (1 − 0,1)·432 = 388,8 kW

Waterdebiet

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 388,8/(4,18·25) = 3,721 kg/s

Antwoord

ṁ_c = 3,721 kg/s

5.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: η_max = 62,73 %

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 = 500 + 273,15 = 773,1 K

T_L = 15 + 273,15 = 288,1 K

Carnotrendement

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288,1/773,1 = 62,73 %

Antwoord

η_max = 62,73 %

6.Warmtemotoren en koelmachines

Antwoord: Q̇_L = 218 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 = 850 + 273,15 = 1123 K

T₀ = 20 + 273,15 = 293,1 K

T_L = -15 + 273,15 = 258,1 K

Arbeid van de motor

η = 1 − 293,1/1123 = 0,739

Ẇ = 0,739·40 = 29,56 kW

Door de koelmachine onttrokken warmte

COP_R = 258,1/(293,1 − 258,1) = 7,376

Q̇_L = 7,376·29,56 = 218 kW

Antwoord

Q̇_L = 218 kW

7.Gaskringprocessen

Antwoord: q_in = 802,8 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 = 290·22^0,4 = 998,5 K

T₃ = 1,8·998,5 = 1797 K

Toegevoerde warmte bij constante druk

q_in = 1,005·(1797 − 998,5) = 802,8 kJ/kg

Antwoord

q_in = 802,8 kJ/kg

8.Gaskringprocessen

Antwoord: η = 50,83 %

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.

Thermisch rendement

η = 1 − 1/12^0,2857 = 1 − 1/2,034 = 50,83%

Antwoord

η = 50,83%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1