Termodynamika 1: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadania Wróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Równanie stanu gazu doskonałego

Równanie stanu gazu doskonałego: pV = nRT
Stała gazowa: R = 8,314 J/(mol·K)
Prawo gazowe dla dwóch stanów: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mole: n = m/M
Temperatura: T[K] = T[°C] + 273,15

Bilans energii

Ciepło jawne: Q = ṁ·c_p·ΔT
Ciepło utajone: Q = ṁ·h_fg
Mieszanie: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Woda: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Silniki cieplne i chłodziarki

Sprawność: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Sprawność Carnota: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP chłodziarki: COP_R = Q_C/W
COP pompy ciepła: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Bilans energii: Q_H = W + Q_C

Obiegi silników cieplnych gazowych

Izentropa, stosunek objętości: T₂/T₁ = r^k−1
Izentropa, stosunek ciśnień: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Sprawność obiegu Otto: η = 1 − 1/r^k−1
Sprawność obiegu Diesla: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Sprawność obiegu Braytona: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Doprowadzone ciepło: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Praca netto obiegu Braytona: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Sprawności izentropowe: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Model zimnego powietrza: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Zadania do ćwiczenia

1.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni

Jaką objętość V zajmuje 220 g (Ar) przy 200 kPa i 30 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.

m = 220 gM = 39,95 g/molP = 200 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny

Stała ilość gazu (He) przechodzi od 250 kPa, 20 L, 15 °C do 150 kPa i 200 °C. Wyznacz nową objętość V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 20 LT₁ = 15 °CP₂ = 150 kPaT₂ = 200 °C

V₂ = L

3.Bilans energiiŚredni

Gorący czynnik (lekki olej) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie t_out.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 100 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Bilans energiiTrudny

Gorący czynnik (lekki olej) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 15% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁ_c.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Ct: 30 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Silniki cieplne i chłodziarkiŚredni

Silnik cieplny pracuje między zbiornikiem gorącym o temperaturze 200 °C a zbiornikiem zimnym o temperaturze 10 °C. Wyznacz największą możliwą sprawność cieplną η_max.

T_H = 200 °CT_L = 10 °C

η_max = %

6.Silniki cieplne i chłodziarkiTrudny

Silnik cieplny w każdym cyklu pobiera 2800 kJ ciepła ze zbiornika o temperaturze 700 °C, wykonuje 1540 kJ pracy, a resztę oddaje do zbiornika o temperaturze 25 °C. Wyznacz całkowitą entropię generowaną S_gen w jednym cyklu.

T_H = 700 °CT_L = 25 °CQ_H = 2800 kJW = 1540 kJ

S_gen = kJ/K

7.Obiegi silników cieplnych gazowychŚredni

Idealny obieg Diesla ma stopień sprężania r = 14 i stopień obciążenia r_c = v₃/v₂ = 2,2. Na początku sprężania powietrze ma temperaturę 320 K. Przyjmij założenia modelu zimnego powietrza: powietrze jest gazem doskonałym o stałych ciepłach właściwych, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) i c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Wyznacz doprowadzone ciepło q_in na kilogram powietrza, w kJ/kg.

r = 14r_c = 2,2T₁ = 320 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Obiegi silników cieplnych gazowychTrudny

Elektrownia z turbiną gazową pracuje w obiegu Braytona przy stosunku ciśnień w sprężarce 20. Powietrze wpływa do sprężarki w temperaturze 295 K, a do turbiny w temperaturze 1400 K. Obie maszyny są izentropowe. Przyjmij założenia modelu zimnego powietrza: powietrze jest gazem doskonałym o stałych ciepłach właściwych, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) i c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Wyznacz pracę netto w_net na kilogram powietrza, w kJ/kg.

r_p = 20T₁ = 295 KT₃ = 1400 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Roztwory

1.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: V = 69,4 L

Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.

Mole

n = 220/39,95 = 5,507 mol

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

Objętość

V = nRT/P = 5,507·8,314·303,1/200 = 69,4 L

Odpowiedź

V = 69,4 L

2.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: V₂ = 54,73 L

Równanie Clapeyrona dla stałej ilości gazu: P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Temperatury bezwzględne

T₁ = 288,1 K, T₂ = 473,1 K

Prawo gazowe dla dwóch stanów

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 20·(250/150)·(473,1/288,1) = 54,73 L

Odpowiedź

V₂ = 54,73 L

3.Bilans energii

Odpowiedź: t_out = 140,6 °C

Bilans energii wymiennika: bez strat ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Ciepło oddane przez strumień gorący

Q = 2·2,1·(160 − 100) = 252 kW

Ciepło przejęte przez wodę

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 252/(0,5·4,18) = 140,6 °C

Odpowiedź

t_out = 140,6 °C

4.Bilans energii

Odpowiedź: ṁ_c = 0,2669 kg/s

Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.

Ciepło oddane

Q_h = 0,5·2,1·(130 − 80) = 52,5 kW

Ciepło, które trafia do wody

Q_c = (1 − 0,15)·52,5 = 44,63 kW

Natężenie przepływu wody

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 44,63/(4,18·40) = 0,2669 kg/s

Odpowiedź

ṁ_c = 0,2669 kg/s

5.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: η_max = 40,16 %

Ograniczenia z drugiej zasady: żaden obieg pracujący między zbiornikami o temperaturach bezwzględnych T_H i T_L nie przewyższy obiegu odwracalnego (Carnota): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) i COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energia jest zawsze zachowana: Q_H = W + Q_L.

Temperatury bezwzględne

T_H = 200 + 273,15 = 473,1 K

T_L = 10 + 273,15 = 283,1 K

Sprawność Carnota

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 283,1/473,1 = 40,16 %

Odpowiedź

η_max = 40,16 %

6.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: S_gen = 1,349 kJ/K

Generacja entropii: w pełnym cyklu czynnik roboczy nie zmienia swojej entropii. Zbiornik gorący traci Q_H/T_H, a zbiornik chłodny zyskuje Q_L/T_L. Ich suma to entropia generowana, równa zeru dla obiegu odwracalnego i dodatnia dla każdego rzeczywistego.

Ciepło oddane

Q_L = Q_H − W = 2800 − 1540 = 1260 kJ

Temperatury bezwzględne

T_H = 700 + 273,15 = 973,1 K

T_L = 25 + 273,15 = 298,1 K

Zmiany entropii zbiorników

ΔS_H = −2800/973,1 = −2,877 kJ/K

ΔS_L = 1260/298,1 = 4,226 kJ/K

S_gen = 4,226 − 2,877 = 1,349 kJ/K

Odpowiedź

S_gen = 1,349 kJ/K

S_gen > 0, więc silnik jest możliwy, ale nieodwracalny.

7.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: q_in = 1109 kJ/kg

Obieg Diesla (silnik o zapłonie samoczynnym): 1→2 sprężanie izentropowe, 2→3 doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu, 3→4 rozprężanie izentropowe, 4→1 odprowadzenie ciepła przy stałej objętości. Przy stopniu sprężania r = v₁/v₂ i stopniu obciążenia r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) oraz η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Temperatury

T₂ = 320·14^0,4 = 919,6 K

T₃ = 2,2·919,6 = 2023 K

Ciepło doprowadzone przy stałym ciśnieniu

q_in = 1,005·(2023 − 919,6) = 1109 kJ/kg

Odpowiedź

q_in = 1109 kJ/kg

8.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: w_net = 407,9 kJ/kg

Obieg Braytona (turbina gazowa): 1→2 sprężanie izentropowe, 2→3 doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu, 3→4 rozprężanie izentropowe w turbinie, 4→1 odprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu. Przy stosunku ciśnień r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k oraz η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Praca netto w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Przy sprawnościach izentropowych sprężarka wymaga w_s/η_c, a turbina daje η_t·w_s.

Temperatury izentropowe

T₂ = 295·20^0,2857 = 694,3 K

T₄ = 1400/20^0,2857 = 594,8 K

Praca sprężarki i turbiny

w_c = 1,005·(694,3 − 295) = 401,3 kJ/kg

w_t = 1,005·(1400 − 594,8) = 809,2 kJ/kg

Praca netto

w_net = 809,2 − 401,3 = 407,9 kJ/kg

Odpowiedź

w_net = 407,9 kJ/kg

Wskaźnik pracy zwrotnej: w_c/w_t = 49,59%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1