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 180 g (CH₄) przy 450 kPa i 70 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.

m = 180 gM = 16,04 g/molP = 450 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny

Wyznacz gęstość ρ gazu (CH₄) przy 350 kPa i 140 °C, traktując go jak gaz doskonały.

M = 16,04 g/molP = 350 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Bilans energiiŚredni

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

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Bilans energiiTrudny

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

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 90 °Ct: 10 → 90 °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 450 °C a zbiornikiem zimnym o temperaturze 5 °C. Pobiera 4000 kJ ciepła. Wyznacz największą pracę W_max, jaką mógłby wykonać.

T_H = 450 °CT_L = 5 °CQ_H = 4000 kJ

W_max = kJ

6.Silniki cieplne i chłodziarkiTrudny

Dwa silniki Carnota pracują szeregowo. Silnik A pobiera ciepło ze zbiornika o temperaturze 1150 °C i oddaje ciepło do zbiornika pośredniego o temperaturze T_m. Silnik B pobiera całe to ciepło i oddaje ciepło do zbiornika o temperaturze 40 °C. Oba silniki wykonują tę samą pracę. Wyznacz T_m w °C.

T_H = 1150 °CT_L = 40 °C

T_m = °C

7.Obiegi silników cieplnych gazowychŚredni

Idealny obieg Diesla ma stopień sprężania r = 18 i stopień obciążenia r_c = v₃/v₂ = 1,5. Na początku sprężania powietrze ma temperaturę 300 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 = 18r_c = 1,5T₁ = 300 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 18. Powietrze wpływa do sprężarki w temperaturze 310 K, a do turbiny w temperaturze 1300 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 = 18T₁ = 310 KT₃ = 1300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Roztwory

1.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: V = 71,15 L

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

Mole

n = 180/16,04 = 11,22 mol

T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Objętość

V = nRT/P = 11,22·8,314·343,1/450 = 71,15 L

Odpowiedź

V = 71,15 L

2.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: ρ = 1,634 kg/m³

Gęstość gazu doskonałego: ρ = PM/(RT).

Przekształć prawo gazowe

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 140 + 273,15 = 413,1 K

Gęstość

ρ = 350·16,04/(8,314·413,1) = 1,634 kg/m³

Odpowiedź

ρ = 1,634 kg/m³

3.Bilans energii

Odpowiedź: t_out = 19,73 °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 = 1·2,44·(130 − 80) = 122 kW

Ciepło przejęte przez wodę

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 122/(3·4,18) = 19,73 °C

Odpowiedź

t_out = 19,73 °C

4.Bilans energii

Odpowiedź: ṁ_c = 2,196 kg/s

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

Ciepło oddane

Q_h = 3·3,6·(170 − 90) = 864 kW

Ciepło, które trafia do wody

Q_c = (1 − 0,15)·864 = 734,4 kW

Natężenie przepływu wody

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 734,4/(4,18·80) = 2,196 kg/s

Odpowiedź

ṁ_c = 2,196 kg/s

5.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: W_max = 2461 kJ

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 = 450 + 273,15 = 723,1 K

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

Sprawność Carnota

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 278,1/723,1 = 61,54 %

Maksymalna praca

W_max = η_max·Q_H = 0,6154·4000 = 2461 kJ

Odpowiedź

W_max = 2461 kJ

6.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: T_m = 595 °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.

Temperatury bezwzględne

T_H = 1150 + 273,15 = 1423 K

T_L = 40 + 273,15 = 313,1 K

Równa praca

W = Q·(1 − T_low/T_high), a Q/T jest takie samo w każdym zbiorniku, więc W jest proporcjonalne do spadku temperatury.

T_m = (1423 + 313,1)/2 = 868,2 K = 595 °C

Odpowiedź

T_m = 595 °C

7.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: q_in = 479 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 = 300·18^0,4 = 953,3 K

T₃ = 1,5·953,3 = 1430 K

Ciepło doprowadzone przy stałym ciśnieniu

q_in = 1,005·(1430 − 953,3) = 479 kJ/kg

Odpowiedź

q_in = 479 kJ/kg

8.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: w_net = 334,5 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 = 310·18^0,2857 = 708 K

T₄ = 1300/18^0,2857 = 569,2 K

Praca sprężarki i turbiny

w_c = 1,005·(708 − 310) = 400 kJ/kg

w_t = 1,005·(1300 − 569,2) = 734,4 kJ/kg

Praca netto

w_net = 734,4 − 400 = 334,5 kJ/kg

Odpowiedź

w_net = 334,5 kJ/kg

Wskaźnik pracy zwrotnej: w_c/w_t = 54,46%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1