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 100 g (CO₂) przy 800 kPa i 40 °C? Potraktuj go jak gaz doskonały.

m = 100 gM = 44,01 g/molP = 800 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

2.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny

Wyznacz gęstość ρ gazu (N₂) przy 350 kPa i 10 °C, traktując go jak gaz doskonały.

M = 28,01 g/molP = 350 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Bilans energiiŚredni

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °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 = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Ct: 10 → 80 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Silniki cieplne i chłodziarkiŚredni

Odwracalny silnik cieplny (Carnota) pobiera w każdym cyklu 4000 kJ ciepła ze zbiornika o temperaturze 225 °C i oddaje 2354 kJ. Wyznacz temperaturę T_L zbiornika chłodnego w °C.

T_H = 225 °CQ_H = 4000 kJQ_L = 2354 kJ

T_L = °C

6.Silniki cieplne i chłodziarkiTrudny

Silnik cieplny Carnota pobiera 40 kW ciepła ze źródła o temperaturze 950 °C i oddaje ciepło do otoczenia o temperaturze 30 °C. Cała jego praca napędza chłodziarkę Carnota, która odbiera ciepło z zamrażarki o temperaturze -5 °C i również oddaje ciepło do otoczenia o temperaturze 30 °C. Wyznacz strumień ciepła Q̇_L odbieranego z zamrażarki.

T_H = 950 °CT₀ = 30 °CT_L = -5 °CQ̇_H = 40 kW

Q̇_L = kW

7.Obiegi silników cieplnych gazowychŚredni

Idealny obieg Diesla ma stopień sprężania r = 20 i stopień obciążenia r_c = v₃/v₂ = 2,5. 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 = 20r_c = 2,5T₁ = 300 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Obiegi silników cieplnych gazowychTrudny

Idealny obieg Braytona pracuje przy stosunku ciśnień w sprężarce 15. 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 jego sprawność cieplną η w procentach.

r_p = 15k = 1,4

η = %

3Roztwory

1.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: V = 7,395 L

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

Mole

n = 100/44,01 = 2,272 mol

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

Objętość

V = nRT/P = 2,272·8,314·313,1/800 = 7,395 L

Odpowiedź

V = 7,395 L

2.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: ρ = 4,164 kg/m³

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

Przekształć prawo gazowe

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Gęstość

ρ = 350·28,01/(8,314·283,1) = 4,164 kg/m³

Odpowiedź

ρ = 4,164 kg/m³

3.Bilans energii

Odpowiedź: t_out = 66,87 °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 = 2,5·2,1·(170 − 120) = 262,5 kW

Ciepło przejęte przez wodę

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 262,5/(1,5·4,18) = 66,87 °C

Odpowiedź

t_out = 66,87 °C

4.Bilans energii

Odpowiedź: ṁ_c = 0,4706 kg/s

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

Ciepło oddane

Q_h = 1,5·3,6·(120 − 90) = 162 kW

Ciepło, które trafia do wody

Q_c = (1 − 0,15)·162 = 137,7 kW

Natężenie przepływu wody

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 137,7/(4,18·70) = 0,4706 kg/s

Odpowiedź

ṁ_c = 0,4706 kg/s

5.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: T_L = 20,01 °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.

Temperatura bezwzględna źródła

T_H = 225 + 273,15 = 498,1 K

Stosunek ciepeł w obiegu odwracalnym

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 498,1·2354/4000 = 293,2 K = 20,01 °C

Odpowiedź

T_L = 20,01 °C

6.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: Q̇_L = 230,5 kW

Temperatury bezwzględne

T_H = 950 + 273,15 = 1223 K

T₀ = 30 + 273,15 = 303,1 K

T_L = -5 + 273,15 = 268,1 K

Praca silnika

η = 1 − 303,1/1223 = 0,7522

Ẇ = 0,7522·40 = 30,09 kW

Ciepło odbierane przez chłodziarkę

COP_R = 268,1/(303,1 − 268,1) = 7,661

Q̇_L = 7,661·30,09 = 230,5 kW

Odpowiedź

Q̇_L = 230,5 kW

7.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: q_in = 1499 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 = 300·20^0,4 = 994,3 K

T₃ = 2,5·994,3 = 2486 K

Ciepło doprowadzone przy stałym ciśnieniu

q_in = 1,005·(2486 − 994,3) = 1499 kJ/kg

Odpowiedź

q_in = 1499 kJ/kg

8.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: η = 53,87 %

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.

Sprawność cieplna

η = 1 − 1/15^0,2857 = 1 − 1/2,168 = 53,87%

Odpowiedź

η = 53,87%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1