Термодинамика 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа: pV = nRT
Газовая постоянная: R = 8,314 J/(mol·K)
Объединённый газовый закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Моли: n = m/M
Температура: T[K] = T[°C] + 273,15

Энергетический баланс

Явная теплота: Q = ṁ·c_p·ΔT
Скрытая теплота: Q = ṁ·h_fg
Смешение: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Вода: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Тепловые машины и холодильники

КПД: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
КПД Карно: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
COP холодильника: COP_R = Q_C/W
COP теплового насоса: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Энергетический баланс: Q_H = W + Q_C

Газовые циклы

Изоэнтропный процесс, отношение объёмов: T₂/T₁ = r^k−1
Изоэнтропный процесс, отношение давлений: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
КПД цикла Отто: η = 1 − 1/r^k−1
КПД цикла Дизеля: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
КПД цикла Брайтона: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Подведённая теплота: Отто: c_v(T₃ − T₂) Дизель, Брайтон: c_p(T₃ − T₂)
Полезная работа цикла Брайтона: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
Изоэнтропные КПД: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Холодный воздух: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Тренировочные задачи

1.Уравнение состояния идеального газаСредняя

Резервуар объёмом 20 L содержит 360 g газа (CH₄) при 55 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 360 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Уравнение состояния идеального газаСложная

Постоянное количество газа (He) переходит от 250 kPa, 5 L, 20 °C к 100 kPa и 90 °C. Найдите новый объём V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 5 LT₁ = 20 °CP₂ = 100 kPaT₂ = 90 °C

V₂ = L

3.Энергетический балансСредняя

Горячий теплоноситель (лёгкое масло) охлаждает воду в противоточном теплообменнике без потерь тепла. Найдите температуру воды на выходе t_out.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 60 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Энергетический балансСложная

Горячий теплоноситель (гликолевая смесь) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 5% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁ_c.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Ct: 20 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Тепловые машины и холодильникиСредняя

Обратимая тепловая машина (машина Карно) за цикл получает 3800 kJ теплоты от резервуара при 550 °C и отдаёт 1261 kJ. Найдите температуру T_L холодного резервуара в °C.

T_H = 550 °CQ_H = 3800 kJQ_L = 1261 kJ

T_L = °C

6.Тепловые машины и холодильникиСложная

Тепловая машина Карно получает 40 kW теплоты от источника при 850 °C и отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Вся её работа приводит холодильную машину Карно, которая отводит теплоту из морозильной камеры при -20 °C и тоже отдаёт теплоту окружающей среде при 30 °C. Найдите тепловой поток Q̇_L, отводимый из морозильной камеры.

T_H = 850 °CT₀ = 30 °CT_L = -20 °CQ̇_H = 40 kW

Q̇_L = kW

7.Газовые циклыСредняя

Идеальный цикл Дизеля имеет степень сжатия r = 19 и степень предварительного расширения r_c = v₃/v₂ = 2,5. В начале сжатия температура воздуха 295 K. Используйте допущения холодного воздушного стандарта: воздух — идеальный газ с постоянными теплоёмкостями, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) и c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Найдите подведённую теплоту q_in на килограмм воздуха, в kJ/kg.

r = 19r_c = 2,5T₁ = 295 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Газовые циклыСложная

Газотурбинная установка работает по циклу Брайтона со степенью повышения давления в компрессоре 12. Воздух поступает в компрессор при 288 K, а в турбину — при 1400 K. Изоэнтропный КПД компрессора 80%, турбины 92%. Используйте допущения холодного воздушного стандарта: воздух — идеальный газ с постоянными теплоёмкостями, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) и c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Найдите полезную работу w_net на килограмм воздуха, в kJ/kg.

r_p = 12T₁ = 288 KT₃ = 1400 Kη_c = 80%η_t = 92%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Растворы

1.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 3062 kPa

Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.

Моли

n = m/M = 360/16,04 = 22,44 mol

T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Давление

P = nRT/V = 22,44·8,314·328,1/0,02 = 3062 kPa

Ответ

P = 3062 kPa

2.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V₂ = 15,48 L

Объединённый газовый закон: для постоянного количества идеального газа P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Абсолютные температуры

T₁ = 293,1 K, T₂ = 363,1 K

Объединённый газовый закон

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(250/100)·(363,1/293,1) = 15,48 L

Ответ

V₂ = 15,48 L

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 125,5 °C

Энергетический баланс теплообменника: без потерь ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 3·2,1·(160 − 60) = 630 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 630/(1,5·4,18) = 125,5 °C

Ответ

t_out = 125,5 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 0,3506 kg/s

Энергетический баланс с потерями: отданная теплота = полученная теплота + потерянная теплота.

Отданная теплота

Q_h = 0,5·3,6·(130 − 100) = 54 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,05)·54 = 51,3 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 51,3/(4,18·35) = 0,3506 kg/s

Ответ

ṁ_c = 0,3506 kg/s

5.Тепловые машины и холодильники

Ответ: T_L = 0,005829 °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.

Абсолютная температура источника

T_H = 550 + 273,15 = 823,1 K

Отношение теплот для обратимого цикла

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 823,1·1261/3800 = 273,2 K = 0,005829 °C

Ответ

T_L = 0,005829 °C

6.Тепловые машины и холодильники

Ответ: Q̇_L = 147,9 kW

Абсолютные температуры

T_H = 850 + 273,15 = 1123 K

T₀ = 30 + 273,15 = 303,1 K

T_L = -20 + 273,15 = 253,1 K

Работа машины

η = 1 − 303,1/1123 = 0,7301

Ẇ = 0,7301·40 = 29,2 kW

Теплота, отводимая холодильником

COP_R = 253,1/(303,1 − 253,1) = 5,063

Q̇_L = 5,063·29,2 = 147,9 kW

Ответ

Q̇_L = 147,9 kW

7.Газовые циклы

Ответ: q_in = 1444 kJ/kg

Цикл Дизеля (двигатель с воспламенением от сжатия): 1→2 изоэнтропное сжатие, 2→3 подвод теплоты при постоянном давлении, 3→4 изоэнтропное расширение, 4→1 отвод теплоты при постоянном объёме. При степени сжатия r = v₁/v₂ и степени предварительного расширения r_c = v₃/v₂: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) и η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Температуры

T₂ = 295·19^0,4 = 957,9 K

T₃ = 2,5·957,9 = 2395 K

Подведённая теплота при постоянном давлении

q_in = 1,005·(2395 − 957,9) = 1444 kJ/kg

Ответ

q_in = 1444 kJ/kg

8.Газовые циклы

Ответ: w_net = 283,9 kJ/kg

Цикл Брайтона (газовая турбина): 1→2 изоэнтропное сжатие, 2→3 подвод теплоты при постоянном давлении, 3→4 изоэнтропное расширение в турбине, 4→1 отвод теплоты при постоянном давлении. При степени повышения давления r_p = P₂/P₁: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k и η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Полезная работа w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. С учётом изоэнтропных КПД компрессору нужно w_s/η_c, а турбина отдаёт η_t·w_s.

Изоэнтропные температуры

T_2s = 288·12^0,2857 = 585,8 K

T_4s = 1400/12^0,2857 = 688,3 K

Работа компрессора и турбины

w_c = 1,005·(585,8 − 288)/0,8 = 374,1 kJ/kg

w_t = 0,92·1,005·(1400 − 688,3) = 658 kJ/kg

Полезная работа

w_net = 658 − 374,1 = 283,9 kJ/kg

Ответ

w_net = 283,9 kJ/kg

Коэффициент обратной работы: w_c/w_t = 56,85%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1