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 30 g газа (O₂) при 90 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 30 gM = 32 g/molV = 20 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Уравнение состояния идеального газаСложная

Постоянное количество газа (N₂) переходит от 300 kPa, 10 L, 10 °C к 250 kPa и 130 °C. Найдите новый объём V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 10 LT₁ = 10 °CP₂ = 250 kPaT₂ = 130 °C

V₂ = L

3.Энергетический балансСредняя

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

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Энергетический балансСложная

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Ct: 10 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Тепловые машины и холодильникиСредняя

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 425 °C и холодным при 25 °C. Она получает 4500 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу W_max, которую она могла бы совершить.

T_H = 425 °CT_L = 25 °CQ_H = 4500 kJ

W_max = kJ

6.Тепловые машины и холодильникиСложная

Тепловой насос поддерживает в доме 20 °C, когда на улице 2 °C, и подаёт в дом 10 kW теплоты. Найдите наибольший возможный холодильный коэффициент COP_max.

T_H = 20 °CT_L = 2 °CQ̇_H = 10 kW

COP_max =

7.Газовые циклыСредняя

Идеальный цикл Дизеля имеет степень сжатия r = 17 и степень предварительного расширения r_c = v₃/v₂ = 3. 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 его термический КПД η в процентах.

r = 17r_c = 3k = 1,4

η = %

8.Газовые циклыСложная

Идеальный цикл Брайтона работает со степенью повышения давления в компрессоре 12. 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 его термический КПД η в процентах.

r_p = 12k = 1,4

η = %

3Растворы

1.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 141,5 kPa

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

Моли

n = m/M = 30/32 = 0,9375 mol

T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Давление

P = nRT/V = 0,9375·8,314·363,1/0,02 = 141,5 kPa

Ответ

P = 141,5 kPa

2.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V₂ = 17,09 L

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

Абсолютные температуры

T₁ = 283,1 K, T₂ = 403,1 K

Объединённый газовый закон

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(300/250)·(403,1/283,1) = 17,09 L

Ответ

V₂ = 17,09 L

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 68,37 °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 = 1·2,44·(180 − 80) = 244 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 244/(1·4,18) = 68,37 °C

Ответ

t_out = 68,37 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 2,218 kg/s

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

Отданная теплота

Q_h = 2,5·2,44·(160 − 80) = 488 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,05)·488 = 463,6 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 463,6/(4,18·50) = 2,218 kg/s

Ответ

ṁ_c = 2,218 kg/s

5.Тепловые машины и холодильники

Ответ: W_max = 2578 kJ

Ограничения второго закона: ни один цикл между резервуарами с абсолютными температурами T_H и T_L не может превзойти обратимый цикл (Карно): η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) и COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Энергия всегда сохраняется: Q_H = W + Q_L.

Абсолютные температуры

T_H = 425 + 273,15 = 698,1 K

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

КПД Карно

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298,1/698,1 = 57,29 %

Наибольшая работа

W_max = η_max·Q_H = 0,5729·4500 = 2578 kJ

Ответ

W_max = 2578 kJ

6.Тепловые машины и холодильники

Ответ: COP_max = 16,29

Абсолютные температуры

T_H = 20 + 273,15 = 293,1 K

T_L = 2 + 273,15 = 275,1 K

Наилучший возможный COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 293,1/(293,1 − 275,1) = 16,29

Ответ

COP_max = 16,29

7.Газовые циклы

Ответ: η = 57,96 %

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)).

Множитель предварительного расширения

(3^1,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Термический КПД

η = 1 − 0,322·1,306 = 57,96%

Ответ

η = 57,96%

8.Газовые циклы

Ответ: η = 50,83 %

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.

Термический КПД

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

Ответ

η = 50,83%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1