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 30 L содержит 240 g газа (CO₂) при 45 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 240 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.Уравнение состояния идеального газаСложная

Найдите плотность ρ газа (CH₄) при 100 kPa и 90 °C, считая его идеальным.

M = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Энергетический балансСредняя

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

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 110 °Cṁ_c = 1,5 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 15% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁ_c.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Ct: 20 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Тепловые машины и холодильникиСредняя

Тепловая машина работает между горячим резервуаром при 450 °C и холодным при 25 °C. Она получает 3600 kJ теплоты. Найдите наибольшую работу W_max, которую она могла бы совершить.

T_H = 450 °CT_L = 25 °CQ_H = 3600 kJ

W_max = kJ

6.Тепловые машины и холодильникиСложная

Тепловая машина за цикл получает 4800 kJ теплоты от резервуара при 350 °C, совершает 1920 kJ работы, а остаток отдаёт резервуару при 35 °C. Найдите суммарную генерацию энтропии S_gen за цикл.

T_H = 350 °CT_L = 35 °CQ_H = 4800 kJW = 1920 kJ

S_gen = kJ/K

7.Газовые циклыСредняя

Идеальный цикл Дизеля имеет степень сжатия r = 22 и степень предварительного расширения r_c = v₃/v₂ = 2,2. В начале сжатия температура воздуха 290 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 = 22r_c = 2,2T₁ = 290 Kk = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

8.Газовые циклыСложная

Идеальный цикл Брайтона работает со степенью повышения давления в компрессоре 6. 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 = 6k = 1,4

η = %

3Растворы

1.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 480,8 kPa

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

Моли

n = m/M = 240/44,01 = 5,453 mol

T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Давление

P = nRT/V = 5,453·8,314·318,1/0,03 = 480,8 kPa

Ответ

P = 480,8 kPa

2.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 0,5313 kg/m³

Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Плотность

ρ = 100·16,04/(8,314·363,1) = 0,5313 kg/m³

Ответ

ρ = 0,5313 kg/m³

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 80,05 °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 = 3·2,44·(170 − 110) = 439,2 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 439,2/(1,5·4,18) = 80,05 °C

Ответ

t_out = 80,05 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 0,2126 kg/s

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

Отданная теплота

Q_h = 0,5·2,44·(130 − 100) = 36,6 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,15)·36,6 = 31,11 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 31,11/(4,18·35) = 0,2126 kg/s

Ответ

ṁ_c = 0,2126 kg/s

5.Тепловые машины и холодильники

Ответ: W_max = 2116 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 = 450 + 273,15 = 723,1 K

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

КПД Карно

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298,1/723,1 = 58,77 %

Наибольшая работа

W_max = η_max·Q_H = 0,5877·3600 = 2116 kJ

Ответ

W_max = 2116 kJ

6.Тепловые машины и холодильники

Ответ: S_gen = 1,643 kJ/K

Генерация энтропии: за полный цикл энтропия рабочего тела в итоге не меняется. Горячий резервуар теряет Q_H/T_H, а холодный получает Q_L/T_L. Их сумма — это генерируемая энтропия, равная нулю для обратимого цикла и положительная для любого реального.

Отводимая теплота

Q_L = Q_H − W = 4800 − 1920 = 2880 kJ

Абсолютные температуры

T_H = 350 + 273,15 = 623,1 K

T_L = 35 + 273,15 = 308,1 K

Изменения энтропии резервуаров

ΔS_H = −4800/623,1 = −7,703 kJ/K

ΔS_L = 2880/308,1 = 9,346 kJ/K

S_gen = 9,346 − 7,703 = 1,643 kJ/K

Ответ

S_gen = 1,643 kJ/K

S_gen > 0, поэтому машина возможна, но необратима.

7.Газовые циклы

Ответ: q_in = 1204 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 = 290·22^0,4 = 998,5 K

T₃ = 2,2·998,5 = 2197 K

Подведённая теплота при постоянном давлении

q_in = 1,005·(2197 − 998,5) = 1204 kJ/kg

Ответ

q_in = 1204 kJ/kg

8.Газовые циклы

Ответ: η = 40,07 %

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 − 1/6^0,2857 = 1 − 1/1,669 = 40,07%

Ответ

η = 40,07%

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1