Termodinamik 1: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

İdeal gaz yasası

İdeal gaz yasası: pV = nRT
Gaz sabiti: R = 8,314 J/(mol·K)
Birleşik gaz yasası: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Sıcaklık: T[K] = T[°C] + 273,15

Enerji denkliği

Duyulur ısı: Q = ṁ·c_p·ΔT
Gizli ısı: Q = ṁ·h_fg
Karışma: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Su: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Isı makineleri ve soğutucular

Verim: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
Carnot verimi: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
Soğutucu COP: COP_R = Q_C/W
Isı pompası COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
Enerji denkliği: Q_H = W + Q_C

Gaz güç çevrimleri

İzantropik, hacim oranı: T₂/T₁ = r^k−1
İzantropik, basınç oranı: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
Otto verimi: η = 1 − 1/r^k−1
Diesel verimi: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
Brayton verimi: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
Verilen ısı: Otto: c_v(T₃ − T₂) Diesel, Brayton: c_p(T₃ − T₂)
Brayton net işi: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
İzantropik verimler: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
Soğuk hava: k = 1,4, c_p = 1,005, c_v = 0,718 kJ/(kg·K)

2Alıştırma soruları

1.İdeal gaz yasasıOrta

5 L hacimli bir tank, 40 °C sıcaklığında 490 g CH₄ içeriyor. İdeal gaz kabul edip basınç P değerini bulun.

m = 490 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

2.İdeal gaz yasasıZor

CO₂ gazının 500 kPa ve 30 °C koşullarındaki yoğunluğu ρ değerini ideal gaz kabul ederek bulun.

M = 44,01 g/molP = 500 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.Enerji denkliğiOrta

Sıcak hafif yağ, ısı kaybı olmayan ters akışlı bir ısı değiştiricide suyu soğutuyor. Suyun çıkış sıcaklığı t_out değerini bulun.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Enerji denkliğiZor

Sıcak etanol, sıcak akımın verdiği ısının %5’ini çevreye kaybeden bir değiştiricide suyu ısıtıyor. Gereken su debisi ṁ_c değerini bulun.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 90 °Ct: 10 → 40 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kayıp = %5

ṁ_c = kg/s

5.Isı makineleri ve soğutucularOrta

Bir ısı makinesi 225 °C sıcaklığındaki sıcak kaynak ile 30 °C sıcaklığındaki soğuk kaynak arasında çalışıyor. Mümkün olan en yüksek ısıl verim η_max değerini bulun.

T_H = 225 °CT_L = 30 °C

η_max = %

6.Isı makineleri ve soğutucularZor

Bir Carnot ısı makinesi 900 °C’deki bir kaynaktan 170 kW ısı alıyor ve 25 °C’deki çevreye ısı atıyor. Tüm işi, -5 °C’deki bir dondurucudan ısı çeken ve yine 25 °C’deki çevreye ısı atan bir Carnot soğutucusunu çalıştırıyor. Dondurucudan ısı çekilme hızı Q̇_L değerini bulun.

T_H = 900 °CT₀ = 25 °CT_L = -5 °CQ̇_H = 170 kW

Q̇_L = kW

7.Gaz güç çevrimleriOrta

İdeal bir Diesel çevriminin sıkıştırma oranı r = 19 ve kesme oranı r_c = v₃/v₂ = 1,5. Soğuk hava standardı varsayımlarını kullanın: hava sabit özgül ısılı ideal bir gazdır, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) ve c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Isıl verimi η değerini yüzde olarak bulun.

r = 19r_c = 1,5k = 1,4

η = %

8.Gaz güç çevrimleriZor

Bir gaz türbini santrali, kompresör basınç oranı 8 olan bir Brayton çevrimiyle çalışıyor. Hava kompresöre 300 K’de, türbine 1200 K’de giriyor. Kompresörün izantropik verimi %85, türbininki %90. Soğuk hava standardı varsayımlarını kullanın: hava sabit özgül ısılı ideal bir gazdır, k = 1,4, c_p = 1,005 kJ/(kg·K) ve c_v = 0,718 kJ/(kg·K). Hava kilogramı başına net iş çıkışı w_net değerini kJ/kg cinsinden bulun.

r_p = 8T₁ = 300 KT₃ = 1200 Kη_c = 85%η_t = 90%k = 1,4c_p = 1,005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3Çözeltiler

1.İdeal gaz yasası

Cevap: P = 15907 kPa

İdeal gaz yasası: PV = nRT, n = m/M ile.

Mol

n = m/M = 490/16,04 = 30,55 mol

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

Basınç

P = nRT/V = 30,55·8,314·313,1/0,005 = 15907 kPa

Cevap

P = 15907 kPa

2.İdeal gaz yasası

Cevap: ρ = 8,731 kg/m³

İdeal gaz yoğunluğu: ρ = PM/(RT).

Gaz yasasını düzenleyin

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Yoğunluk

ρ = 500·44,01/(8,314·303,1) = 8,731 kg/m³

Cevap

ρ = 8,731 kg/m³

3.Enerji denkliği

Cevap: t_out = 30,05 °C

Değiştirici enerji denkliği: kayıp yokken ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Sıcak akımın verdiği ısı

Q = 1·2,1·(150 − 120) = 63 kW

Suyun aldığı ısı

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 63/(1,5·4,18) = 30,05 °C

Cevap

t_out = 30,05 °C

4.Enerji denkliği

Cevap: ṁ_c = 2,495 kg/s

Kayıplı enerji denkliği: verilen ısı = alınan ısı + kaybedilen ısı.

Verilen ısı

Q_h = 1,5·2,44·(180 − 90) = 329,4 kW

Suya ulaşan ısı

Q_c = (1 − 0,05)·329,4 = 312,9 kW

Su debisi

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 312,9/(4,18·30) = 2,495 kg/s

Cevap

ṁ_c = 2,495 kg/s

5.Isı makineleri ve soğutucular

Cevap: η_max = 39,14 %

İkinci yasa sınırları: mutlak sıcaklıkları T_H ve T_L olan kaynaklar arasında çalışan hiçbir çevrim tersinir (Carnot) çevrimi geçemez: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) ve COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Enerji her zaman korunur: Q_H = W + Q_L.

Mutlak sıcaklıklar

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

T_L = 30 + 273,15 = 303,1 K

Carnot verimi

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303,1/498,1 = 39,14 %

Cevap

η_max = 39,14 %

6.Isı makineleri ve soğutucular

Cevap: Q̇_L = 1133 kW

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.

Mutlak sıcaklıklar

T_H = 900 + 273,15 = 1173 K

T₀ = 25 + 273,15 = 298,1 K

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

Makine işi

η = 1 − 298,1/1173 = 0,7459

Ẇ = 0,7459·170 = 126,8 kW

Soğutucunun çektiği ısı

COP_R = 268,1/(298,1 − 268,1) = 8,938

Q̇_L = 8,938·126,8 = 1133 kW

Cevap

Q̇_L = 1133 kW

7.Gaz güç çevrimleri

Cevap: η = 66,38 %

Diesel çevrimi (sıkıştırma ateşlemeli motor): 1→2 izantropik sıkıştırma, 2→3 sabit basınçta ısı girişi, 3→4 izantropik genişleme, 4→1 sabit hacimde ısı atımı. Sıkıştırma oranı r = v₁/v₂ ve kesme oranı r_c = v₃/v₂ ile: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) ve η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)).

Kesme terimi

(1,5^1,4 − 1)/(1,4·(1,5 − 1)) = 1,092

Isıl verim

η = 1 − 0,308·1,092 = 66,38%

Cevap

η = 66,38%

8.Gaz güç çevrimleri

Cevap: w_net = 198,4 kJ/kg

Brayton çevrimi (gaz türbini): 1→2 izantropik sıkıştırma, 2→3 sabit basınçta ısı girişi, 3→4 türbinde izantropik genişleme, 4→1 sabit basınçta ısı atımı. Basınç oranı r_p = P₂/P₁ ile: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k ve η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k. Net iş w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. İzantropik verimlerle kompresör w_s/η_c gerektirir, türbin η_t·w_s verir.

İzantropik sıcaklıklar

T_2s = 300·8^0,2857 = 543,4 K

T_4s = 1200/8^0,2857 = 662,5 K

Kompresör ve türbin işi

w_c = 1,005·(543,4 − 300)/0,85 = 287,8 kJ/kg

w_t = 0,9·1,005·(1200 − 662,5) = 486,2 kJ/kg

Net iş

w_net = 486,2 − 287,8 = 198,4 kJ/kg

Cevap

w_net = 198,4 kJ/kg

Geri iş oranı: w_c/w_t = 59,2%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1