Tematy zadań na ćwiczenia z Termodynamiki

Tematy zadań na ćwiczenia z Termodynamiki
3. PRZEMIANY GAZÓW DOSKONAŁYCH
3.1 (5.2.6) Powietrze jest ogrzewane w nagrzewnicy od T 1=263 K do T2=343 K,
 =0,843 kg/s. Traktując
przy stałym ciśnieniu p=105 N/m2. Masowy strumień m
powietrze jak gaz doskonały należy obliczyć:
1. objętościowy strumień powietrza przy znamionach jak za nagrzewnicą;
2. przyrost energii wewnętrznej, entropii i entalpii gazu;
3. moc cieplną nagrzewnicy.
3.2 (5.2.8) Sprężarka zasysa powietrze atmosferyczne o T 1=293 K i b=0,98 bar w
ilości V1 =0,0834 m3/s, po czym tłoczy je do przeponowej chłodnicy wodnej.
Powietrze opuszczające sprężarkę ma temperaturę T 2=453 K. Przyrost temperatury
wody w chłodnicy Tw=18 K, a temperatura ochłodzonego powietrza T 3=308 K.
Należy obliczyć masowy strumień wody chłodzącej (c=4,19 kJ/(kg·K), przy założeniu,
że:
 chłodzenie jest izobaryczne;
 straty ciepła w chłodnicy są znikome;
 ciepło właściwe powietrza jest funkcją temperatury.
3.3 (5.2.9) Pionowy cylinder, zamknięty swobodnie poruszającym się tłokiem, jest
przedzielony sztywną przegrodą dobrze przewodzącą ciepło. W części „A”
bezpośrednio pod tłokiem znajduje się wieloatomowy gaz doskonały, o
początkowych parametrach: pA=0,2 MN/m2, TA1=800 K, VA1=0,1 m3, odbywający
przemianę izobaryczną. W części „B”, pod przegrodą, znajduje się dwuatomowy gaz
doskonały, o początkowych parametrach: pB1=0,5 MN/m2, TB1=300 K, VB=0,05 m3, i
odbywa przemianę izochoryczną. Na skutek wymiany ciepła przez przegrodę, po
pewnym czasie nastąpi wyrównanie temperatury gazów. Zakładając, że zerowe są:
straty ciepła na rzecz otoczenia, pojemność cieplna tłoka, ścianek cylindra i
przegrody, należy obliczyć:
1. liczbę kilomoli nA oraz nB gazów;
~
~
2. końcową temperaturę T2 , jeśli C pA  4 R , CvB  2,5R ;
3. ciepło wymienione między gazami;
4. objętość przestrzeni pod tłokiem VA2 przy temperaturze T2;
5. pracę LA1-2;
6. pracę techniczną LtB1-2.
3.4 (5.2.11) CO2, traktowany jak gaz doskonały, w ilości n=0,0223 kmol, o
początkowych parametrach: p1=24,5 bar i T1=632 K, został rozprężony izotermicznie
do ciśnienia p2=1,19 MN/m2. Należy obliczyć:
1. doprowadzone ciepło i pracę przemiany;
2. masową objętość właściwą gazu w stanie początkowym i końcowym;
3. przyrost energii wewnętrznej i entalpii gazu.
3.5 (5.2.17) Powietrze (=1,4) powinno być ochłodzone od T 1=293 K do T2=132 K
przez izentropowe rozprężanie. Jakie powinno być ciśnienie początkowe, jeżeli
ciśnienie końcowe wynosi 0,981 bar ?
2
3.6 (5.2.24) Powietrze (gaz doskonały), o parametrach początkowych: p 1=1,5MN/m2
i T1=300 K, zostaje izobarycznie podgrzane w nagrzewnicy do temperatury T 2.
Następnie rozpręża się izentropowo, w turbinie gazowej, do ciśnienia p 3=150 kN/m2.
 =0,1 kg/s. Moc turbiny L t =36 kW. Należy obliczyć:
Strumień masowy m
1. temperaturę powietrza u wylotu z nagrzewnicy T 2 i z turbiny T3;
2. moc cieplną nagrzewnicy Q 1 2 .
3.7 (5.2.27) Azot (gaz doskonały) o masie 1 kg i początkowych parametrach:
p1=2,5MN/m2 i T1=973 K, został rozprężony politropowo do p2=1 bar. Wykładnik
politropy z=1,18. Należy obliczyć:
1. przyrost energii wewnętrznej gazu;
2. ciepło przemiany;
3. pracę.
3.8
Powietrze, traktowane jak gaz doskonały (M=28,96 kg/kmol), jest sprężane
odwracalnie stosownie do równania p/p1=(T/T1)κ/(κ-1), przy czym κ=1,4 zaś [T]=K. Do
jakiego ciśnienia p2 należy je sprężyć, aby osiągnęło temperaturę T 2=550 ºC, jeśli
początkowe ciśnienie p1=1 bar ? Należy obliczyć też przyrost właściwej, masowej
energii wewnętrznej podczas sprężania, uwzględniając równanie Mayera oraz, że
κ=cp/cv.
~
3.9
1 kg helu He (M≈4 kg/kmol, C p =2,5·R) jest ogrzewany przy p=idem
(izobarycznie) w pionowym cylindrze z tłokiem, przez co ekspanduje. Ciśnienie p=5
bar, T1=446 K, T2=1020 K. Należy obliczyć:
1. gęstość gazu ρ1 i ρ2;
2. masowe ciepło ogrzewania q1-2;
3. właściwą pracę masową l1-2 .
3.10 Zbiornik o objętości V=90 dm3 jest wypełniony gazem doskonałym o ciśnieniu
p1=8 bar i temperaturze T1=27 ºC. Należy obliczyć ciepło, które należy doprowadzić
celem podniesienia ciśnienia do 16 bar. Gazem jest powietrze, dla którego R i=287
J/(kg·K), cv=0,714 kJ/(kg·K) .
3.11 W szczelnym zbiorniku znajduje się 2-atomowy gaz doskonały w ilości VN=104
Nm3. Początkowa temperatura gazu jest równa początkowej temperaturze otoczenia;
T1=To1=250 K. Wskutek wzrostu temperatury otoczenia do T o2=300 K zbiornik
rozszerza się o ΔV. Przemiana odbywa się bardzo powoli, dzięki czemu nie
występuje różnica temperatury między otoczeniem, a gazem w zbiorniku. Należy
obliczyć ciepło Q1-2 doprowadzone do gazu przy założeniu, że zależność objętości
zbiornika od temperatury jest liniowa.
3.12 (5.2.7) W pionowym cylindrze, o średnicy d=0,5 m, znajduje się wodór,
zamknięty tłokiem, o temperaturze T1=300 K. Ciężar tłoka G=15 kN, a objętość pod
tłokiem V1=0,2 m3. Ciśnienie barometryczne, działające na górną powierzchnię tłoka
b=0,98·105 N/m2. Należy obliczyć:
1. ciśnienie wodoru;
2. liczbę kilomoli;
3. temperaturę końcową po doprowadzeniu ciepła w ilości Q1-2=100 kJ;
4. pracę wykonaną przez wodór;
3
5. o ile podniesie się tłok.
3.13
(5.2.22) W wysokoprężnym silniku spalinowym tłokowym następuje
samozapłon wtryskiwanego oleju napędowego wskutek sprężania powietrza ze
stopniem sprężania, przy którym temperatura jest co najmniej równa temperaturze
samozapłonu. Zjawisko sprężania jest opisane równaniem p/p1=(V1/V)κ, przy czym
κ=1,4. Przed sprężaniem: p1=0,97·105 N/m2, T1=333 K. Należy obliczyć:
1. najmniejszy stopień sprężania ε=V1/V2;
2. końcowe ciśnienie sprężania p2, jeśli temperatura samozapłonu T=903 K.
3.14 3 kg CO2 ekspanduje izentropowo od ciśnienia p1=12 bar i temperatury T1=
340 ºC do objętości 5x większej. Uwzględniając zależność ciepła właściwego
od temperatury, należy obliczyć:
1. końcowe znamiona: p2, v2, T2, H2, U2;
2. pracę L1-2
3. przyrost energii wewnętrznej ΔU
3.15 Powietrze, o początkowych parametrach: p1=45 bar, V1=0,1 dm3, T1=520 ºC,
~
traktowane jak gaz doskonały ( C p =3,5R, κ=1,4), odbywa przemianę izobaryczną
a1 a 2 przy V2/V1=1,24 , a następnie przemianę izentropową a 2 a3 do osiągnięcia
ciśnienia p3=1,2 bar. Należy obliczyć:
1. liczbę kilomoli gazu, kmol;
2. temperaturę T2;
3. ciepło Q1-2, J;
4. pracę L1-2, J;
5. pracę techniczną Lt1-2, J.