- •Методичні вказівки і завдання
- •6.070106 „Автомобільний транспорт”,
- •6.050502 „Інженерна механіка”, 6.050503 „Машинобудування”,
- •6.050301 „Гірництво”
- •Мета й завдання розрахункових робіт
- •Розрахункова робота №1
- •Вибір номерів задач
- •Методичні вказівки по виконанню розрахункової роботи
- •Задачі. Розділ №1
- •Задачі. Розділ №2
- •Розрахункова робота №2
- •Завдання і вибір варіанта
- •Методичні вказівки
- •Приклад рішення
- •Література
Задачі. Розділ №2
Визначити зміну внутрішньої енергії і ентальпії повітря, якщо при його ізобарному розширенні виконується робота L=275кДж.
0,25м3 повітря при р1= 0,1МН/м2 і t1=17оС ізотермічно стискується з відводом 11,8кДж тепла. Визначити кінцевий тиск газу, зміну ентропії та витрачену роботу.
При політропному стисненні повітря зі зменшенням об’єму в 4 рази зміна ентропії газу становить Δs=0,226кДж/(кг∙K). Визначити показник політропи цього процесу.
Газ N2 при p1=1МН/м2 і t1= 50оС адіабатно стискається до p2=2МН/м2. Потім, після політропної зміни, газ ізотермічно повертається в початковий стан з виконанням 42,7кДж/кг роботи. Визначити показник політропного процесу, а також кількість теплоти й роботу у цьому процесі. Відобразити графічно процеси в p-v і Т-s координатах.
Визначити показник політропного процесу, у якому змінюється внутрішня енергія, для трьох випадків: при розширенні газу і ΔU=1,2L; при розширенні газу і ΔU=−1,5Q; при стисненні газу і ΔU=0,5L (k=1,3).
Визначити показник політропного процесу стиснення газу для трьох випадків: при підводі тепла і ΔU=0,8L; при відводі тепла і Q=0,8L; при підводі тепла і Q=−0,8L (k=1,4).
Повітря при нормальних умовах стискується по адіабаті до тиску p2=3бар і потім охолоджується при постійному тиску до t3=0оС. Яку роботу потрібно виконати для одержання 1м3 повітря при кінцевих параметрах?
Об'єм повітря V1=2м3 з початковою температурою t1=5оС збільшується при постійному тиску до V2=8м3 внаслідок підведення до нього 4000кДж тепла. Визначити кінцеву температуру, тиск газу в процесі, виконану роботу і зміну внутрішньої енергії.
0,6м3 повітря, взяті при p1=1,3МН/м2 і t1=250оС, ізотермічно розширюються зі збільшенням об’єму в 7 разів. Потім, після ізобарного стиснення повітря адіабатно повертається в початковий стан. Визначити параметри повітря в перехідних точках цих процесів. Зобразити зміну стану повітря в p-v-координатах (k=1,4).
1м3 повітря при p1=1,5 МН/м2 і t1=1000оС політропно розширюється до p2=0,1 МН/м2 і t2= 470оС. Визначити показник політропи, кінцевий об'єм, виконану роботу і зміну ентропії.
Робоче тіло газової турбіни (k=1,3; cр=1,1 кДж/(кг∙K)) має температуру перед турбіною t1=800оС, а після адіабатного розширення в турбіні t2=450оС. Визначити роботу і зміну ентальпії для 1кг газу.
Об'єм кисню, що має масу 10кг і температуру t=27оС, при нагріванні при постійному тиску p=0,3МПа збільшується в 1,5 рази. Визначити кінцеву температуру газу, роботу і кількість теплоти, а також зміну ΔU, ΔS і ΔI у процесі.
2кг повітря стискуються політропно при n=1,3 зі зменшенням об'єму в 5 разів. Визначити роботу, кількість теплоти в процесі, зміну внутрішньої енергії, ентальпії та ентропії, якщо t1=17оС і p1=2бар.
2кг повітря, початкові параметри якого p1=1MПа і t1=400оС, розширюються доти, поки об'єм не збільшиться в 3 рази. Визначити початкові й кінцеві параметри повітря, кількість тепла в процесі, зміну внутрішньої енергії і роботу, якщо розширення відбувається: ізотермічно; адіабатно; по політропі з n=1,2; по по-літропі з n=1,6.
Повітря адіабатно стискується у циліндрі в 5 разів. Початковий тиск 1бар, початкова температура 90оС. Визначити кінцеву температуру й тиск повітря.
У циліндрі дизеля стискується повітря по адіабаті. Визначити кінцеві тиск і температуру повітря, якщо його об'єм зменшується в 15 разів. Прийняти р1= 1бар і t1= 90оС.
1кмоль газу Н2 політропно розширюється при n=1,2 від р1=0,8МН/м2 і t1=50оС до р2=0,2МН/м2. Визначити зміну внутрішньої енергії, ентропії, ентальпії, кількість тепла і роботу в процесі.
При політропному (n=0,9) стисненню кисню до нього підводиться 300кДж тепла. Визначити зміну внутрішньої енергії газу і роботу в процесі.
При політропному (n=1,75) розширенні газу СО2 (k=1,3) його внутрішня енергія зменшується на 450кДж. Визначити тепло й роботу в процесі.
2,5кг повітря політропно нагріваються від 50 до 250оС при підведенні 220кДж тепла. Визначити показник політропи і зміну ентропії в процесі.
1кг повітря при р1=0,8МН/м2 і t1=300оС спочатку адіабатно розширюється, потім ізотермічно стискається і, нарешті, ізохорно повертається в початковий стан, причому в ізохорному процесі ентропія газу збільшується на 0,125кДж/(кг∙K). Визначити параметри повітря у всіх перехідних точках процесів. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
1кг повітря тиском 2бар адіабатно стискається зі зменшенням об'єму в 5 разів, після чого при температурі 300оС ізотермічно розширюється до початкового об'єму. Визначити сумарну роботу в цих процесах. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
Газ СО2 при р1=0,1МН/м2 і t1=27оС стискується до р2=0,35МН/м2 один раз ізотермічно, а другий − адіабатно. Визначити кінцеву температуру газу і роботу у цих процесах. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
1кг N2 при t1= 150оС ізобарно охолоджується з відводом 50кДж тепла, після чого адіабатно стискається до початкового об'єму. Визначити роботу адіабатного стиснення. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
1кг повітря ізобарно розширюється зі збільшенням об'єму в 3 рази, потім адіабатно стискається до початкового об'єму. Визначити відношення роботи адіабатного стиску до роботи ізобарного розширення. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
При змішаному (спочатку ізохорному, а потім ізобарному) підводі тепла до 1кг повітря його тиск збільшується в 1,8 рази і об'єм - в 1,3 рази. Визначити кількість тепла у цих процесах, якщо t1=470оС.
1кг СО при р1=0,4 МН/м2 і t1=20оС ізобарно розширюється вдвічі, потім ізотермічно стискається до початкового об'єму. Визначити параметри в кінцевому стані, а також тепло й роботу в процесах. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
До повітря при t1=100оС підводиться 120кДж тепла один раз ізобарно, другий - ізохорно. Визначити кінцеву температуру повітря в обох випадках. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
2кг повітря, взяті при тиску р1=1МПа і температурі t1=300оС, розширюються до п'ятикратного об'єму. Знайти кінцеві параметри, кількість тепла в процесі, роботу і зміну внутрішньої енергії для різних випадків розширення: по ізотермі, адіабаті й політропі з показниками n=−0,5 і 0,5. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
В процесі політропного стиснення повітря виконується 200000Дж роботи і від газу відводиться 250кДж тепла. Визначити показник політропи.
4м3 повітря при початковій температурі 300оС зменшують свій об'єм до 2м3 при постійному тиску внаслідок відбору 300кДж тепла. Визначити кінцеву температуру, тиск у процесі, роботу і зміну внутрішньої енергії.
В процесі р=const до азоту підводиться тепло так, що температура газу піднімається зі 100 до 700оС. Знайти кількість підведеного тепла, зміну внутрішньої енергії й роботу, якщо р=2∙105Па, а V1=3м3. Задачу вирішити, визначаючи кількість газу один раз по масі, а другий - по об'єму.
10кг повітря, початкові параметри якого р1=0,8МПа і t1=400оС, розширюються до трикратного збільшення об'єму. Визначити початкові й кінцеві параметри повітря, тепло в процесі, роботу, зміну внутрішньої енергії і ентропії, якщо розширення відбувається: ізотермічно; по адіабаті; по політропі з показником політропи 1,8. Відобразити процеси в р-v і Т-s координатах.
У циліндрі дизеля стискується повітря по адіабаті. Визначити початковий і кінцевий об'єми, кінцевий тиск і температуру, якщо об'єм зменшується в 25 разів. Прийняти р1=0,1МПа і t1=120оС. Відобразити в р-v і Т-s координатах відносне положення ізотерми й адіабати в процесах стиснення газу при однакових початкових параметрах.
5кг СО2 з початковими параметрами р1=1МПа і t1=700оС розширюються зі збільшенням об'єму в 4 рази. Визначити початкові й кінцеві параметри, тепло, роботу, зміну ентальпії, внутрішньої енергії і ентропії, якщо розширення йде по політропі з показниками n=0,8; n=1,2; n=1,6. Показати відносне розташування політроп в р-v і Т-s координатах.
Круговий процес складається із чотирьох процесів: ав, вс, сd, da. Сумарна кількість тепла в циклі становить 400кДж. Заповнити відсутніми даними таблицю:
Процес |
Q, кДж |
L, кДж |
ΔU, кДж |
ab |
-100 |
|
0 |
bc |
|
0 |
1200 |
cd |
300 |
700 |
|
dа |
|
|
|
5 кг кисню при початковому тиску 200 кПа і початковій температурі 422оС розширюються по політропі до кінцевого тиску 100кПа і кінцевої температури 27оС. Визначити показник політропи, початковий і кінцевий об'єми, роботу розширення, кількість підведеної теплоти, зміну внутрішньої енергії і ентропії.
У компресор газотурбінної установки входить 5кг повітря з початковими параметрами р1=10кПа і t1=27оС. Повітря стискується адіабатно до тиску р2=400 кПа. Визначити початковий і кінцевий об'єми, кінцеву температуру, роботу стиснення, зміну внутрішньої енергії і ентропії.
В політропному процесі задані початкові р1=0,09МПа, t1=0оС і кінцеві параметри 1кг повітря р2=0,8МПа і v2=0,14м3/кг. Визначити показник політропи, кількість підведеного тепла, зміну внутрішньої енергії та ентальпії, роботу процесу і економію у витраті роботи на стиснення 1кг повітря по ізотермі відносно політропного і адіабатного стиснення. У всіх трьох випадках повітря стискується до p2=0,8МПа.
Провести політропу в Т-s координатах, якщо дані: p1=5МПа, t1=250оС, v2=0,025 м3/кг, n=−0,58. Визначити q, Δu, Δi, l.
Приклади рішення
Задача 1. Визначити об’єм 2-х кіломолей невідомого газу при тис- ку 1бар і температурі 1 оС.
Дано:
p=1бар; t=1оС.
2vμ -?
Рішення:
З рівняння Менделєєва-Клапейрона
pvμ = μRT
знаходимо об’єм 1 молю газу:
.
У цей вираз підставимо
формулу для визначення
газової сталої
:
Відповідь: при тиску 1бар і температурі 1 оС об’єм 2-х кіломолей будь-якого газу складає 45,6м3.
Задача 2. 1 кг повітря при температурі t1=30 оС і початковому тиску p1=0,1МПа стискається ізотермічно до кінцевого тиску p2=1МПа.
Визначити кінцевий об’єм, витрачену роботу і кількість теплоти, відведеної від газу.
Дано:
Повітря; m=1 кг; t1=30 оС; p1=0,1МПа; T=const; p2=1МПа.
v2-? l-? q-?
Рішення
Визначимо початковий об’єм з рівняння стану для 1 кг газу:
Оскільки в ізотермічному
процесі
,
кінцевий об’єм до-рівнює:
Робота, що витрачається на стискання 1кг повітря, визначається за формулою:
Кількість теплоти, відведеної від газу, дорівнює роботі, витраченої на стискання. Тобто q=−200кДж/кг.
Відповідь: v2=0,087м3/кг; l=−200кДж/кг; q=−200кДж/кг.
Задача 3. Визначити, яка частина тепла, підведеного до повітря в ізобарному процесі, витрачається на роботу, а яка – на зміну внут-рішньої енергії.
Дано:
Повітря; p=const.
Рішення:
Запишемо аналітичний вираз першого закону термодинаміки:
q=∆u+l .
Поділимо це рівняння на q:
Звідси
.
Для ізобарного процесу ∆u=cv∙(T2-T1); q=cp∙(T2-T1).
Тоді
.
Після скорочення,
заміни
та враховуючи, що для повітря як для
суміші головним чином двоатомних газів
k=1,4 ,
отримаємо:
Очевидно,
Відповідь: при ізобарному нагріванні повітря 28,5% підведеного тепла витрачається на роботу, а 71,5% − на зміну внутрішньої енергії (тобто на нагрівання).
Задача 4. Газова суміш, що складається із СО і СН4, має газову сталу R=438 Дж/(кг∙K). Визначити масовий і об'ємний склад суміші.
Дано:
CО; СH4; R= 438 Дж/(кг∙ K)
Рішення:
Формула для газової
сталої суміші:
,
тобто
.
(1)
З формули R=8314/μ знаходимо газові сталі компонентів:
Підставивши знайдені
значення у (1) і враховуючи, що
,
отримаємо систему двох рівнянь з двома
невідомими:
Вирішивши її, отримаємо:
За формулою
перераховуємо масові частки компонентів
в об'ємні:
Відповідь:
Задача 5. 10м3 повітря, що знаходиться в початковому стані при нормальних фізичних умовах, стискують до кінцевої температури 400оС. Стискання виконується: 1) ізохорно; 2) ізобарно; 3) адіабатно; 4) політропно з показником політропи n=2,2.
Визначити зміну ентропії у кожному з процесів.
Дано:
Повітря; V1=10м3; t1=0 оС; p1=0,1013·106Па; t2=400 оС.
1) v=const; 2) p=const; 3) q=0; 4) pvn=const (n=2,2)
Δs1-?; Δs2-?; Δs3-?; Δs4-?.
Рішення:
З урахуванням, що T1=t1+273, з рівняння стану для всієї маси газу p1V1=mRT1 знаходимо масу 10кг повітря:
Визначаємо зміну ентропії у кожному з перерахованих процесів:
1) ізохорне стискання
2) ізобарне стискання
3) адіабатне стискання
4) політропне стискання
,
де сП
– теплоємність
політропного процесу:
.
Таким чином
Відповідь:
Задача 6. Визначити показник політропного процесу, у якому розширюється повітря і 0,5∙Q =−ΔU.
Дано: Рішення:
Процес - політропний; Зміна внутрішньої енергії у
газ - повітря (k=1,4); будь-якому ( в тому числі й
0,5∙Q =−ΔU політропному) процесі:
───────────── ΔU=сv∙ m∙ (T2 –T1).
n-? Тепло, що підводиться в політропному процесі, можна визначити по формулі:
Q=cП∙ m∙ (T2 –T1),
де cП – теплоємність політропного процесу:
.
Тоді
.
З умови відомо, що
.
Підставимо замість ΔU
і Q
вищенаведені формули:
,
звідки n−1=−0,5∙(n-k) →1,5n = −0,5k+1 → 1,5n = −0,5∙1,4+1 →
→ n = 0,2.
Відповідь: n = 0,2.
