24-02-2015_23-17-53 / 1-Задачи-термодинамика
.docx
ЗАДАЧИ ПО РАЗДЕЛАМ ТЕРМОДИНАМИКИ
Уравнения состояния идеального и реального газа
-
Определить плотность и удельный объем метана при нормальных и стандартных физических условиях, а также при давлении и температуре , используя уравнения состояния идеального и реального газа. Сопоставить и проанализировать полученные результаты (ПРИЛОЖЕНИЕ).
-
В баллоне объемом 40 л находится азот под давлением 75 бар и имеет температуру 20 0С. Пользуясь уравнениями состояния идеального и реального газа, определить плотность газа и сравнить полученные результаты (ПРИЛОЖЕНИЕ).
-
Определить массовый и объемный расход природного газа при давлении и температуре , если его коммерческий расход составляет . Молярная масса газа равна , а значение его коэффициента сжимаемости составляет .
Газовые смеси
-
Газовая смесь имеет следующий массовый состав:
-
метан ;
-
азот ;
-
углекислый газ ;
-
этилен ;
-
водород ;
-
этан .
Определить молярную массу, газовую постоянную и плотность смеси, а также молярные концентрации и парциальные давления компонентов смеси, если давление смеси равно , а температура – .
-
При давлении 820 мм рт. ст. и температуре 37 0С плотность смеси кислорода О2 и углекислого газа СО2 составляет . Определить массовые и молярные концентрации компонентов смеси, а также газовую постоянную смеси.
-
В камеру предварительного смешения камеры сгорания ГТД подается в секунду 1 кг природного газа и 16 кг воздуха. Температура воздуха перед смешением равна , температура природного газа . Определить коммерческий и объемный расход газовоздушной смеси на входе в камеру сгорания, если давление в камере смешения составляет . Определить также температуру и изобарную теплоемкость смеси , если молярная масса природного газа равна (), а его теплоемкость имеет значение cpm(пг) = 2,33 кДж/(кг·К).
Таблица 1
Удельные изобарные теплоемкости идеальных газов cpm, кДж/(кг·К)
Газ |
Температура, К |
|||||
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
500 |
|
Азот N2 Аммиак NH3 Водород H2 Водяной пар H2О Воздух Кислород O2 Окись углерода CO Углекислый газ CO2 Метан CH4 Этан C2H6 Пропан C3H8 Бутан н-C4H10 Пентан н-C5H12 |
1,042 - 13,98 1,856 1,006 0,915 1,043 0,800 2,143 1,588 1,460 1,478 1,468 |
1,041 2,158 14,31 1,862 1,007 0,920 1,043 0,851 2,240 1,775 1,680 1,686 1,675 |
1,042 2,207 14,43 1,870 1,009 0,929 1,045 0,900 2,379 1,978 1,910 - - |
1,045 2,287 14,48 1,877 1,014 0,942 1,049 0,942 2,535 2,188 2,130 2,132 2,120 |
1,050 2,375 14,50 1,888 1,021 0,956 1,055 0,981 2,704 2,396 2,370 - - |
1,056 2,467 14,52 1,900 1,030 0,972 1,065 1,020 2,884 2,597 2,580 2,546 2,529 |
4. Аэростат заполнен смесью, в которой по массе 40 % водорода и 60 % азота. Объем аэростата равен 6000 м3. Определить подъемную силу аэростата, если температура газовой смеси равна -3 0С, а температура и давление воздуха равны соответственно -23 0С, 400 мм рт. ст. Масса оболочки аэростата составляет 1,2 т.
Первое начало термодинамики
-
При испытании двигателей для определения мощности используется тормоз. При этом работа расходуется на преодоление сил трения и превращается в теплоту, 20 % которой рассеивается в пространстве, а 80 % отводится охлаждаемой тормоз водой.
Какой часовой расход охлаждающей воды, подводимой к тормозу, обеспечит его охлаждение, если крутящий момент на валу равен , частота оборотов вала двигателя составляет , а допустимое повышение температуры воды – . Теплоемкость воды принять равной . (Мощность двигателя ).
-
Определить КПД двигателя мощностью при расходе топлива . Низшую теплоту сгорания топлива принять равной Qнр = 40 МДж/кг.
-
Газ переводится из состояния 1 в состояние 2 в первом случае по пути 1-а-2, а во втором по пути 1-б-2 (рис. 1). Известно, что давление в точках 1 и 2 равны соответственно , , а изменение объема .
Определить, будет ли отличаться подведенное и отведенное количество теплоты, и если да, то насколько.
Рис. 1
-
В канале произвольной формы течет природный газ, массовый расход которого составляет (рис. 2). На входе в канал удельная энтальпия газа, его скорость и высота входного сечения равны соответственно: , , , а на выходе из канала эти характеристики потока имеют следующие значения: , , . Протекая в канале, газ отдает в окружающую среду 20 кДж/с теплоты. В канале установлена турбина. Определить, какую работу совершил бы природный газ в случае обратимого процесса.
Рис. 2
Процессы
1. 1 кг метана политропно расширяется от p1 = 0,2 МПа до p2 = 0,1 МПа, причем объем его увеличился в 4 раза; начальная температура метана равна 20 0С. Определить показатель политропы, начальный и конечный объем, конечную температуру, термодинамическую и потенциальную работу. Изобарная теплоемкость равна = 2,24 кДж/(кг·К). Изобразить процесс в координатах и .
2. 5 кг метана сжимается политропно с показателем n = 2 от p1 = 0,1 МПа до p2 = 0,6 МПа. Начальная температура метана равна t1 = 15 0С. Определить работу и конечные параметры метана. Изобарная теплоемкость равна = 2,24 кДж/(кг·К). Изобразить процесс в координатах и .
3. При политропном сжатии 1 кг воздуха до объема v2 = 0,1 v1 температура возросла с 10 0С до 90 0С; начальное давление воздуха равно 0,08 МПа. Определить конечные параметры газа, показатель политропы, термодинамическую и потенциальную работу, работу и количество теплоты. Изобарная теплоемкость равна ср = 1,005 кДж/(кг·К). Изобразить процесс в координатах и .
4. В цилиндре дизеля воздух с начальными параметрами: давление – 0,1 МПа и температура – 20 0С сжимается в процессе с показателем политропы n =1,36. Сжатие идет до достижения воздухом температуры 700 0С. Определить конечное давление, степень сжатия v1/v2, термодинамическую и потенциальную работу. Изобразить процесс в координатах и .
5. Воздух расширяется политропически, совершая термодинамическую работу, равную 270 кДж. Определить показатель политропы, если от воздуха отводится 92 кДж теплоты. Изобарная теплоемкость воздуха равна cр = 1,005 кДж/(кгК). Изобразить процесс в координатах .
6. 0,8 м3 метана, имеющего температуру 20 0С и давление 0,7 МПа, адиабатно расширяется до трехкратного объема. Определить конечные параметры метана, термодинамическую работу, количество теплоты, изменение внутренней энергии и энтальпии. Изобарная теплоемкость равна cр = 2,25 кДж/(кгК). Изобразить процесс в координатах и .
7. К 10 кг метана в изохорном процессе подведено 1885 кДж теплоты, а затем в изобарном процессе объем метана уменьшается в 2,5 раза. Начальная температура метана равна 17 0С, а давление – 0,8 МПа. Определить конечные параметры метана, работу, количество теплоты, изменение внутренней энергии. Изобарная теплоемкость метана принять равной cр = 2,25 кДж/(кгК). Изобразить процесс в координатах и .
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П 1
Характеристики компонентов, входящих в состав природных газов
Газ |
Хими-ческая формула |
Молярная масса , кг/кмоль |
Крити-ческая температура Tкр, К |
Крити-ческое давление pкр, МПа |
Температура кипения при p = pc, Tкп, К |
Фактор |
Метан |
CH4 |
16,043 |
190,555 |
4,5988 |
111,65 |
0,0436 |
Этан |
C2H6 |
30,070 |
305,83 |
4,880 |
184,55 |
0,0894 |
Пропан |
C3H8 |
44,097 |
369,82 |
4,250 |
231,05 |
0,1288 |
н-Бутан |
н-C4H10 |
58,123 |
425,14 |
3,784 |
272,67 |
0,1783 |
и-Бутан |
и- C4H10 |
58,123 |
408,13 |
3,648 |
261,42 |
0,1703 |
н-Пентан |
н-C5H12 |
72,150 |
469,69 |
3,364 |
309,19 |
0,2345 |
и-Пентан |
и- C5H12 |
72,150 |
460,39 |
3,381 |
301,02 |
0,2168 |
н-Гексан |
н-C6H14 |
86,177 |
506,4 |
3,030 |
341,89 |
0,2846 |
н-Гептан |
н-C7H16 |
100,204 |
539,2 |
2,740 |
371,58 |
0,3521 |
н-Октан |
н-C8H18 |
114,231 |
568,4 |
2,490 |
398,83 |
0,4278 |
Ацетилен |
C2H2 |
26,038 |
308,33 |
6,139 |
189,15 |
0,0837 |
Этилен |
C2H4 |
28,054 |
282,35 |
5,042 |
169,44 |
0,0775 |
Пропилен |
C3H6 |
42,081 |
364,85 |
4,601 |
225,45 |
0,1225 |
Бензол |
C6H6 |
78,114 |
562,16 |
4,898 |
353,25 |
0,2530 |
Толуол |
C7H8 |
92,141 |
591,80 |
4,106 |
383,78 |
0,3286 |
Водород |
H2 |
2,0159 |
33,2 |
1,297 |
20,35 |
-0,0051 |
Водяной пар |
H2O |
18,0153 |
647,14 |
22,064 |
373,15 |
0,2191 |
Аммиак |
H3N |
17,0306 |
405,5 |
11,350 |
239,75 |
0,1049 |
Метанол |
CH4O |
34,042 |
512,64 |
8,092 |
337,85 |
0,3286 |
Сероводород |
H2S |
34,082 |
373,2 |
8,940 |
212,85 |
0,1000 |
Метилмер-каптан |
CH4S |
48,109 |
470,0 |
7,230 |
279,10 |
0,1483 |
Диоксид серы |
SO2 |
64,065 |
430,8 |
7,884 |
263,15 |
0,1414 |
Гелий |
He |
4,0026 |
5,19 |
0,227 |
4,21 |
0 |
Неон |
Ne |
20,1797 |
44,40 |
2,760 |
27,09 |
0 |
Аргон |
Ar |
39,948 |
150,65 |
4,866 |
87,29 |
0,0265 |
Монооксид углерода |
CO |
28,010 |
132,85 |
3,494 |
81,65 |
0,0200 |
Азот |
N2 |
28,135 |
126,2 |
3,390 |
77,35 |
0,0173 |
Воздух |
- |
28,9626 |
- |
- |
- |
- |
Кислород |
O2 |
31,9988 |
154,58 |
5,043 |
90,19 |
0,0265 |
Диоксид углерода |
CO2 |
44,010 |
304,20 |
7,386 |
194,65 |
0,0728 |
Рис. П 1. Зависимость коэффициента сжимаемости углеводородных газов
от приведенных параметров