Ter-2012

Podstawy termodynamiki

Równanie stanu, udziały masowe oraz molowe

Pomiar ciśnienia (ciśnienie manometryczne, hydrostatyczne, dynamiczne, absolutne)

Równanie strugi (gazu, cieczy)

Zad. 1

Stalowy tłok o masie 60 kg pełni funkcję szczelnego zamknięcia gazu w cylindrycznym naczyniu.

Wewnętrzna średnica naczynia wynosi 0.24 m. Nad powierzchnią cylindra zostało zmierzone

ciśnienie atmosferyczne równe 0.97 BAR. Należy wyznaczyć ciśnienie w zbiorniku oraz określić jak

zmieni się ciśnienie w zbiorniku gdy na skutek doprowadzonego ciepłą objętość gazu powiększy się

dwukrotnie. Tłok porusza się bez tarcia.

Zad. 2

Turysta po osiągnięciu szczyt K2 (8611 m) i zejściu do bezpiecznej bazy postanowił obliczyć ciśnienie

jakie panowało na szczycie. W czasie ataku na szczyt temperatura powietrza wynosiła -29

Zad. 3

Szczelny zbiornik został napełniony mieszaniną gazu o udziałach molowych CO2=0,1, O2=0,3,

H2O=0,01 oraz N2. Za pomocą manometru cieczowego w kształcie u-rurki zostało zmierzone

ciśnienie w zbiorniku,

wody

=1000kg/m

, h=0,12 m. Znając temperaturę gazu T=300K wyznacz gęstości

poszczególnych składników, udziały masowe oraz zastępczą masę atomową gazu.

Zad. 4

Ile kilogramów powietrza może być przechowywane w zbiorniku w kształcie cylindra o wysokości

h=0.6 m oraz średnicy d=0.2 m. Ciśnienie manometryczne wewnątrz zbiornika wynosiło 100 BAR, a

temperatur powietrza znajdującego się w zbiorniku 33

C. Jak zmieni się ciśnienie manometryczne

wewnątrz zbiornika gdy temperatura w zbiorniku wzrośnie o

∆

T=30K.

Zad. 5

Strumień masowy powietrza przepływającego przez kompresor wynosi 730 kg/h. Kompresor pobiera

powietrze z otoczenia gdzie panuje ciśnienie 1 atm i temperatura 290K. Ciśnienie zmierzona za

pomocą manometru na wylocie z kompresora wynosi 8 atm. Temperatura powietrza po sprężeniu

wynosi 60

C. Wyznacz średnicę kanału dolotowego oraz wylotowego z kompresora. Prędkość

powietrza na wlocie do kompresora nie może przekroczyć 6 m/s a na wylocie 20 m/s.

Zad. 6

Rurociągiem 1 o średnicy 0,5 m płynie powietrze O

=0,21 i N

=0,79 z prędkością 10 m/s. Rurociągiem

2 płynie mieszanina CO

i N

. Strumień objętościowy gazu przepływającego rurociągiem 2 wynosi 5

/s, a skład gramowy g

CO2

=0,3, g

=0,7. Gazy mieszają się w mieszalniku izobarycznym, a następnie

mieszanina ta przepływa przez absorber, gdzie CO

jest wymywany tak, że jego udział molowy spada

do 1%. Zakładając, że temperatura gazów na wlotach do rurociągów jest taka sama i wynosi 25

C przy

ciśnieniu atmosferycznym. Oblicz molowy strumień absorbowanego CO

oraz udziały molowe i

gramowe składników mieszaniny za absorberem. W układzie panują warunki normalne.

Pierwsza zasada termodynamiki

Sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki

Bilans energii

Zmiana energii układu

Praca bezwzględna, techniczna i użyteczna

Zad. 1

Wentylator umieszczony w spokojnym powietrzu generuje podmuch 8 m/s co odpowiada 9 m

/s.

Wyznacz minimalną moc wentylatora, która musi być dostarczona do wentylatora, temperatura w

pomieszczeniu wynosi 31

Zad. 2

Cylindryczny zbiornik o wysokości 80 cm i średnicy 30 cm wypełniony jest powietrzem pod ciśnieniem

10 atm. Temperatura gazu w zbiorniku wynosi 22

C. Oblicz ilość energii odprowadzonej do otoczenia

po ochłodzeniu gazu w zbiorniku do 17

C. (dwa sposoby rozwiązania)

Zad. 3

Zbiornik cylindryczny przykryty od góry tłokiem zawiera 5 kg powietrza pod ciśnieniem 400 kPa i

temperaturze 200

C (powietrze należy taktować jak gaz doskonały). Na skutek doprowadzanego

ciepła do zbiornika temperatura wzrosłą do 320

C. Wyznacz:

•

Pracę bezwzględną wykonaną przez układ jeżeli tłok jest ruchomy, energię

akumulowaną przez czynniki oraz całkowitą ilość energii doprowadzonej do układu

•

Przyjmując, że tłok się nie porusza a ciepło doprowadzone równa się ciepłu

całkowitemu wyznaczonemu do poruszającego się układu, wyznacz temperaturę na

końcu przemiany oraz ciśnienie w zbiorniku

•

Należy narysować poszczególne przemiany

Zad. 4

Układ tłok-cylinder zawiera 0.4 m

gazu o składzie O2=0.19, CO2=0.1 i N2, pod początkowym

ciśnieniem 100 kPa i temperaturze 27

C. W zbiorniku została zainstalowana grzałka przez którą

przepływa prąd o natężeniu 0.2 A przez 5 min i napięciu 120 V. W trakcie podgrzewania gazu część

ciepła jest odprowadzana przez tłok do otoczenia, 3.7 kJ. Wyznacz końcową temperaturę przemiany

gazu.

Zad. 5

Długi cylindryczny aluminiowy pręt (

=2700 kg/m

i c

=0.973 kJ/kgK) o średnicy 5 cm jest

podgrzewany w piecu od temperatury 15

C do średniej temperatury 430

C na skutek przesuwania

pręta przez palenisko z prędkością 8 m/min. Oblicz ilości ciepła przekazywanego do pręta.

Zad. 6

Zamknięty zbiornik zawierający gorącą wodę chłodzony jest mieszadłem znajdującym się w dolnej

części zbiornika. Początkowa energia wewnętrzna wody wynosiła 800 kJ. Podczas chłodzenia ze

zbiornika zostało wyprowadzone 500 kJ ciepła. W celu wyprowadzenia danej ilości ciepła wirnik

wykonał 1000 obrotów na jednostkę czasu. Promień wirnika wynosi 0.2 m. Na łopatki wirnika dział

siła 200 N. Jaka jest końcowa energia wewnętrzna wody?

Zad. 7

Zaizolowany zbiornik zamknięty od góry cylindrem początkowo zawiera 15 kg helu o temperaturze

C i ciśnieniu 150 kPa. Cylinder wywiera nacisk na gaz równy 350 kPa. Zbiornik ten jest

podgrzewany, aż końcową objętość gazu znajdująca się pod cylindrem wyniesie 2V

. Wyznaczyć

końcową temperaturę przemiany, prace wykonaną przez powietrze oraz całkowitą ilość ciepła

doprowadzoną do układu.

Zad. 8

W celu zapewnienia prawidłowego działania generatora elektrycznego jest on chłodzony wodorem,

który nagrzewa się od 10

C do 100

C. Moc elektryczna generatora wynosi 200 MW, sprawność

generatora

=0.97. Traktując wodór jak gaz doskonały oraz ½ doskonały obliczyć strumień wodoru

przepływający przez generator

Zad. 9

Układ klimatyzacyjny używany jest do chłodzenia pomieszczenia. Wymagana moc układu

klimatyzacyjnego zapewniającego utrzymanie stałej temperatury w pomieszczeniu Q

= 2 kW.

Przekrój kanału doprowadzającego powietrze do pomieszczenia wynosi F = 0,5 m

. Wyznacz

temperaturę jaką powinno mieć doprowadzane powietrze, znając maksymalną prędkość powietrza

przepływającego w kanale w = 2 m/s oraz temperaturę powietrza odprowadzanego z pomieszczenia

out

= 22

C. Ciśnienie w kanale jest równe ciśnieniu otoczenia.

Zad. 10

Woda jest podgrzewana w wymienniku ciepła przy zachowaniu stałego przepływu przez wymiennik

spalin kotłowych. Spaliny zawierają CO

= 10%, H

O = 20% oraz N

. Temperatura wlotowa splin do

wymiennika jest równą t

= 500

C przy objętościowym strumieniu V

= 1000 Nm

/h. Woda jest

podgrzewana od temperatury t

= 15

C do t

= 55

C. Strumień masowy wody m

= 10 l/min.

Zakładając straty ciepła na poziomie 5% ciepła pochłanianego przez wodę oblicz temperaturę

wylotową spalin.

Przemiany

Zad. 1

Układ cylinder-tłok zawiera V

= 0.4 m

powietrza pod ciśnieniem p

= 120 kPa I temperaturze t

C. Na skutek ruchu tłoka powietrze to jest kompresowana do objętości V

= 0.1 m

. W trakcie

trwania procesu sprężania, temperatura wewnątrz zbiornika utrzymywana jest na stałym poziomie.

Wyznacz pracę kompresji oraz ciśnienie na końcu przemiany.

Zad. 2

Oblicz sprawność cieplnego silnika Carnota dla trzech poziomów temperatury źródła ciepła: Td1 =

320 K,Td2 = 500 K,Td3 = 560 K. Dolne źródło ciepła ma stałą temperaturę Tw = 300 K.

Zad. 3

Dwu stopniowy kompresor używany do sprężania powietrza od poziomu ciśnienia p

=1 atm do p

atm. Pierwszy poziom spręża powietrze do p

=3 atm. Temperatura powietrza doprowadzonego

do kompresora jest równa t

=15

C. Za pomocą chłodnicy między stopniowej powietrze przed

ponownym sprężeniem ochładzane jest do poziomu t

= 70

C. Znana jest sprawność wewnętrzna

pierwszego oraz drugiego stopnia sprężarki

=0.9. Objętościowy strumień sprężanego gazu

wynosi V=20 Nm

/h. Znana jest także sprawność elektryczna oraz mechaniczna silnika używanego do

napędu sprężarki równa

= 0.95,

= 0.97. Oblicz ilość energy elektrycznej potrzebnej do zasilania

układu sprężarki oraz ilość ciepła odprowadzaną przez chłodnice międzystopniową.

Zad. 4

W sprężarce dwustopniowej sprężana jest adiabatycznie nieodwracalnie mieszanina CO2, N2, O2

(gazy doskonałe). Udział molowy CO2 w sprężanym roztworze wynosi 0,2. W pierwszym stopniu

sprężarki gaz jest sprężany od nadciśnienia pm1=0,3 bar i t1=20°C do p2=0,5 MPa. Sprężony roztwór

jest następnie chłodzony w doskonale zaizolowanym izobarycznym wymienniku ciepła podgrzewając

wodę, której strumień masowy wynosi 46,95 kg/s, od temperatury tw1=30°C do tw2=90°C.

Ochłodzony roztwór jest następnie sprężany w drugim stopniu sprężarki osiągając t4=239°C, p4=2

MPa. Ciśnienie otoczenia wynosi 0,1 MPa. Sprawność wewnętrzna obu stopni sprężarki wynosi 0,76,

sprawność mechaniczna obu stopni sprężarki 0,98. Oblicz wartości temperatur t2 i t3, strumień

sprężanego gazu oraz moc efektywną zużywaną do napędu sprężarki.

Zad. 5

Czynnikiem roboczym w turbinie gazowej jest dwuatomowy gaz doskonały, który w rurociągu

dolotowym ma parametry t1=600°C, p1=0,6 MPa. Przed wlotem do turbiny gaz zostaje zdławiony

izentalpowo do p2=0,5 MPa. Ciśnienie gazu na wylocie z turbiny wynosi p3=0,1 MPa, moc

wewnętrzna turbiny 3 MW, sprawność wewnętrzna przemiany adiabatycznej 0,737, sprawność

mechaniczna turbiny 0,96, sprawność elektromechaniczna generatora 0,97. Oblicz strumień gazu,

moc generatora oraz sprawność energetyczną układu.

Gazy wilgotne

Zad. 1

W pokoju o wymiarach 5x5x3 znajduje się powietrze o temperaturze 25

C , ciśnieniu 100 kPa oraz

wilgotności względnej

=75%.

•

Ciśnienie składnikowe suchego powietrza

•

Stopień zwilżenia powietrza (zawartość wilgoci w powietrzu)

•

Masę powietrza suchego oraz pary

Zad. 2

W jakiej temperaturze nastąpi kondensacja pary wodnej na powierzchni wewnętrznej okna jeżeli

wewnątrz pomieszczeni panuje temperatura 20

C, a wilgotność względna powietrza wynosi

=65%.

Zad. 3

W zamkniętym zbiorniku pod ciśnieniem p=0.12 MPa znajduje się wilgotne powietrze o

temperaturze T=300 K. Masa suchego powietrza wynosi 85 kg, a mas pary nasyconej 1.3 kg. Wyznacz

wilgotność względną powietrza. Jak zmieni się względna wilgotność powietrza jeżeli zbiornik

zostanie ochłodzony od 20K lub podwyższony od 20K. Wyznacz ilość wykroplonej wody.

Zad. 4

Układ klimatyzacyjny pobiera z otoczenia powietrze o temperaturze 10

C i wilgotności względnej

50%, w ilości 45 m

/min. Powietrze to w układzie jest podgrzewane do 25

C i osiąga 60% wilgotności.

W tym celu zasysane powietrze jest najpierw podgrzewane do 30

C w części grzejnej, a następnie

nawilżane wodą wtryskową. Zakładając że proces przebiega przy 100 kPa wyznacz

•

Strumień ciepła dostarczanego w sekcji podgrzewu powietrza

•

Strumień masowy wody wykorzystywanej w sekcji nawilżającej

Zad. 4

Do chłodnicy powietrza dopływa 100000 m3/h powietrza o ciśnieniu 0.13MPa i temperaturze t

=10

i wilgotności 80%. Powietrze to ochładzane jest do temperatury 0.5

C. Na skutek ochładzania części

pary zawartej w powietrzu ulegnie wykropleniu. Wyznacz ilość wykroplonej cieczy oraz ilość ciepła

jaką należy odebrać od powietrza w celu jego ochłodzenia do podanych parametrów.

Zad. 5

Woda chłodząca skraplacz elektrowni o temperaturze 35

C doprowadzana jest do mokrej chłodni

kominowej gdzie ulega ochłodzeniu do 22

C. Strumień masowy wody chłodzącej wynosi 100kg/s.

Woda chłodząca ochładzane jest przez powietrzem o ciśnieni 1 atm, 20

C oraz wilgotności względnej

60%, które po opuszczeniu chłodni kominowej jest nasycone wilgocią. Wyznacz strumień

objętościowy powietrze przepływającego przez chłodnię kominową, oraz strumień masowy wody

uzupełniającej odparowaną części wody chłodzącej skraplacz.

Para

Zad. 1

Do skraplacza dopływa nasycona para wodna strumieniem 3 kg/s pod ciśnieniem 8 Kpa. Kondensat

odpływający ze skraplacza ma temperaturę 309K. Skraplacz jest chłodzony strumieniem wody

200 kg/s. Temperatura wody chłodzącej przy dopływie 299K a przy wylocie 307K. Oblicz stopień

suchości pary dopływającej do skraplacza.

Zad. 2

Do adiabatycznej maszyny przepływowej dopływa przegrzana para wodna o ciśnieniu

1 MPa i temperaturze 473K. W maszynie para podlega nieodwracalnemu rozprężeniu do ciśnienia

0.01 MPa. Moc wewnętrzna maszyny 150 kW. Po rozprężeniu pary płynie do skraplacza

natryskowego, do którego doprowadzany jest strumień wody 5 kg/s o temperaturze 293K.

Temperatura wody odpływającej ze skraplacza 318K. Oblicz sprawność wewnętrzna maszyny.

Zad. 3

Adiabatyczna przeciwprężna turbina parowa jest wykorzystywana do napędu adiabatycznej sprężarki

powietrza. Ciśnienie powietrza przed sprężarką 0.1 MPa, 10

C, ciśnienie za sprężarką 1 MPa.

Strumień czynnika przepływającego przez sprężarkę wynosi 0.05 kmol/s. Sprawność wewnętrzna

turbiny 0.8 a sprężarki 0.78. Sprawność mechaniczna turbiny 0.98, sprężarki 0.97. Parametry pary

przed turbina 4 MPa, temperatura pary 430

C. Ciśnienie za sprężarką wynosi 0.2 MPa. Para za

wymiennikiem ciepła jest nasycona. Zakładając ze powietrze jest gazem doskonałym i nie ma strat

ciepła w wymienniku oblicz moc wewnętrzna turbiny, strumień pary i strumień ciepła przekazywany

w wymienniku.

Zad. 4

Cylinder, który od góry zamknięty jest tłokiem początkowo zawiera 1.4 kg nasyconej wody o

temperaturze 200

C. Przy doprowadzeniu ciepła następuje całkowite odparowanie wody pod

tłokiem.. Wyznaczyć objętośc cylindra, końcową temperaturą pary, ciśnienie oraz zmianę enrgi

wewnętrnej wody.

Zad. 5

Zaizolowany zbiornik o objętości 30 m

w którym znajduje się para o ciśnieniu 0.12 MPa, stopniu

suchości 0.95. Zbiornik ładowany jest wodą o temperaturze 15

C i parą o ciśnieniu 0.3 MPa i stopniu

suchości 1. Po naładowaniu zostało wyznaczone ciśnienie w zbiorniku 0.6 MPa i stopień suchości

zwartej w nim pary 0.1. Wyznacz strumień masowy doprowadzonej wody oraz strumień masowy

pary.

Spalanie

Zad. 1

Do palnika dopływa strumień 0,2 kmol/min powietrza oraz 4,0 kmol/h gazu o składzie CO=0,5,

H2=0,5. Oblicz stosunek nadmiaru powietrza i kmax.

Zad. 2

Gaz o składzie CH4=0,5; N2=0,1; C2H6=0,1; O2=0,3 spalano przy λ=1,1. Zakładając spalanie całkowite

i zupełne oblicz skład spalin suchych.

Zad. 3

Węgiel kamienny o składzie c=0,66; h=0,05; s=0,01; n=0,02; o=0,08; p=0,08; w=0,10 spalano

całkowicie i zupełnie przy λ =1,5. Oblicz jednostkowe zużycie powietrza oraz skład spalin suchych i

wilgotnych.

Zad, 4

Etylen (C2H4) spalono całkowicie i zupełnie w powietrzu wzbogaconym w tlen (zO2=0,4) przy λ =1,2.

Oblicz skład spalin suchych.

Zad. 5

Oblicz temperaturę rosienia spalin powstających z całkowitego i zupełnego spalania oleju o składzie:

c=0,80; h=0,13; o=0,07 przy λ=1,1 w powietrzu o parametrach: ta=20°C, p=1 bar, φa=90%.

Zad. 6

Kocioł parowy opalany jest gazem ziemnym o składzie CH4=0,97; N2=0,02; CO2=0,01. Parametry

termiczne gazu i powietrza używanego jako utleniacz: pg=pa=pot=102 kPa, tg=ta=tot=20°C.

Powietrze jest gazem zawilżonym o wilgotności względnej 50%. Spaliny na wylocie z kotła mają

temperaturę ts=200°C. Kocioł wytwarza 650 t/h pary o pp=15,0 MPa, tp=530°C, podczas gdy

parametry wody zasilającej wynoszą: pwz=17,0 MPa, twz=220°C. Stratę ciepła do otoczenia

oszacowano na 1% entalpii chemicznej paliwa. Zakładając spalanie całkowite i zupełne przy λ=1,15

oraz traktując gazy jako półdoskonałe oblicz zużycie gazu, sprawność kotła brutto i względną stratę

wylotową fizyczną εwf.

Zad. 7

Kocioł parowy wytwarza 650 t/h pary wodnej o parametrach: pp=16,5 MPa, tp=530°C. Do kotła

dopływa woda o parametrach: pw=17,0 MPa, tw=220°C. W kotle spalany jest węgiel kamienny o

składzie: c=0,672; h=0,042; s=0,008; o=0,072; n=0,006; w=0,108; p=0,092. Temperatura węgla i

powietrza używanego do spalania wynosi 25°C, temperatura wylotowa spalin 127°C. W spalinach

zmierzono zawartość dwutlenku węgla: [CO2]=14,2%. Zakładając, że gazy są gazami półdoskonałymi,

spalanie jest całkowite i zupełne, a straty ciepła do otoczenia wynoszą 2% energii chemicznej paliwa

oblicz strumień spalanego paliwa i sprawność kotła brutto.

Zad. 8

Kocioł wodny opalany jest gazem ziemnym o składzie CH

=0,97; N

=0,02; CO

=0,01. Parametry

termiczne gazu i powietrza używanego jako utleniacz: pg=pa=pot=102 kPa, t

=20

C, t

pow

=40

Powietrze jest gazem wilgotnym o wilgotności względnej 50%. Spaliny na wylocie z kotła mają

temperaturę t

=200°C. Kocioł podgrzewa 50 kg/s wodę od t

=50°C do t

=530°C. Stratę ciepła do

otoczenia oszacowano na 1% entalpii chemicznej paliwa. Zakładając spalanie całkowite i zupełne przy

λ=1,15 oraz traktując gazy jako doskonałe oblicz zużycie gazu.

Zad. 8

Kocioł wodny opalany jest gazem ziemnym o składzie CH

=0,97; N

=0,02; CO

=0,01. Parametry

termiczne gazu i powietrza używanego jako utleniacz: pg=pa=pot=102 kPa, t

=20

C, t

pow

=40

Powietrze jest gazem wilgotnym o wilgotności względnej 50%. Spaliny na wylocie z kotła mają

temperaturę t

=200°C. Kocioł podgrzewa 50 kg/s wodę od t

=50°C do t

=530°C. Stratę ciepła do

otoczenia oszacowano na 1% entalpii chemicznej paliwa. Zakładając spalanie całkowite i zupełne przy

λ=1,15 oraz traktując gazy jako doskonałe oblicz zużycie gazu.

Zad. 8

Kocioł wodny opalany jest gazem ziemnym o składzie CH

=0,97; N

=0,02; CO

=0,01. Parametry

termiczne gazu i powietrza używanego jako utleniacz: pg=pa=pot=102 kPa, t

=20

C, t

pow

=40

Powietrze jest gazem wilgotnym o wilgotności względnej 50%. Spaliny na wylocie z kotła mają

temperaturę t

=200°C. Kocioł podgrzewa 50 kg/s wodę od t

=50°C do t

=530°C. Stratę ciepła do

otoczenia oszacowano na 1% entalpii chemicznej paliwa. Zakładając spalanie całkowite i zupełne przy

λ=1,15 oraz traktując gazy jako doskonałe oblicz zużycie gazu.

Zad. 8

Kocioł wodny opalany jest gazem ziemnym o składzie CH

=0,97; N

=0,02; CO

=0,01. Parametry

termiczne gazu i powietrza używanego jako utleniacz: pg=pa=pot=102 kPa, t

=20

C, t

pow

=40

Powietrze jest gazem wilgotnym o wilgotności względnej 50%. Spaliny na wylocie z kotła mają

temperaturę t

=200°C. Kocioł podgrzewa 50 kg/s wodę od t

=50°C do t

=530°C. Stratę ciepła do

otoczenia oszacowano na 1% entalpii chemicznej paliwa. Zakładając spalanie całkowite i zupełne przy

λ=1,15 oraz traktując gazy jako doskonałe oblicz zużycie gazu.

Podstawy termodynamiki

Równanie stanu, udziały masowe oraz molowe

Pomiar ciśnienia (ciśnienie manometryczne, hydrostatyczne, dynamiczne, absolutne)

Równanie strugi (gazu, cieczy)

Zad. 1

Stalowy tłok o masie 60 kg pełni funkcję szczelnego zamknięcia gazu w cylindrycznym naczyniu.

Wewnętrzna średnica naczynia wynosi 0.24 m. Nad powierzchnią cylindra zostało zmierzone

ciśnienie atmosferyczne równe 0.97 BAR. Należy wyznaczyć ciśnienie w zbiorniku oraz określić jak

zmieni się ciśnienie w zbiorniku gdy na skutek doprowadzonego ciepłą objętość gazu powiększy się

dwukrotnie. Tłok porusza się bez tarcia.

Zad. 2

Turysta po osiągnięciu szczyt K2 (8611 m) i zejściu do bezpiecznej bazy postanowił obliczyć ciśnienie

jakie panowało na szczycie. W czasie ataku na szczyt temperatura powietrza wynosiła -29

Zad. 3

Szczelny zbiornik został napełniony mieszaniną gazu o udziałach molowych CO2=0,1, O2=0,3,

H2O=0,01 oraz N2. Za pomocą manometru cieczowego w kształcie u-rurki zostało zmierzone

ciśnienie w zbiorniku,

wody

=1000kg/m

, h=0,12 m. Znając temperaturę gazu T=300K wyznacz gęstości

poszczególnych składników, udziały masowe oraz zastępczą masę atomową gazu.

Zad. 4

Ile kilogramów powietrza może być przechowywane w zbiorniku w kształcie cylindra o wysokości

h=0.6 m oraz średnicy d=0.2 m. Ciśnienie manometryczne wewnątrz zbiornika wynosiło 100 BAR, a

temperatur powietrza znajdującego się w zbiorniku 33

C. Jak zmieni się ciśnienie manometryczne

wewnątrz zbiornika gdy temperatura w zbiorniku wzrośnie o

∆

T=30K.

Zad. 5

Strumień masowy powietrza przepływającego przez kompresor wynosi 730 kg/h. Kompresor pobiera

powietrze z otoczenia gdzie panuje ciśnienie 1 atm i temperatura 290K. Ciśnienie zmierzona za

pomocą manometru na wylocie z kompresora wynosi 8 atm. Temperatura powietrza po sprężeniu

wynosi 60

C. Wyznacz średnicę kanału dolotowego oraz wylotowego z kompresora. Prędkość

powietrza na wlocie do kompresora nie może przekroczyć 6 m/s a na wylocie 20 m/s.

Zad. 6

Rurociągiem 1 o średnicy 0,5 m płynie powietrze O

=0,21 i N

=0,79 z prędkością 10 m/s. Rurociągiem

2 płynie mieszanina CO

i N

. Strumień objętościowy gazu przepływającego rurociągiem 2 wynosi 5

/s, a skład gramowy g

CO2

=0,3, g

=0,7. Gazy mieszają się w mieszalniku izobarycznym, a następnie

mieszanina ta przepływa przez absorber, gdzie CO

jest wymywany tak, że jego udział molowy spada

do 1%. Zakładając, że temperatura gazów na wlotach do rurociągów jest taka sama i wynosi 25

C przy

ciśnieniu atmosferycznym. Oblicz molowy strumień absorbowanego CO

oraz udziały molowe i

gramowe składników mieszaniny za absorberem. W układzie panują warunki normalne.

Pierwsza zasada termodynamiki

Sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki

Bilans energii

Zmiana energii układu

Praca bezwzględna, techniczna i użyteczna

Zad. 1

Wentylator umieszczony w spokojnym powietrzu generuje podmuch 8 m/s co odpowiada 9 m

/s.

Wyznacz minimalną moc wentylatora, która musi być dostarczona do wentylatora, temperatura w

pomieszczeniu wynosi 31

Zad. 2

Cylindryczny zbiornik o wysokości 80 cm i średnicy 30 cm wypełniony jest powietrzem pod ciśnieniem

10 atm. Temperatura gazu w zbiorniku wynosi 22

C. Oblicz ilość energii odprowadzonej do otoczenia

po ochłodzeniu gazu w zbiorniku do 17

C. (dwa sposoby rozwiązania)

Zad. 3

Zbiornik cylindryczny przykryty od góry tłokiem zawiera 5 kg powietrza pod ciśnieniem 400 kPa i

temperaturze 200

C (powietrze należy taktować jak gaz doskonały). Na skutek doprowadzanego

ciepła do zbiornika temperatura wzrosłą do 320

C. Wyznacz:

•

Pracę bezwzględną wykonaną przez układ jeżeli tłok jest ruchomy, energię

akumulowaną przez czynniki oraz całkowitą ilość energii doprowadzonej do układu

•

Przyjmując, że tłok się nie porusza a ciepło doprowadzone równa się ciepłu

całkowitemu wyznaczonemu do poruszającego się układu, wyznacz temperaturę na

końcu przemiany oraz ciśnienie w zbiorniku

•

Należy narysować poszczególne przemiany

Zad. 4

Układ tłok-cylinder zawiera 0.4 m

gazu o składzie O2=0.19, CO2=0.1 i N2, pod początkowym

ciśnieniem 100 kPa i temperaturze 27

C. W zbiorniku została zainstalowana grzałka przez którą

przepływa prąd o natężeniu 0.2 A przez 5 min i napięciu 120 V. W trakcie podgrzewania gazu część

ciepła jest odprowadzana przez tłok do otoczenia, 3.7 kJ. Wyznacz końcową temperaturę przemiany

gazu.

Zad. 5

Długi cylindryczny aluminiowy pręt (

=2700 kg/m

i c

=0.973 kJ/kgK) o średnicy 5 cm jest

podgrzewany w piecu od temperatury 15

C do średniej temperatury 430

C na skutek przesuwania

pręta przez palenisko z prędkością 8 m/min. Oblicz ilości ciepła przekazywanego do pręta.

Zad. 6

Zamknięty zbiornik zawierający gorącą wodę chłodzony jest mieszadłem znajdującym się w dolnej

części zbiornika. Początkowa energia wewnętrzna wody wynosiła 800 kJ. Podczas chłodzenia ze

zbiornika zostało wyprowadzone 500 kJ ciepła. W celu wyprowadzenia danej ilości ciepła wirnik

wykonał 1000 obrotów na jednostkę czasu. Promień wirnika wynosi 0.2 m. Na łopatki wirnika dział

siła 200 N. Jaka jest końcowa energia wewnętrzna wody?

Zad. 7

Zaizolowany zbiornik zamknięty od góry cylindrem początkowo zawiera 15 kg helu o temperaturze

C i ciśnieniu 150 kPa. Cylinder wywiera nacisk na gaz równy 350 kPa. Zbiornik ten jest

podgrzewany, aż końcową objętość gazu znajdująca się pod cylindrem wyniesie 2V

. Wyznaczyć

końcową temperaturę przemiany, prace wykonaną przez powietrze oraz całkowitą ilość ciepła

doprowadzoną do układu.

Zad. 8

W celu zapewnienia prawidłowego działania generatora elektrycznego jest on chłodzony wodorem,

który nagrzewa się od 10

C do 100

C. Moc elektryczna generatora wynosi 200 MW, sprawność

generatora

=0.97. Traktując wodór jak gaz doskonały oraz ½ doskonały obliczyć strumień wodoru

przepływający przez generator

Zad. 9

Układ klimatyzacyjny używany jest do chłodzenia pomieszczenia. Wymagana moc układu

klimatyzacyjnego zapewniającego utrzymanie stałej temperatury w pomieszczeniu Q

= 2 kW.

Przekrój kanału doprowadzającego powietrze do pomieszczenia wynosi F = 0,5 m

. Wyznacz

temperaturę jaką powinno mieć doprowadzane powietrze, znając maksymalną prędkość powietrza

przepływającego w kanale w = 2 m/s oraz temperaturę powietrza odprowadzanego z pomieszczenia

out

= 22

C. Ciśnienie w kanale jest równe ciśnieniu otoczenia.

Zad. 10

Woda jest podgrzewana w wymienniku ciepła przy zachowaniu stałego przepływu przez wymiennik

spalin kotłowych. Spaliny zawierają CO

= 10%, H

O = 20% oraz N

. Temperatura wlotowa splin do

wymiennika jest równą t

= 500

C przy objętościowym strumieniu V

= 1000 Nm

/h. Woda jest

podgrzewana od temperatury t

= 15

C do t

= 55

C. Strumień masowy wody m

= 10 l/min.

Zakładając straty ciepła na poziomie 5% ciepła pochłanianego przez wodę oblicz temperaturę

wylotową spalin.