Ćwiczenie I

1. W dwóch zbiornikach znajduje się: 140 kg i 6 kmol azotu. W którym ze zbiorników jest więcej substancji? podać ilość w nm³.

2. Przy ciśnieniu 2,0 bar 0,7 kg wodoru zajmuje objętość 7m³. Obliczyć temperaturę gazu.

3. Przy p = 1 bar 0,2 kmola tlenu zajmuje objętość 3m³. Obliczyć temperaturę.

4. Obliczyć gęstość i objętość właściwą argonu przy ciśnieniu 4 bar i temp. 150^oC.

5. Obliczyć gęstość i objętość właściwą tlenu w warunkach normalnych.

6. Gaz pod ciśnieniem p = 2,5 bar i temp. t = 27^oC zajmuje objętość 5,5m³. Jaką objętość będzie zajmował gaz w warunkach normalnych?

7. W butli o objętości 0,15m³ znajduje się CO₂ o temp. 298 K i pod ciśnieniem absolutnym 7 bar. Oblicz ile (nm³) CO₂ wypuszczono z butli, jeżeli ciśnienie spadło do 3 bar.

Ćwiczenie II

1. Ile wynosi ciepło właściwe azotu przy stałym ciśnieniu kilomolowe, kilogramowe i w odniesieniu do nm³.

2. Obliczyć kilogramowe ciepło właściwe przy stałej objętości dla tlenu w granicach od 100 do 500^oC jeżeli:

a) tlen jest gazem doskonałym,

b) tlen jest gazem półdoskonałym.

3. W czasie ogrzewania azotu przy stałym ciśnieniu doprowadzono 4000 kJ ciepła. temperatura zmieniła się od 20 do 120^oC. Obliczyć ilość azotu w: kg, kmol, nm³.

4. Powietrze (traktować jako gaz doskonały) o temperaturze t₁ = 10^oC wpływa do podgrzewacza pracującego przy stałym ciśnieniu p = 1 at, gdzie ogrzewa się do t₂ = 350^oC. Natężenie przepływu powietrza wynosi V^*_n = 4200 nm³/h. Obliczyć ilość ciepła pobieranego przez powietrze oraz objętościowe natężenie wypływu gazu z podgrzewacza.

5. Zmieszano 150 nm³ CO₂, 120 kg N₂ i 3 kmol SO₂. Określić skład powstałej mieszaniny za pomocą udziałów: a) masowych, b) molowych, c) objętościowych.

6.Obliczyć zastępczą masę cząsteczkową oraz indywidualną stałą gazową dla mieszaniny o składzie molowym: y_CO = 0,33; y_N2 = 0,05; y_CH4 = 0,15; y_O2 = 0,47.

7. Dany jest objętościowy skład mieszaniny: 15% Co; 85%H₂. Obliczyć: a)udział masowy; b) kilogramowe i kolimolowe ciepło właściwe przy p = const.; c) gęstość i objętość mieszaniny dla p = 5 bar, t = 27^oC.

8. Zmieszano 6 kg CO₂ i 2 kg N₂. Obliczyć udziały molowe składników, masę cząsteczkową oraz indywidualną stałą gazową mieszaniny.

9. Obliczyć objętość zbiornika potrzebnego do zmagazynowania 250 kg powietrza o t = 30^oC pod p = 3 At., jeżeli udziały objętościowe składników wynoszą r_N2 = 79% i r_O2 = 21%.

Ćwiczenie III

1. W zbiorniku o objętości 15 m³ znajduje się 60 kg mieszaniny o temperaturze 400K. Udziały molowe składników wynoszą: 60% azotu i 40% dwutlenku węgla. Należy obliczyć ciśnienie mieszaniny i ciśnienia cząsteczkowe jej składników.

2. Azot podlega przemianie izobarycznej przy ciśnieniu p = 6 bar, t₁ = 27^oC, V₁ = 0,005 m³ do stanu, w którym temperatura wynosi t₂ = 897^oC. Oblicz:

- pracę zewnętrzną przemiany,

- ciepło przemiany,

- otrzymane wyniki sprawdzić za pomocą I zasady termodynamiki.

3. Mieszaninę gazową o składzie objętościowym: 10% CO₂ i 90% O₂ ogrzano od 0^oC do temperatury 50^oC przy stałym ciśnieniu. Obliczyć ilość ciepła doprowadzoną do 1 nm³ mieszaniny.

4. W zamkniętym zbiorniku znajduje się 0,5 kmola 2-atomowego gazu doskonałego pod ciśnieniem p₁ = 2,5 bar. Do gazu doprowadzono ciepło w ilości Q₁₂ = 500 kJ. Temperatura gazu wzrosła do 400 K. Oblicz: objętość zbiornika V, ciśnienie gazu p₂ oraz temperaturę początkową gazu.

5 5 kg mieszaniny o składzie molowym 20% CO i 80% He ochłodzono izochorycznie odprowadzając Q₁₂ = -800 kJ ciepła do temperatury t₂ = 20^oC. Obliczyć temperaturę początkową gazu.

6. Obliczyć pracę zewnętrzną, pracę techniczną oraz ciepło przemiany izotermicznej powietrza przy t = 100^oC w granicach ciśnień: p₁ = 100 bar i p₂ = 10 bar. Ilość czynnika G = 5 kg.

7. 2 kg mieszaniny o składzie objętościowym 30% O₂ i 70% N₂ sprężono izotermicznie przy t_m = 200^oC. Objętość mieszaniny zmieniła się w granicach V_1m = 0,5 m³ do V_2m = 0,2 m³. Oblicz: p_1m, p_2m, Q₁₂.

Uwaga: Wszystkie zadania zinterpretować na wykresach p-v i T-s.

Ćwiczenie IV

1. 2 kilomole gazu doskonałego dwuatomowego ulega kolejno przemianom: 1-2 izobarycznej, 2-3 izochorycznej. Parametry czynnika wynoszą: p₁ = 1 bar, t₁ = 27^oC, t₂ = 127^oC, t₃ = 227^oC. Oblicz brakujące parametry, pracę absolutną i techniczną przemian, ciepło przemian. Przedstaw przemiany na wykresie p-v i T-s.

2. 0,56 kg N₂ ulega przemianom: 1-2 izotermicznej, 2-3 izochorycznej. Dane są parametry: p₁ = 2,5 bar, V₁ = 0,1 m³, p₂ = 1 bar, T₃ = 600 K. Oblicz parametry oraz ciepło, pracę absolutną i techniczną przemian, przedstaw przemiany na wykresie p-v, T-s.

3. Przy przemianie adiabatycznej parametry czynnika wynoszą: p₁ = 0,9 bar, V₁ = 0,95 m³ oraz p₂ = 4,5 bar i V₂ = 0,35 m³. Określ wartość wykładnika adiabaty.

4. Sprężono adiabatycznie 10 kg powietrza o ciśnieniu p₁ = 1,5 bar i T₁ = 283 K. Objętość powietrza zmniejszyła się dwa razy. Obliczyć:

- brakujące parametry,

- pracę absolutną i techniczną,

- zmianę energii wewnętrznej i entalpii,

- narysować przemianę na wykresach p-v i T-s.

5. W cylindrze rozprężarki znajduje się azot pod ciśnieniem 50 bar i w temperaturze 500 K. Wskutek ekspansji politropowej o wykładniku m = 2 objętość azotu wzrosła od V₁ = 0,15 do V₂ = 0,25 m³. Obliczyć ciepło oraz pracę absolutną i techniczną przemiany.

6. 4 m³ powietrza o ciśnieniu 5 bar i T = 400 K rozprężono adiabatycznie (przemiana 1-2) do ciśnienia p₂ = 1 bar i T₂ = 252,4 K. Następnie gaz sprężono izotermicznie (przemiana 2-3) do p₃ = 2 bar. Obliczyć sumaryczną pracę absolutną i techniczną oraz całkowite ciepło. Wykres p-v i T-s.

Ćwiczenie V

1. Moc silnika pracującego ze sprawnością termiczną 40% wynosi 2 kW. Oblicz ilość ciepła doprowadzoną do źródła górnego Q_g^* i ilość ciepła odprowadzoną ze źródła dolnego Q_d^*.

2. Silnik cieplny w którym zachodzi obieg cieplny włączony jest między dwa źródła ciepła, w którym temperatury wynoszą T_g = 1000 K, T_d = 400 K. Sprawność termiczna układu wynosi 32% zaś jego moc N = 9 kW. Obliczyć: a) ilość ciepła pobieranego z górnego źródła ciepła, b) ilość ciepła oddawanego przez czynnik do dolnego źródła ciepła, c) moc silnika Carnota pracującego między tymi samymi źródłami ciepła i pobierającego tę samą ilość ciepła Q_g^*.

3. Idealna turbina gazowa, w której czynnikiem obiegowym jest dwuatomowy gaz doskonały, pracuje w obiegu Braytona. Czynnik przepływa kolejno przez turbinę w której ekspanuje adiabatycznie (1-2), przez chłodnicę gdzie jest izobarycznie chłodzony (2-3), przez sprężarkę gdzie spręża się go adiabatycznie (3-4), przez podgrzewacz w którym izobarycznie ogrzewa się (4-1). Parametry czynnika wynoszą: p₃ = 2 bar, p₄ = 20 bar, T₃ = 300 K, T₁ = 1200 K. Masowe natężenie przepływu gazu wynosi N^* = 25,2 kmol/h. Należy narysować obieg na wykresie p-v i T-s oraz obliczyć moc i sprawność termiczną obiegu.

4. W wysokoprężnym silniku z samoczynnym zapłonem proces odbywa się według obiegu Diesla: 1-2 adiabatyczne sprężanie, 2-3 izobaryczne dostarczanie ciepła, 3-4 adiabatyczne rozprężanie, 4-1 izochoryczne oddawanie ciepła do otoczenia. Czynnikiem obiegowym jest azot w ilości G^* = 14 kg/h. Temperatury czynnika odpowiednio wynoszą: T₁ = 350 K, T₂ = 826 K, T₃ = 1400 K, T₄ = 740 K. narysuj obieg na wykresie p-v i T-s. Oblicz sprawność i moc obiegu.

5. G = 0,1 kg azotu podlega trzem przemianom tworzącym obieg prawobieżny: 1-2 izobaryczne ogrzewanie, 2-3 adiabatyczne rozprężanie, 3-1 izotermiczne sprężanie. Parametry stanu czynnika wynoszą: V₂ = 15 dm³, V₃ = 150 dm³, t₂ = 627^oC, p₁ = 18 bar. Praca absolutna przemiany 1-2 L_1-2 = 16,2 kJ. Obliczyć pozostałe parametry w punktach charakterystycznych, ciepło poszczególnych przemian oraz sprawność obiegu.

ĆWICZENIE VII

1. Wodę pod ciśnieniem 15 bar ogrzano do temperatury 170^oC. Czy nastąpiło zawrzenie? Zinterpretować zadanie na wykresie pv i Ts.

2. W cylindrze pod tłokiem znajduje się para nasycona mokra. Ciśnienie pary wynosi 6 bar. Określić temperaturę pary.

3. Temperatura wody wrzącej wynosi 190^oC. Określić jej objętość właściwą, gęstość, entalpię, energię wewnętrzną oraz entropię.

4. Określić parametry pary nasyconej suchej o ciśnieniu 50 bar.

5. Za pomocą tablic określić parametry pary nasyconej mokrej, jeżeli ciśnienie p = 10 bar i x = 0,85.

6. Dane są parametry pary: v = 0,12m³/kg, p = 10 bar. Określ rodzaj pary oraz odczytaj parametry pary z wykresu.

7. Określ entalpię i energię wewnętrzną oraz entropię 1 kg pary o ciśnieniu 30 bar i temperaturze 300^oC.

8. Określ stan pary i wyznacz jej parametry, jeżeli jej objętość właściwa v = 0,4m³/kg a entalpia = 1676 kJ/kg.

9. W zbiorniku o objętości 12 m³ znajduje się 200 kg pary nasyconej mokrej o ciśnieniu 24 bar. Oblicz stopień suchości tej pary.

10.W zbiorniku o objętości 10m³ znajduje się para nasycona mokra o p = 30 bar i x = 0,8. Oblicz energię wewnętrzną tej pary.

11. 20 kg pary wodnej zawierającej 15 kg wody w postaci cieczy zajmuje objętość 2m³. Określ wszystkie parametry tej pary.

ĆWICZENIE VIII

1. Wodę wodociągową w ilości G = 20kg o temperaturze t₁ = 20^oC zamieniono przy stałym ciśnieniu p = 1,5 bar na parę nasyconą mokrą o stopniu suchości x₂ = 0,4. Obliczyć ilość dostarczonego ciepła. Przedstaw proces na pv i Ts.

2. Do grzejników centralnego ogrzewania dopływa para mokra o parametrach: p₁ = 1,2 bar i x₁ = 0,95. Natężenie przepływu pary wynosi G^* = 180 kg/h. Para ta oddając ciepło w grzejnikach ulega skropleniu i ochłodzeniu tak, że po opuszczeniu grzejników temperatura wody wynosi t₂ = 45^oC. Oblicz wydajność centralnego ogrzewania. Przedstaw proces na Ts i pv.

3. Pod ciśnieniem 1 bar zamieniono 1 kg wody w parę przegrzaną o entalpii i₂ = 3142,5 kJ/kg dostarczając q₁₂ = 2975 kJ/kg ciepła. Jaka była temperatura początkowa wody? Jaki % całkowitej ilości dostarczonego ciepła stanowi ciepło parowania i ciepło przegrzania? Przedstaw proces na Ts, pv i is.

4. Oblicz zapotrzebowanie pary grzejnej do ogrzania wody w współprądowym wymienniku ciepła. Masowe natężenie przepływu wody jest 2 kg/s i należy je ogrzać od 20 - 60^oC. Czynnikiem grzejnym jest para nasycona sucha o ciśnieniu 1,5 bar i wykorzystywane jest tylko cześciowo ciepło skraplania. Za wymiennikiem stopień suchości pary wynosi x = 0,2. Przedstaw na wykresie zmianę temperatur obu czynników.

ĆWICZENIE IX

1. Woda wrząca została izotermicznie zamieniona w parę przegrzaną zmieniając ciśnienie od 1 bara do 0,1 bara. Oblicz ciepło przemiany. Przedstaw proces na wykresie pv, Ts i is.

2. 10 kg pary sprężono izotermicznie przy t = 200^oC. Parametry: p₁ = 10 bar, v₂ = 0,05 m³/kg. Oblicz ciepło przemiany. Przedstaw proces na wykresie pv, Ts i is. Obliczenia wykonaj przy pomocy wykresu.

3. 0,5 kg/s pary wodnej nasyconej suchej rozpręża się adiabetycznie od p₁ = 30 bar do p₂ = 10 bar. Przy pomocy tablic oblicz stopień suchości pary po rozprężaniu i moc turbiny. Wykres Ts i is.

4. Przy adiabatycznym sprężaniu 1 kg/s pary wodnej od stanu p₁ = 1 bar i x₁ = 0,90 temperatura wzrosła do t₂ = 300^oC. Oblicz moc sprężania pary. Wykres Ts i is.

5. Parę wodną o ciśnieniu 40 bar i stopniu suchości x₁ = 0,80 zdławiono izentalpowo do ciśnienia p₂ = 2 bar. Przy pomocy tablic oblicz parametry pary przed i po zdławieniu oraz przyrost entropii. Wykres Ts i is.

6. Wodę wrzącą o temperaturze 100^oC zdławiono izentalpowo do ciśnienia p₂ = 0,2 bary. Wyznacz parametry przed i po zdławieniu. Wykres Ts i is.

ĆWICZENIE X

1. Oblicz moc turbiny, sprawność teoretyczną oraz ciepło doprowadzone do elektrowni cieplnej pracującej w systemie otwartym. Wydajność D^* = 7t/h, ciśnienie p_g = 15 bar, ciśnienie za turbiną p_d = 1 bar. Para zasilająca turbinę jest nasycona sucha, a woda zasilająca kocioł ma temperaturę 100^oC. Obliczenia wykonać za pomocą tablic. Narysuj schemat elektrowni pracującej w systemie otwartym, oznacz charakterystyczne punkty procesu i przenieś to na wykres Ts.

2. Para zasilająca turbinę ma parametry: p = 120 bar i t = 500^oC. Ciśnienie skraplania wynosi 0,05 bar. Oblicz ilość ciepła doprowadzonego do czynnika w kotle, w przegrzewaczu oraz sprawność elektrowni, jeżeli natężenie pary realizującej obieg zamknięty wynosi D^* = 120 t/h. Schemat elektrowni, wykres Ts.

3. Obliczyć sprawność obiegu Rankin`a wykonanego przez 1 kg/s pary, która na zasilaniu turbiny ma parametry: p = 50 bar, t = 400<sup>o</sup>C, a ciśnienie pary wylotowej z turbiny wynosi 0,5 bar, a w drugim wariancie p` = 0,05 bar. Jaki wniosek można wyciągnąć z uzyskanych obliczeń?

4. Kocioł parowy produkujący 20 t/h pary o ciśnieniu p = 40 bar i temperaturze t = 440^oC ma sprawność η = 0,8. Jest on zasilany wodą o temperaturze 100^oC. Ile wynosi zużycie paliwa, jeśli jego wartość opałowa wynosi W_d = 21000 kJ/kg.

5. Do ogrzewania przekaźników ciepła potrzebna jest para nasycona sucha o temperaturze 140^oC w ilości 4 t/h. Oblicz ilość ciepła doprowadzoną do przekaźników ciepła i sprawność kotłowni przemysłowej, jeżeli woda zasilająca kocioł ma temperaturę 50^oC, a w przekaźnikach jest użyteczne tylko ciepło skraplania. Narysuj schemat kotłowni przemysłowej, zaznacz punkty charakterystyczne i przenieś to na wykres Ts.

ĆWICZENIE XI

3.Obieg chłodniczy Carnota dla pary mokrej NH₃ realizuje się w zakresie temperatur -15^oC do +25^oC. Masowe natężenie przepływu amoniaku wynosi G^* = 0,05 kg/s. Wykonaj schemat układu chłodniczego oraz przedstaw obieg na wykresie Ts. Oblicz: wydajność chłodzenia, moc sprężarki, skutek chłodniczy oraz ciepło skraplania. Obliczenia wykonaj przy pomocy tablic.

4. W układzie realizującym obieg chłodniczy opisany w zadaniu 1 zastąpiono rozprężarkę zaworem dławiącym uzyskując w ten sposób obieg rzeczywisty mokry. Przedstaw schemat układu chłodniczego oraz obieg na wykresie Ts. Oblicz skutek chłodzenia i wydajność chłodzenia.

5. Amoniakalna chłodziarka pracuje w temperaturze parowania -10^oC i w temperaturze skraplania +30^oC w obiegu suchym z dochładzaniem czynnika do temperatury +20^oC. Natężenie przepływu amoniaku wynosi G^* = 0,03 kg/s. Wykonaj schemat układu chłodniczego oraz przedstaw obieg na wykresie Ts. Określ ciśnienie panujące w skraplaczu i w parowniku. Oblicz: skutek chłodzenia, moc sprężarki oraz wydajność chłodzenia. Parametry proszę odczytać z wykresu Ts dla amoniaku.

---