ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Техническая термодинамика.

Тема 1. Параметры состояния.

Задача 1

В сосуде объемом V м³ находится m кг воздуха. Определить его удельный объём v и плотность r.

Задача 2

Избыточное давление в паровом котле измеряется пружинным манометром и составляет Р_и кПА. Барометрическое давление по ртутному барометру составляет Р_бар мм. рт. ст. при температуре 0⁰С. Определить абсолютное давление пара в котле Р (в кПа, Па, Мпа, барах).

Задача 3

Избыточное давление в сосуде, измеряемое пружинным манометром Р_и МПа. Атмосферное давление по ртутному барометру при t ⁰С составляет Р_бар мм рт. ст. Определить абсолютное давление в сосуде в МПа, Па, барах.

Задача 4

Ртутный вакууметр, присоединенный к конденсатору паровой турбины, показывает разряжение Р_В мм рт. ст. при температуре t₁ ⁰С. Атмосферное давление по ртутному барометру Р_бар мм. рт. ст. при t₂ ⁰С. Определить абсолютное давление Р_В конденсаторе в мм рт. ст., Па, барах.

Тема 2. Закон сохранения энергии.

Задача 5

Сколько килограммов свинца m_c можно нагреть от температуры t₁ ⁰С до температуры плавления t₂=327⁰С посредством удара молотом массой m_м кг при падении его с высоты h_м? Предполагается, что вся энергия падения молота превращается в теплоту, которая поглощается свинцом. Теплотворность свинца с_р=0,1256 кДж/(кг×К).

Задача 6

Современная паротурбинная электростанция мощностью N МВт работает в году t суток с КПД h. Теплота сгорания топлива Q_H^P кДж/кг. Определить суточный В_С и годовой В_Г расходы топлива.

Задача 7

Определить годовой расход ядерного горючего на АЗС той же, что и в предыдущей задачи мощности, если 1кг урана при расщеплении выделяет (Q_H^P)^Я=825×10⁸ кДж/кг теплоты.

Задача 8

При испытании двигателей для определения мощности необходимо их тормозить гидротормозом. При этом работа, произведенная двигателем, расходуется на преодоление сил трения и превращается в теплоту, часть которой ( примерно 20%) рассеивается в окружающей среде, а остальная часть отводится с охлаждающей тормоз водой.

Сколько воды необходимо подводить к тормозу (m_В) за 1 час, если крутящий момент на валу М_КР Дж, частота вращения n об/мин, а допустимое повышение температуры воды ∆t К. Теплоемкость воды С_Р=4,19 кДж/(кг×К).

Тема3. Идеальный газ и его свойства.

Задача 9

Определить среднюю теплоемкость газа С_Х в интервале температур t₁⁰С и t₂⁰С, пользуясь таблицами средних теплоемкостей.

Задача 10

Определить теплоту, подведенную к газу при р=const, если его температура изменяется от t₁⁰С и t₂⁰С.

а) Масса газа m кг.

б) Объем газа при температуре t₁ равен V₁ м³.

Тема 4. Термодинамические процессы для идеального газа.

Задача 11

Газовая смесь массой m состоит из , азота, углекислого газа и окиси углерода. Начальные параметры смеси Р₁ МПа и t₁⁰С. В процессе T=const смесь расширяется до давления Р₂ МПа. Определить работу расширения смеси L, количество подведенной теплоты Q, объем в конце расширения V₂ и парциальные давления газов в начальном состоянии. Определить также изменение внутренней энергии ∆u и энтальпии ∆J смеси. Построить процесс в p-v и T-S диаграммах.

Задача 12

Сосуд вместимостью V₁ л содержит газ при абсолютном давлении Р₁=1 МПа и температуре t₁⁰С. Определить массу газа, конечную температуру, изменение энтропии и количество теплоты, которое необходимо подвести, чтобы повысить давление в процессе при постоянном объеме до Р₂=2 МПа. Определить также изменение внутренней энергии и энтальпии газа. Удельную теплоемкость принять переменной. Построить процесс в p-v и T-S диаграммах.

Задача 13

В цилиндре двигателя объемом V₁ л находится газ со свойствами воздуха при абсолютном давлении Р₁ МПа и температуре t₁=1500⁰С. От воздуха отводится теплота при постоянном давлении до температуры t₂ ⁰С. Определить массу воздуха, конечный объем, изменение внутренней энергии, количество отнятой теплоты, изменение энтальпии, работу сжатия и изменение энтропии. Теплоемкость считать переменной. Построить процесс в p-v и T-S диаграммах.

Задача 14

В компрессор ГТУ входит m кг воздуха с начальными параметрами Р₁ МПа и t₁=27⁰С. Воздух сжимается адиабатно до Р₂ МПа. Определить начальный и конечный объемы, конечную температуру, работу сжатия, располагаемую работу сжатия, изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Теплоемкость принять постоянной. Построить процесс в p-v и T-S диаграммах.

Задача 15

Определить теоретическую работу на привод одноступенчатого и z-ступенчатого с промежуточным охлаждением компрессоров при сжатии воздуха от давления Р₁ МПа до Р₂ МПа, если начальная температура t₁⁰С. Показатель политропы для всех ступеней принять равным n. Начальный объем газа V₁=1000 м³. Сравнить величину работы одно- и z-ступенчатого сжатия. Определить температуры в конце сжатия. Построить процесс в p-v и T-S диаграммах.

Тема 5. Второй закон термодинамики.

Задача 16

В воздухонагревателе парового котла воздух нагревается до температуры t₁⁰С, а дымовые газы охлаждаются от температуры t₃=450⁰С до t₄⁰С. Тепловые потери воздухонагревателя составляют 20 % от количества теплоты, отдаваемой газами. Теплоемкости воздуха и газов постоянны. Дымовые газы обладают свойствами воздуха. Определить температуру t₂⁰С, до которой нагревается воздух и потерю работоспособности системы вследствие необратимого теплообмена ∆l^необр. Температуру окружающей среды t₀=17⁰С.

Задача 17

Определить эксергию потока воздуха с массовым расходом m=1 кг/с, если его начальные параметры Р₁ МПа и t₁⁰С. Параметры окружающей среды: Р₀=0,1 МПа, t₀=27⁰С. Построить процесс в T-S диаграмме.

Задача 18

Определить эксергетический КПД котельной установки. Если известно, что температура сгорания в топке равна t₁=1827⁰С, а теплотворная способность мазута Q_P^H=42000 кДж/кг. В котельной установке вырабатывается пар с температурой t₂⁰С. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1-h)% от теплоты сгорания топлива. Параметры окружающей среды: t₀=27⁰С; Р₀=0,1 МПа.

Тема 6. Реальные газы и пары.

Задача 19

Пользуясь таблицами для воды и пара определить:

19.1.Все параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара при температуре t_Н⁰С;

19.2.Все параметры кипящей воды и сухого насыщенного пара при давлении Р_Н МПа;

19.3.Удельный объем, энтальпию, энтропию и внутреннюю энергию перегретого пара при температуре t⁰С и давлении Р МПа.

Задача 20

Состояние воды определяется параметрами:

20.1. Р=6,0 МПа; t=300⁰С;

20.2. Р=0,4 МПа; v=0,015 м³/кг;

20.3. t=170⁰С; v=0,00105 м³/кг;

20.4.Р=18,2 МПа; t=357,87⁰С.

Каковы качественно эти состояния (жидкость, кипящая жидкоть, влажный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар)?

Задача 21

Состояние водяного пара характеризуется давлением Р МПА и влажностью g. Найти температуру, удельный объем, энтропию, энтальпию и внутреннюю энергию пара.

Задача 22

Пользуясь i-s диаграмой определить параметры состояния водяного пара, если:

22.1. t=100⁰С; v=5,0 м³/кг;

22.2. Р=0,2 МПа; t=300⁰С;

22.3. t=200⁰С; х=0,91;

22.4. Р=0,02 МПа; х=1,0.

Задача 23

Определить теплоту, необходимую для перегрева пара в пароперегревателе котла до температуры t⁰С при постоянном давлении Р МПа. Построить процесс в i-s диаграмме.

Задача 24

В пароперегреватель парового котла поступает влажный пар со степенью сухости х₁, где происходит его перегрев при постоянном давлении Р₁ МПа до температуры t⁰С. Затем пар адиабатно расширяется без потерь в турбине до давления Р₂=0,003 МПа. Построить процесс в i-s диаграмме, определить все параметры пара до и после расширения, определить теплоту, подведенную к пару и располагаемую работу адиабатного расширения.

Тема 8. Термодинамика потока.

Задача 25

Воздух с начальными параметрами Р₁ МПа и t₁⁰С вытекает через сопло в атмосферу (Р₂=0,1 МПа). Определить тип сопла, скорость и параметры воздуха на выходе из сопла, а также площадь выходного сечения, если расход воздуха m кг/с. Потерями, теплообменном со стенками и скоростью на входе в сопло пренебречь. Принять к=1,4.

Задача 26

Определить длину расширяющейся части сопла Лаваля, через которое происходит истечение воздуха с начальными параметрами Р₁ МПа и t₁⁰С в количестве m кг/с в среду с атмосферным давлением Р₂=0,1 МПа. Угол конусности принять равным 10⁰, коэффициент скорости сопла j=0,95. Скорость на входе в сопло пренебречь.

Задача 27

Как велика скорость истечения перегретого пара через сопло Лаваля, если начальные параметры его Р₁ МПа и t₁⁰С, а конечное давление Р₂ МПа, коэффициент скорости j=0,95. Чему была бы равна эта скорость, если бы сопло было суживающимся? Теплообменном со стенками и скоростью на входе в сопло пренебречь. Принять b_КР=0,546. Построить процесс в i-s диаграмме.

Задача 28

Определить диаметры минимального и выходного сечения сопла Лаваля обдувочного аппарата парового котла с расходом сухого насыщенного пара m кг/с, если начальное давление пара Р₁=2 МПа, а конечное давление Р₂=0,1 МПа. Скоростью пара на входе в сопло, потерями и теплообменном со стенками пренебречь. Принять для сухого насыщенного пара b_КР=0,577 (к=1,135). Построить процесс в i-s диаграмме.

Задача 29

В клапанах турбины перегретый пар с параметрами Р₁ МПа и t₁⁰С дросселируется до давления Р₂ МПа, а затем адиабатно расширяется до Р₃=0,004 МПа. Определить потерю теоретической мощности турбины вследствие дросселирования, если расход пара m=10 кг/с. Построить процесс в i-s диаграмме.

ТЕМА 12

ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Задача 33

Определить стандартную теплоту образования одного киломоля

метана , если известны следующие стандартные