- •Министерство образования и науки Российской Федерации
- •Научный редактор
- •Введение
- •1. Основные термические параметры состояния
- •Удельный объем
- •Давление
- •Соотношения единиц измерения давления
- •Температура
- •1.1. Задачи
- •1.2. Контрольные вопросы
- •2. Законы и уравнения состояния идеальных газов. Смеси идеальных газов
- •2.1. Задачи
- •2.2. Контрольные вопросы
- •3. Теплоемкости газов и газовых смесей
- •3.1. Задачи
- •3.2. Контрольные вопросы
- •4. Первый закон термодинамики для закрытой системы
- •4.1. Задачи
- •4.2. Контрольные вопросы
- •5. Политропные процессы изменения состояния идеальных газов
- •5.1. Задачи
- •5.2. Особенности расчета процессов идеальных газов при учете влияния температуры на их изобарную и изохорную теплоемкости
- •5.3. Задачи
- •5.4. Контрольные вопросы
- •6. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Процессы водяного пара
- •6.1. Задачи
- •6.2. Контрольные вопросы
- •7. Влажный воздух
- •Основные характеристики влажного воздуха
- •Характеристики атмосферного влажного воздуха
- •Область влажного ненасыщенного воздуха h,d- диаграммы
- •Область перенасыщенного влажного воздуха h,d- диаграммы
- •Пример пользования h,d- диаграммой
- •7.1. Задачи
- •7.2. Контрольные вопросы
- •8. Второй закон термодинамики
- •8.1. Задачи
- •8.2. Контрольные вопросы
- •9. Первый закон термодинамики для потока. Работа изменения давления в потоке. Эксергия в потоке
- •Работа изменения давления в потоке для адиабатных процессов
- •Эксергия в потоке
- •9.1. Задачи
- •9.2. Контрольные вопросы
- •10. Истечение газа и пара через сопловые каналы
- •Особенности расчета процесса истечения через сопло реальных веществ
- •Необратимое истечение газов и паров через сопло
- •Процессы торможения. Параметры заторможенного потока
- •Методика расчета соплового канала при истечении через него газа или пара с начальной скоростью больше нуля
- •10.1. Задачи
- •10.2. Контрольные вопросы
- •11. Дросселирование газов, паров и жидкостей
- •11.1. Задачи
- •11.2. Контрольные вопросы
- •12. Процессы смешения газов и паров
- •Смешение в объёме
- •Смешение в потоке
- •Смешение при заполнении объёма
- •12.1. Задачи
- •12.2. Контрольные вопросы
- •13. Циклы двигателей внутреннего сгорания
- •Цикл двс с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном объеме
- •Цикл двс с подводом теплоты к рабочему телу при постоянном давлении
- •Цикл двс со смешанным подводом теплоты к рабочему телу
- •13.1. Задачи
- •13.2. Контрольные вопросы
- •14. Циклы воздушных реактивных двигателей
- •Цикл прямоточного врд
- •Цикл турбокомпрессорного врд
- •14.1. Задачи
- •14.2. Контрольные вопросы
- •15. Циклы газотурбинных установок
- •Методика расчета тепловой экономичности обратимого цикла гту
- •Тепловая экономичность реального цикла гту
- •Регенеративный цикл гту
- •Регенеративный цикл гту с двухступенчатым сжатием и расширением рабочего тела
- •15.1. Задачи
- •15.2. Контрольные вопросы
- •16. Циклы паротурбинных установок
- •16.1. Базовый цикл пту – цикл Ренкина
- •Расчет простого обратимого цикла пту
- •Расчет необратимого цикла простой пту
- •Система кпд цикла пту
- •16.2. Цикл пту с вторичным перегревом пара
- •16.3. Регенеративный цикл пту
- •Выбор оптимальных давлений отборов пара турбины на регенеративные подогреватели пту
- •Особенности расчета регенеративных пту с подогревателями поверхностного типа
- •16.4. Теплофикационные циклы пту
- •Теплофикационные пту с отборами пара на тепловые потребители
- •16.5. Термодинамические особенности расчета циклов аэс на насыщенном водяном паре
- •16.6. Задачи
- •16.7. Контрольные вопросы
- •17. Циклы парогазовых установок
- •17.1. Цикл пгу с котлом-утилизатором
- •17.2. Циклы пгу со сжиганием топлива в паровом котле
- •Цикл пгу с низконапорным парогенератором
- •Цикл пгу с высоконапорным парогенератором
- •Полузависимая пгу
- •17.3. Задачи
- •17.4. Контрольные вопросы
- •18. Циклы холодильных установок и тепловых насосов
- •18.1. Цикл воздушной холодильной установки (вху)
- •Методика расчета вху
- •18.2. Цикл парокомпрессорной холодильной установки
- •Методика расчета цикла пкху
- •18.3. Парокомпрессорный цикл теплового насоса
- •Методика расчета цикла парокомпрессорного теплового насоса
- •18.4. Задачи
- •18.5. Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложения
- •Оглавление
- •Чухин Иван Михайлович
- •Редактор н.Б. Михалева
- •153003, Г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34.
2.1. Задачи
Уравнения состояния идеального газа
Пример решения задачи:
2.1. В баллоне вместимостью 0,9 м3 находится кислород при температуре 17 °С. Присоединенный к баллону вакуумметр показывает 600 мм вод. ст. Барометрическое давление Bо=740 мм рт.ст.
Определить массу газа в баллоне.
Решение
Абсолютное давление газа в баллоне определяется выражением
.
Приводим заданные давления к размерности в СИ (Па), используя соотношение 1 бар=750 мм рт. ст., плотность воды =1000 кг/м3, и рассчитываем абсолютное давление газа в баллоне:
Па.
Определяем газовую постоянную кислорода:
.
Рассчитываем массу газа в баллоне по уравнению состояния идеального газа:
кг.
Ответ: m=1,1 кг.
2.2. Определить объем 1 киломоля идеального газа при нормальных физических условиях.
Нормальные физические условия: р=760 мм рт.ст., t=0 °С.
Ответ: V=22,4 м3/кмоль .
2.3. Определить удельный объем идеального газа кислорода О2 (=32 кг/кмоль) при давлении 1 бар и температуре 20 °С.
Ответ: v=0,762 м3/кг.
2.4. При нормальных физических условиях идеальный газ имеет объем 5 м3. Какой объем займет газ при давлении 5 бар и температуре 265 °С?
Нормальные физические условия: р=760 мм рт.ст., t=0 °С.
Ответ: V=2 м3 .
2.5. Абсолютное давление азота (N2) в жестком сосуде при комнатной температуре t=20 оС составляет р=2,2 МПа. В сосуде азот нагревается, причем известно, что предельное избыточное давление, при котором возможна безопасная работа сосуда, ризб=6 МПа. Определить предельную допустимую температуру нагрева газа в сосуде. Газ считать идеальным, а атмосферное давлении В=0,1 МПа.
Ответ: t=539 оС.
2.6. Начальное состояние азота (N2) задано параметрами: t=200 оC, v=1,9 м3/кг. Азот нагревается при постоянном давлении, при этом удельный объем его увеличивается в три раза. Определить конечную температуру азота, считая его идеальным газом.
Ответ: t=1146 оС.
2.7. В жесткий резервуар вместимостью 3 м3 компрессором нагнетается азот (N2), избыточное давление в резервуаре повышается от 0,2 до 2,5 бар, а температура от 25 до 75 оС. Барометрическое давление Bо=750 мм рт.ст. Определить массу азота, поступившего в резервуар. Считать азот идеальным газом.
Ответ: m=6,1 кг.
2.8. В цилиндре с подвижным поршнем находится кислород при разрежении (вакууме), равном 42,7 кПа. Барометрическое давление составляет 745 мм рт. ст. При постоянной температуре кислород сжимается до достижения избыточного давления рм=1,2 МПа. Во сколько раз изменится объем кислорода?
Ответ: V1/V2=22,9.
2.9. Дирижабль с мягкой оболочкой, наполненной водородом, при атмосферном давлении В=600 мм рт.ст. и t=2 оС должен иметь подъемную силу, обеспечивающую его горизонтальный полет, при общей массе груза 5000 кг (включая массу оболочки дирижабля без водорода). Определить объем оболочки дирижабля, считая воздух (µ=28,96 кг/кмоль) и водород идеальными газами.
Ответ: V=5300 м3 .
Смеси идеальных газов
Пример решения задачи:
2.10. В состав газовой смеси входят: 3 кг азота (N2), 5 кг кислорода (O2) и 2 кг двуокиси углерода (CO2). Считая все газы идеальными, определить, какой объем займет газовая смесь при давлении 2 бар и температуре 127 оС.
Решение
Определяются масса всей газовой смеси кг и
массовые доли компонентов смеси: .
Рассчитывается газовая постоянная смеси:
Объем, занимаемый газовой смесью,
м3 .
2.11. В сосуде объемом 3 м3 находится смесь идеальных газов при давлении 3 бар и температуре 27 оС. Объемный состав газовой смеси соответствует: =13 %,=7 %,=80 %.
Определить массу газовой смеси в сосуде.
Ответ: mсм=10,95 кг.
2.12. Смесь идеальных газов водорода (Н2) и метана (СН4) имеет газовую постоянную, равную 2520 Дж/(кг∙К). Определить состав газовой смеси по массе и объему.
Ответ: =0,907,=0,093,=0,55,=0,45.
2.13. Для смеси воздуха (µв=28,96 кг/кмоль) и светильного газа (µсг=11,6 кг/кмоль) задана массовая доля воздуха gв=6/7. Считая газы идеальными, определить: Rсм , µсм, плотность смеси см при tсм=17 °С и рсм=1,2 бар и объемные доли газов, входящих в смесь ri.
Ответ: Rсм=348 Дж/(кг∙К), µсм=23,9 кг/кмоль, см=1,2 кг/м3,
rв=0,706, rсг=0,294.
2.14. 4 кг газовой смеси, состоящей из азота (N2), светильного газа (µ=11,65 кг/кмоль) и двуокиси углерода (СО2) при температуре 20 оС занимают объем V=8 м3. Парциальные объемы газов, входящих в смесь, относятся между собой как VN2:Vсг:VCO2=5:1:2. Считая газы идеальными, определить Rсм, рсм и парциальные давления газов, входящих в смесь, рi.
Ответ: Rсм=277 Дж/(кг∙К), рсм=0,405 бар, =0,253 бар,
рc.г.=0,0508 бар, =0,1012 бар.
2.15. Газовая смесь состоит из азота (N2) и двуокиси углерода (СО2). При температуре 27 °С и манометрическом давлении 2 бара 4 кг смеси занимают объем 0,96 м3 . Ртутный барометр при 27 °С показывает давление атмосферного воздуха 730 мм. Считая газы идеальными, определить: Rсм , µсм и парциальные давления газов, входящих в смесь, , .
Ответ: Rсм=237 Дж/(кг∙К), µсм=35 кг/кмоль,
=1,67 бар, =1,33 бар.