Bài tập môn Nhiệt động lực học Kỹ thuật
Bài tập môn Nhiệt động lực học Kỹ thuật. Tài liệu tổng hợp được sưu tầm gồm 25 trang . Mời các bạn tham khảo
Môn: Tài liệu Tổng hợp 3.6 K tài liệu
Trường: Tài liệu khác 3.9 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
BÀI TẬP MÔN HỌC
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT (ĐỀ BÀI) Nguyễn Thế Hiện Nguyễn Hoàng Quân
Trường Đại học Công nghệ Năm 2012-2013
Bài tập 1: Khi nhiệt độ của một khối trụ kim loại tăng từ 0,0°C đến 100°C, chiều dài
của nó tăng 0,23 %. Hỏi tỷ trọng của nó thay đổi bao nhiêu phần trăm và kim loại đó là kim loại g?
Bài tập 2: a) Chứng minh rằng nếu chiều dài của hai thanh vật liệu rắn khác nhau tỷ
lệ nghịch với hệ số nở dài của chúng ở cùng một nhiệt độ ban đầu, thì hiệu chiều dài
của chúng sẽ luôn không đổi khi nhiệt độ thay đổi. b) Tính chiều dài của một thanh sắt
và một thanh đồng thau ở 0°C, biết rằng hiệu chiều dài của chúng luôn luôn là 0,30 m ở mọi nhiệt độ.
Bài tập 3: Một ống thuỷ tinh dài 1,28 m đặt thẳng đứng, chứa đầy tới nửa ống với
một chất lỏng ở 20°C. Hỏi chiều cao của cột chất lỏng thay đổi thế nào khi ta làm
nóng ống lên nhiệt độ 30°C; Cho biết hệ số nở dài của thuỷ tinh là αtt = 10 × 10-6/C°,
hệ số nở khối của chất lỏng là βL = 4,0 × 10-5/C°.
Bài tập 4: Hai thanh vật liệu khác nhau có cùng chiều dài
L và tiết diện A được đặt nối liền nhau trong một bộ giá L L
cứng cố định (Hình 4.1). Ở nhiệt độ T trên các thanh không có ứng suất. α1E1 α2E2
a) Khi đốt nóng thêm ∆T, hãy chứng minh rằng mặt ∆L
ghép của hai thanh bị dịch chuyển một đoạn ∆L = α .E - α 1 1 2 . E2 ⋅ L ⋅ T
∆ , trong đó α1, α2 là hệ số nở E1 + E2
dài; E1, E2 là suất Young của hai loại vật liệu. Bỏ qua sự thay đổi tiết diện các thanh.
b) Tính ứng suất trên mặt ghép khi đốt nóng.
Bài tập 5: Một khối lập phương bằng nhôm cạnh 20,0 cm nổi trên thuỷ ngân.
Hỏi khối đó chìm sâu thêm xuống thuỷ ngân bao nhiêu khi nhiệt độ tăng từ
270 K đến 320 K. (Hệ số nở thể tích của thuỷ ngân là 1,80 × 10-4/C°).
Bài tập 6: Dùng một áp kế để xác định chiều cao của một tòa nhà.
Hãy sử dụng một áp kế để xác định chiều cao của một tòa nhà chung cư gần
nơi bạn ở. Trình bày cách thức thực hiện và phân tích kết quả các phép đo để
có được kết quả. Lưu ý đến độ chính xác có thể đạt được trong phép đo khi
trình bày kết quả đo đạc.
Bài tập 7: Dùng hai áp kế đo độ sụt giảm áp suất ở một van tiết lưu và áp suất
dòng khí nén trong một đường ống dẫn khí (Xem hình vẽ). Nếu độ chênh lệch
chiều cao giữa hai cột nước hw của áp kế chữ U dùng nước là 150cm, mà độ
chênh lệch đó trong áp kế dùng thủy ngân hHg là 225 mm, hãy xác định:
a) Hiệu áp suất giữa hai điểm đo [14,7 kPa];
b) Áp suất tuyệt đối ở lối ra của ống dẫn khí p2 [400 kPa] 1
Biết rằng mật độ khối của nước là 1000 kg/m3, của thủy ngân là 13,600 kg/m3,
và áp suất khí quyển là 100 kPa. Áp suất khí quyển Van tiết lưu Dòng không khí Chiều cao cột Hg Chiều cao cột nước Áp kế thủy ngân Áp kế nước
Bài tập 8: Để đảm bảo an toàn khi sử dụng, Van – khối lượng?
chiếc nồi áp suất luôn phải có một chiếc van
quá áp ở trên nắp. Đó là một thỏi kim loại
chụp lên một ống hở nhỏ ở trên nắp nồi. Khi
áp suất trong nồi lớn tương đương với trọng
lượng của khối kim loại này thì khối kim loại 99 kPa - đo
bị đẩy lên cho phép hơi nước trong nồi thoát Nhiệt độ ?
ra ngoài để giữ cho áp suất không đổi và nước
trong nồi sôi ở nhiệt độ tương ứng không đổi.
Giả thiết lỗ hở trên van có diện tích 8 mm2, hãy xác định:
a) Khối lượng của van kim loại cần dùng
để giữ một áp suất làm việc không đổi ở
99 kPa. [80.7gm] (Áp suất do trọng lượng của van tạo nên phải bằng và lớn hơn 99 kPa).
b) Nhiệt độ của nước đang sôi trong nồi. [120.2°C] (Áp suất thực tế trong nồi là
200kPa, từ đó tính được nhiệt độ sôi của nước trong nồi.)
Lưu ý: Áp suất khí quyển là 101 kPa.
Bài tập 9: Một bình kim loại cứng dùng để chứa khí có thể tích 100 lít. Bình này được
nạp hơi nước tới trạng thái ban đầu ở áp suất 400 kPa và nhiệt độ 300°C. Hơi trong
bình sau đó được làm nguội đến nhiệt độ 90°C.
a) Vẽ một giản đồ biểu diễn quá trình thể hiện cả hai trạng thái đầu và cuối của hệ này.
b) Sử dung phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng để xác định khối lượng
hơi nước có trong bình. [0.151 kg] 2
c) Vẽ phác quá trình này trên một giản đồ T-v (nhiệt độ-thể tích riêng) liên quan
đến đường lỏng bão hòa, điểm tới hạn và đường đẳng áp tương ứng. Chỉ rõ
trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ.
d) Sử dụng bảng hơi để xác định áp suất cuối cùng và phẩm chất của hỗn hợp môi
chất sau khi được làm lạnh. [70.2 kPa, X = 0.277]
Bài tập 10: Một chiếc lốp ô-tô có thể tích 100 lít được bơm nạp không khí tới áp
suất đọc trên đồng hồ chỉ thị là 210 kPa. Hãy xác định:
a) Khối lượng không khí có trong lốp khi nhiệt độ đạt 20°C, và
b) Độ tăng áp suất đồng hồ đo khi nhiệt độ lốp tăng lên đến 50°C. Áp suất khí
quyển được coi là 101 kPa.
Bài tập 11: Trong thiết kế máy bay, thường phải định nghĩa cụ thể một dạng
phân bố nhiệt độ chuẩn trong khí quyển gần mặt đất (tới độ cao z vào khoảng
10000m) dưới dạng hàm số T(z) = (T0 + a.z)°C, trong đó T0 là nhiệt độ trên bề mặt
Trái Đất bằng 15°C, và a là hệ số thay đổi nhiệt độ theo chiều cao (a = -
0.00651C°/m). Sử dụng phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng, hãy xác định
áp suất ở độ cao 3000m nếu coi tại z = 0, áp suất khí quyển p = 101 kPa.
Bài tập 12: Một quả bóng thám không bơm H2 (chưa căng) ở áp suất 1 atm (= 76
cmHg) và nhiệt độ 20°C chứa thể tích 2,2 m3 khí H2. Bay lên đến độ cao 20.000
Ft, áp suất trong quả bóng này còn là 38 cmHg và nó đạt nhiệt độ tới 48°C, nhưng
bóng vẫn chưa căng. Tính thể tích của nó lúc này.
Bài tập 13: Một bọt khí thể tích 20 cm3 ở đáy hồ sâu 40 m, nhiệt độ 4,0°C. Bọt
nổi lên mặt nước ở nhiệt độ 20°C. Tính thể tích bọt khí nở đều trên mặt nước,
cho rằng nó có nhiệt độ của nước ở xung quanh.
Bài tập 14: Một bình thép chứa 300 g khí NH3 ở áp suất còn 1,35 × 106 Pa ở
77°C. Tính thể tích bình. Sau một thời gian người ta kiểm tra lại thấy áp suất
còn 8,7 × 105 Pa ở nhiệt độ 22°C. Hỏi đã có bao nhiêu gam khí rò ra ngoài ?
Bài tập 15: Đặt một quả cầu nhôm với đường kính chính
xác 1,00200 inch ở nhiệt độ 100,0°C lên một vòng đồng Al
khối lượng 20,0 g với đường kính 1,00000 inch tại 0,00°C
(Hình vẽ bên). Đợi cho chúng cân bằng nhiệt thì quả cầu Cu
vừa đúng lọt qua vòng đồng. Tính khối lượng của quả
cầu, cho rằng nhiệt mất qua không khí là không đáng kể. 3
Bài tập 16: Khi một hệ được đưa từ trạng thái p
ban đầu i đến trạng thái cuối f theo đường iaf
(xem hình vẽ bên), nó trao đổi nhiệt lượng a f
Q = 50 cal và công W = 20 cal. Nếu đi theo
đường ibf, thì Q = 36 cal.
a) Tính công W khi đi theo đường ibf.
b) Nếu trên quỹ đạo trở về fi công trao đổi i b
là W = -13 cal thì nhiệt lượng trao đổi Q V là bao nhiêu?
c) Lấy nội năng của hệ ở trạng thái i là
Ui = 10 cal. Tính nội năng Uf của hệ ở trạng thái f.
d) Cho rằng nội năng ở trạng thái b là Ub = 22 cal. Tính nhiệt lượng trao đổi
trong các quá trình ib và bf.
Bài tập 17: Một lượng khí với thể tích 1 m3 ở áp suất 10 Pa dãn nở đến 2 m3.
Trong quá trình dãn nở thể tích và áp suất liên hệ với nhau bằng phương trình
p = a⋅V2, trong đó a = 10 N/m3. Tính công trong quá trình dãn nở này.
Bài tập 18: Áp suất P, thể tích V, và nhiệt độ T của một vật liệu cho bởi công thức: 2
P = AT - BT V
Tính công do vật liệu ấy sinh ra khi dãn nở đẳng áp từ nhiệt độ T1 đến T2.
Bài tập 19: 0,14 m3 không khí ở áp suất 1,02 × 105 Pa dãn nở đẳng nhiệt đến
áp suất khí quyển rồi làm lạnh đẳng áp đến thể tích ban đầu. Tính công mà chất khí sinh ra.
Bài tập 20: Một bình A (xem hình vẽ) chứa
khí lý tưởng ở áp suất 5,0 × 105 Pa và nhiệt độ
300 K. Nó được nối với bình B lớn gấp 4 lần
bình A bằng một ống nhỏ. Bình B chứa khí lý
tưởng cùng loại ở áp suất 1,0 × 105 Pa và có
nhiệt độ 400 K. Khi mở van cho hai bình A B
thông nhau và đợi tới khi cân bằng áp suất
nhưng vẫn giữ nhiệt độ hai bình như cũ thì áp
suất trong hệ bằng bao nhiêu?
Bài tập 21: Ở 32,0°C nước bay hơi vì mất một số phân tử trên mặt thoáng.
Nhiệt hoá hơi của nước (539 cal/g) xấp xỉ bằng nε, trong đó ε là năng lượng
trung bình của phân tử thoát khỏi mặt thoáng, n là số phân tử trong 1 gam.
a) Xác định năng lượng ε. 4
b) Tính tỷ số của ε và động năng trung bình của phân tử, cho rằng động năng
này tính bằng cùng công thức đối với phân tử khí lý tưởng.
Bài tập 22: Hai bình chứa khí ở cùng nhiệt độ. Bình thứ nhất chứa khí ở áp
suất P1, phân tử có khối lượng m1, vận tốc toàn phương trung bình vrms. Bình
thứ hai chứa khí ở áp suất 2P1, phân tử có khối lượng m2 và vận tốc trung bình v = 2v 2
rms. Tính tỷ số m1/m2 ?
Bài tập 23: Một lượng khí lý tưởng, gồm n mol ở nhiệt độ ban đầu T1. Áp suất và
thể được làm tăng dần đều giá trị gấp đôi sao cho nó vẽ một đường thẳng trên giản đồ PV.
a) Hãy tính công W, nhiệt lượng Q và biến thiên nội năng ∆Eint trong quá trình đó.
b) Nếu tính nhiệt dung phân tử của quá trình ấy thì ta được giá trị là bao nhiêu ?
Bài tập 24: Một bình chứa hỗn hợp ba khí không phản ứng với nhau: n1 phân tử
gam khí 1, nhiệt dung phân tử đẳng tích C1 và v.v... Tính nhiệt dung phân tử
của hỗn hợp theo nhiệt dung phân tử của từng loại khí và hàm lượng của chúng.
Bài tập 25: Một động cơ nhiệt dùng 1 mol khí lý
tưởng thực hiện chu trình được đặc trưng với các p T2=455K
trạng thái 1231 (xem hình vẽ) trong đó, các quá 2
trình 12 là đẳng tích, 23 là đoạn nhiệt và 31 là đẳng áp.
a) Tính nhiệt lượng Q, công trao đổi W và biến
thiên nội năng trong từng quá trình, và trong cả 1 3 T1=300K chu trình.
b) Áp suất ở điểm 1 là 1 atm, tính áp suất và thể V
tích ở các điểm 2 và 3.
Bài tập 26: Một khối khí lý tưởng thực
hiện một chu trình được vẽ trên giản đồ PV 7,5 b
(xem hình). Nhiệt độ của khí ở điểm a là p 200 K. (kPa)
a) Khối khí ấy là bao nhiêu mol ? 2,5 a c
b) Xác định nhiệt độ của khí ở b và ở c.
c) Xác định nhiệt lượng tổng cộng đã 1 3 V (m3)
cung cấp cho khối khí trong một chu kỳ.
Bài tập 27: Một khối khí lý tưởng ban đầu ở 300 K được nén đẳng áp từ thể
tích 3m3 đến thể tích 1,8 m3. Trong quá trình này, khí nhả ra một nhiệt lượng
bằng 75 J. Tính biến thiên nội năng của khí và nhiệt độ cuối cùng của nó. 5
Bài tập 28: Trong động cơ của một xe máy, nhiên liệu cháy khi pittông ở vị trí
cao nhất trong xylanh, liền sau đó chất khí dãn nở đoạn nhiệt và đẩy pittông đi
xuống thực hiện công trên trục cơ. Tính công suất trung bình của quá trình dãn
nở ấy của động cơ, biết rằng nó thực hiện 4000 chu kỳ một phút, áp suất ngay
sau khi nhiên liệu cháy là 15 atm, thể tích của xylanh khi pittông ở vị trí cao
nhất là 50 cm3, khi ở vị trí thấp nhất là 250 cm3. Chất khí trong xylanh xem
như một khí lưỡng nguyên tử, và thời gian dãn nở của khí là 1/2 chu kỳ. Tính
kết quả ra kW và mã lực.
Bài tập 29: Không gian giữa 2 bản lớn song song chứa khí đầy hêli. Khoảng
cách giữa các bản là l = 50 mm. Một bản được giữ ở nhiệt T1 = 20°C, bản kia ở
nhiệt độ T2 = 40°C. Tính mật độ thông lượng nhiệt q. Cho biết áp suất khí là p =100 kPa.
Bài tập 30: Một thanh được bọc một vỏ cách nhiệt và một đầu của nó tiếp xúc
nhiệt với một bình điều nhiệt có nhiệt độ T1, còn đầu thứ 2 tiếp xúc với một
bình điều nhiệt có nhiệt độ T2 (T1 > T2). Thanh gồm 2 phần có các chiều dài l1
và l2 và các hệ số dẫn nhiệt là χ1 và χ2. Tìm mật độ thông lượng nhiệt q và
gradient nhiệt độ dT/dx trong mỗi phần của thanh.
Bài tập 31: Trong không gian giữa 2 bản lớn đặt song song với nhau chứa một
môi trường có hệ số dẫn nhiệt biến đổi với nhiệt độ theo quy luật χ = χ0/T,
trong đó χ0 là hằng số đối với môi trường đã cho. Các nhiệt độ T1 và T2 của
các bản được giữ không đổi (T1 > T2). Khoảng cách giữa các bản là l. Tìm mật độ
thông lượng nhiệt q và nhiệt độ T trong môi trường theo x là khoảng cách được tính
từ bản có nhiệt độ T1.
Bài tập 32: Một mol khí lý tưởng đơn nguyên tử, thoạt đầu ở nhiệt độ 300 K và
thể tích 10 lít. Nó được làm nóng đẳng tích đến nhiệt độ 600 K, rồi cho dãn nở
đẳng nhiệt đến áp suất ban đầu. Sau cùng nó được làm lạnh đẳng áp đến nhiệt
độ và thể tích ban đầu.
a) Tính nhiệt lượng cung cấp cho hệ trong một chu trình và công sinh ra trong một chu trình.
b) Tính hiệu suất của chu trình. 6
Bài tập 33: Một mol khí lý tưởng đơn nguyên tử p
thực hiện một chu trình như vẽ trên hình bên. Quá p b b
trình bc là quá trình dãn nở đoạn nhiệt.
Biết pb= 10 atm, Vb = 1,00×10-3 m3 và Vc= 8Vb.
a) Tính nhiệt lượng mà khí nhận được và khí nhả ra trong một chu trình. pc a c
b) Tính công sinh ra trong một chu trình. Vb Vc V
c) Tính hiệu suất của chu trình.
Bài tập 34: Một máy hóa lỏng Heli hoạt động ở trong một phòng với nhiệt độ
300 K. Nếu Heli lỏng được tạo ra trong máy ở nhiệt độ 4 K, giá trị nhỏ nhất
của tỷ số giữa nhiệt lượng toả ra trong phòng và nhiệt lượng lấy từ Hêli là bao nhiêu ?
Bài tập 35: Một máy lạnh thuận nghịch lấy nhiệt từ trong phòng, nhiệt độ 23°C
và truyền thải nó ra khí trời ở 45°C. Hỏi mỗi Jun điện tiêu thụ thì lấy được bao
nhiêu Jun nhiệt lượng trong phòng?
Bài tập 36: Người ta dùng một bơm nhiệt (máy lấy nhiệt từ môi trường) truyền
nhiệt vào trong nhà để sưởi nhà. Nhiệt độ ngoài trời là 5°C, nhiệt độ trong toà
nhà là 22°C. Mỗi giờ bơm cung cấp 1,8 Mcal nhiệt cho toà nhà. Hỏi công suất
tối thiểu của động cơ dùng để chạy bơm ấy.
Bài tập 37: Một tổ hợp tuabin thuỷ ngân-hơi nước, gồm hai tầng. Tầng thứ nhất
chạy bằng hơi thuỷ ngân bão hoà ở 876°F và nhả nhiệt ra để đốt nóng một nồi
hơi ở 460°F. Hơi nước ở nồi hơi này dùng để chạy một tầng tuabin thứ hai, và
nhả nhiệt ra buồng ngưng hơi ở 100°F. Tính hiệu suất tối đa của tổ hợp này.
Bài tập 38: Một động cơ Carnot công suất 500 W chạy giữa hai bể nhiệt độ
100°C và 60°C. Tính tốc độ nhận nhiệt và nhả nhiệt của động cơ theo kcal/giây.
Bài tập 39: Một máy lạnh chạy bằng một môtơ điện công suất 200 W. Buồng
lạnh ở nhiệt độ 270 K, không khí bên ngoài ở 300 K. Cho rằng máy lạnh là
một máy lý tưởng, tính nhiệt lượng lấy từ buồng lạnh trong 10 phút.
Bài tập 40: Một người quảng cáo rằng anh ta đã thiết kế xong một động cơ đặc
biệt. Nếu cung cấp cho nó một 110 MJ ở 415 K, nó sẽ nhả 50 MJ trong nguồn
lạnh ở 212 K và sinh ra một công bằng 16,7 kW⋅h. Anh có nên hùn vốn vào để
sản xuất loại động cơ ấy không ?
Bài tập 41: Một người lập luận như sau:
Đốt củi trong lò sưởi (nhiệt độ trong lò sưởi là 700 K) để sưởi một phòng ở 7
nhiệt độ thường thì lãng phí. Ta nên dùng củi cho chạy một động cơ nhiệt,
dùng công sinh ra của động cơ này cho chạy một máy lạnh làm lạnh ngoài trời,
và quạt hơi nóng vào trong nhà thì sẽ lợi hơn về năng lượng. Anh nghĩ thế nào
về lập luận ấy? Hãy tính toán định lượng cho ý tưởng này trong trường hợp
nhiệt độ ngoài trời là 10°C và nhiệt độ trong nhà là 20°C.
Bài tập 42: Một tủ lạnh (thuận nghịch) có nhiệt độ buồng lạnh là -5°C, nhiệt độ
dàn nóng là 40°C. Công suất động cơ điện là 100 W (cho rằng hiệu suất động
cơ là 100%). Vỏ tủ lạnh có tổng diện tích là 2 m2, làm bằng ba lớp:
• Lớp thép dày 1 mm, hệ số dẫn nhiệt k = 100 W/m⋅K.
• Lớp bông thuỷ tinh dày 4 cm, hệ số dẫn nhiệt k = 0,05 W/m⋅K.
• Lớp nhựa dày 2 mm, hệ số dẫn nhiệt k = 0,24 W/m⋅K.
Hỏi khi cắm điện liên tục tủ lạnh sẽ chạy trong bao nhiêu phần trăm thời gian.
(Ghi chú: Trong trạng thái dừng tủ lạnh thường sẽ chạy một thời gian rồi lại nghỉ một thời gian).
Bài tập 43: Một tủ lạnh được coi là thuận nghịch không dùng động cơ, hoạt động với ba nguồn nhiệt:
a) Nguồn nóng là một bếp điện nhiệt độ 600°C.
b) Môi trường ở nhiệt độ 20°C.
c) Buồng lạnh ở nhiệt độ 0°C.
Hỏi muốn làm 1 kg nước đá từ nước ở 20°C thì cần bao nhiêu điện năng? Bài tập 44:
Một lượng khí ni-tơ khối lượng m trải qua các quá trình biến đổi trạng thái: a. Đẳng tích b. Đẳng áp
Trong cả hai quá trình, nhiệt độ của nó thay đổi từ T0 đến T1. Hãy tính biến đổi
entropy của hệ cho mỗi quá trình biến đổi trạng thái nói trên.
Cho biết: m = 2,0 g; T0 = 0oC; T1 = 30oC; cV = 741 J/kg⋅K; cp = 1,04 kJ/kg⋅K. (Đáp số:
ΔSV = m·cV·ln(1+T1/T0) = 0,155 J/K.
ΔSp = m·cp·ln(1+T1/T0) = 0,217 J/K.) Bài tập 45:
a. Xác định độ lớn của biến thiên entropy ΔS1 của một lượng nước m khi nó
được làm nóng từ nhiệt độ hóa băng T0 = 0oC lên tới nhiệt độ sôi TS = 100oC.
b. Xác định độ lớn của tổng biến thiên entropy ΔS2 khi trộn hai lượng nước
khối lượng như nhau (mỗi thứ có khối lượng là m/2) và có nhiệt độ ban đầu
lần lượt là nhiệt độ hóa băng T0 = 0oC và nhiệt độ sôi TS = 100oC.
Cho biết m = 1,00 kg; cW = 4,19 kJ/kg⋅K.
(Đáp số: a- 1,31 kJ/kg⋅K; b- 50,8 kJ/kg⋅K) 8
Bài tập 46: Người ta hãm một chiếc xe với khối lượng 1 tấn, để giảm tốc độ của nó
từ 100 km/h về 50 km/h. Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hãm phanh này sẽ đi
vào môi trường đang ở nhiệt độ Ts= 0 °C. Hỏi trong quá trình này lượng gia tăng
Entropy và công mất đi là bao nhiêu?
Bài tập 47: Hai thỏi đồng khối lượng bằng nhau, m = 850 g, được thả chung
vào một hộp cách nhiệt với bên ngoài. Nhiệt độ của khối thứ nhất là 325 K và
của khối thứ hai là 385 K. Nhiệt dung riêng của đồng là 0,386 J/g⋅K.
a) Tính nhiệt độ của hai khối khi đã cân bằng nhiệt.
b) Tính biến thiên Entropy của hai khối trong quá trình trao đổi nhiệt ấy.
Bài tập 48: Một phòng kín, có thể tích V = 60 m3 và nhiệt độ T = 20°C, độ ẩm
tương đối của không khí là 50%. Áp suất trong phòng là p0 = 105 Pa.
a) Tính khối lượng nước cần đun cho bay hơi để không khí trong phòng trở thành bão hòa hơi nước.
b) Tính khối lượng hơi nước trong phòng khi độ ẩm tương đối là: • 50% • 100%.
• Tính áp suất mới trong phòng cho mỗi trường hợp độ ẩm nói trên.
c) Nếu khi độ ẩm tương đối tăng lên 100% người ta cho thoát một ít không khí
để giữ áp suất trong phòng vẫn bằng p0 thì không khí ẩm trong phòng có khối
lượng bằng bao nhiêu? So sánh với khi độ ẩm là 50% và giải thích. Biết áp
suất hơi nước bão hoà ở 20°C là pbh = 2300 Pa.
Bài tập 49: Một đám mây dày 5 km là không khí có độ ẩm 80% và nhiệt độ T1 =
20°C. Khi nhiệt độ ở khu vực có đám mây này tụt xuống T2 = 5°C thì sẽ có mưa.
Tính bề dày lớp nước mưa trên mặt đất. Biết rẳng áp suất hơi nước bão hoà ở T1
là p1 = 2300 Pa, ở T2 là p2 = 870 Pa.
Bài tập 50: Máy điều hoà nhiệt độ mỗi giây hút 3 m3 không khí từ khí quyển có
nhiệt độ T1 = 40°C và độ ẩm là 80%. Máy làm không khí lạnh xuống tới T2 =
5°C và đưa vào phòng làm việc. Sau một thời gian máy hoạt động, nhiệt độ
trong phòng đạt được T3 = 25°C. Tính lượng nước ngưng tụ mỗi giây ở máy và
độ ẩm trong phòng. Cho biết áp suất hơi nước bão hòa ở các nhiệt độ T1, T2, T3
tương ứng lần lượt là p1 = 7400 Pa, p2 = 870 Pa, p3 = 3190 Pa.
Bài tập 51: Ở nhiệt độ T1 = 22°C, độ ẩm tương đối của không khí là 60%. Nhiệt
độ hạ xuống T2 = 10°C. Tính khối lượng nước ngưng tụ trong 1 m3 không khí.
Cho biết áp suất hơi nước bão hòa ở 22°C là p1 = 2,6 × 103 Pa và ở 10°C là p2 = 1,2 × 103 Pa. 9
Bài tập 52: Một người đeo kính từ ngoài đường có nhiệt độ T1 = 10°C bước vào
một phòng có nhiệt độ T2 = 20°C. Độ ẩm không khí trong phòng có giá trị cực
đại bằng bao nhiêu thì kính của người ấy không bị mờ (vì hơi nước ngưng tụ) ?
Áp suất hơi nước bão hoà ở T1 là P1 = 1200 Pa, ở T2 là P2 = 2300 Pa.
Bài tập 53: Có 200 kg chì lỏng ở nhiệt độ nóng chảy 327°C được đổ vào một hỗn
hợp gồm 20 kg nước và 1 kg nước đá ở 0°C. Tìm nhiệt độ và thành phần cuối
của hệ, bỏ qua các mất mát vì nhiệt toả ra ngoài. Cho biết: nhiệt nóng chảy của
chì 21 kJ/kg; nhiệt dung riêng của chì 0,125 kJ/kg⋅K; nhiệt hoá hơi của nước
2260 kJ/kg; nhiệt dung riêng của nước 4,19 kJ/kg⋅K.
Bài tập 54: Trong một bình cách nhiệt có:
1 kg nước đá, 1 kg một chất A dễ nóng T (oC)
chảy, không tan được trong nước và một
bếp điện công suất không đổi, nhiệt dung
không đáng kể. Nhiệt độ ban đầu trung P Q 0
bình là - 40°C. Sau khi cho bếp hoạt động,
nhiệt độ trong bình biến đổi theo thời gian M N
như đồ thị trong hình bên. Cho biết nhiệt - 20
dung riêng của nước đá là cđ = 2 × 103
J/kg⋅K, của chất rắn A là c - 40 A = 103 J/kg⋅K. 0 1 8/3 4 t (phút) Tính:
a) Nhiệt nóng chảy của chất rắn A.
b) Nhiệt dung riêng của chất rắn A sau khi đã nóng chảy.
Bài tập 55: Hai kilogram (2kg) nước ở 25°C được đặt trong một thiết bị piston-
xylanh ở áp suất 100 kPa như trên hình vẽ kèm theo (Trạng thái 1). Người ta cấp
nhiệt lượng cho nước ở chế độ áp suất không đổi cho tới khi piston lên đến vị trí
đỉnh ở thể tích toàn phần là 0.4 m3 (Trạng thái 2). Nhiệt được cấp tiếp cho đến khi
nhiệt độ của nước đạt 300°C (State 3). Hãy xác định
a) Hệ số phẩm chất của môi chất và khối lượng của hơi nước ở trạng thái 2, và
b) áp suất của môi chất ở trạng thái 3.
Bài tập 56: Một hệ thiết bị piston-xylanh chứa một hỗn hợp của hơi nước bão hòa và
nước với khối lượng toàn phần là 0.5 kg ở áp suất 160 kPa và thể tích ban đầu là
100 liters. Sau đó môi chất giãn nở ra dưới áp suất không đổi cho tới khi chúng đạt
được một trạng thái hơi bão hòa.
a) Hãy vẽ giản đồ cho thấy các trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ.
b) Phác thảo quá trình này trên một giản đồ P-v có lưu ý tới các đường bão hòa,
điểm tới hạn, và các đường đẳng nhiệt thích đáng, chỉ rõ các trạng thái đầu và cuối.
c) Hãy xác định phẩm chất ban đầu và nhiệt độ của hỗn hợp môi chất trước khi
nung nóng. [quality x1 = 0.182, T1 = 113.3°C]
d) Xác định thể tích cuối cùng của hơi nước sau khi đã được sấy nóng [0.546 m3]. 10
Bài tập 57: Hai (02) kg nước ở 25°C được đưa vào một hệ piston-xylanh ở áp suất 3.2
MPa (Trạng thái (1) trong giản đồ ở hình vẽ dưới). Nước được cấp nhiệt trong điều kiện
áp suất không đổi đến khi nhiệt độ của môi chất đạt 350°C (Trạng thái (2)). Hãy xác định
thể tích cuối cùng của hệ ở trạng thái (2).
Bài tập 58: Một thiết bị “piston-cylinder” chứa 0.5 kg nước lỏng bão hòa ở áp suất
200 kPa. Nhiệt được cấp thêm vào và hệ hơi giãn nở ra theo chế độ áp suất không
đổi cho tới khi hệ đạt được 300°C.
a) Vẽ một giản đồ thể hiện quá trình cho thấy đầy đủ các trạng thái đầu và cuối của hệ.
b) Phác họa quá trình này trên một giản đồ T-v (nhiệt độ-thể tích riêng) lưu ý rõ
ràng tới các đường bão hòa, điểm tới hạn, và các đường áp suất không đổi, chỉ
thị rõ ràng các trạng thái ban đầu và trạng thái cuối.
c) Dùng bảng hơi để xác định nhiệt độ ban đầu của hơi trước khi bị đun nóng.
d) Dùng các bảng hơi để xác định thể tích của hơi sau khi được nung nóng.
e) Áp dụng phương trình chất khí lý tưởng để xác định thể tích cuối cùng của hệ
hơi sau khi được nung. Xác định sai số bằng phần trăm của phương pháp này
để so sánh với việc sử dụng các bảng hơi.
Lưu ý: Số liệu về điểm tới hạn và hằng số khí của hơi nước có thể thấy trên trang nhất
của Bảng hơi nước.
Bài tập 59: Hãy xem xét một bình chứa cứng với thể tích 100 liters, được nạp hơi
nước ở trạng thái ban đầu với áp suất 400 kPa và nhiệt độ 300°C. Sau đó hơi nước
được làm lạnh cho đến khi đạt được nhiệt độ 90°C.
a) Vẽ giản đồ phù hợp miêu tả quá trình này chỉ rõ các trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ.
b) Dùng Bảng hơi nước để xác định khối lượng hơi nước trong bình. [0.153 kg]
c) Áp dụng Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng để xác định khối lượng
hơi nước có trong bình chứa. [0.151 kg]
Xác định sai số bằng phần trăm khi sử dụng phương pháp này so với việc dùng
các số liệu từ bảng hơi nước. [1%] 11
d) Phác thảo quá trình trên một giản đồ T-v (temperature-specific volume) cso lưu
ý đến các đường bão hòa, điểm tới hạn, và các đường đẳng áp phù hợp, chỉ
định rõ ràng các trạng thái đầu và cuối của hệ.
e) Sử dụng bảng hơi nước để xác định áp suất cuối cùng và phẩm chất của hỗn
hợp môi chất sau khi được làm lạnh. [70.2 kPa, X = 0.277]
Chú ý: Các số liệu tới hạn và hằng số khí cho hơi nước có thể thấy trên trang đầu của bảng hơi.
Bài tập 60 (2.3) – Một hệ thiết bị piston-xylanh chứa một hỗn hợp của hơi nước bão
hòa và nước với khối lượng toàn phần là 0.5 kg ở áp suất 160 kPa và thể tích ban đầu
là 100 liters. Sau đó môi chất giãn nở ra dưới áp suất không đổi cho tới khi chúng đạt
được một trạng thái hơi bão hòa.
a) Hãy vẽ giản đồ cho thấy các trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ.
b) Phác thảo quá trình này trên một giản đồ p-v có lưu ý tới các đường bão hòa,
điểm tới hạn, và các đường đẳng nhiệt thích đáng, chỉ rõ các trạng thái đầu và trạng thái cuối.
c) Hãy xác định phẩm chất ban đầu và nhiệt độ của hỗn hợp môi chất trước khi
nung nóng. [quality x1 = 0.182, T1 = 113.3°C]
d) Xác định thể tích cuối cùng của hơi nước sau khi đã được sấy [0.546 m3 (546 liters)] Lưu ý: 1000 liters - 1 m3.
Bài tập 61 (2.6) – Hãy xem xét một bình chứa cứng với thể tích 100 liters, được nạp
hơi nước ở trạng thái ban đầu với áp suất 400 kPa và nhiệt độ 300°C. Sau đó hơi nước
được làm lạnh cho đến khi đạt được nhiệt độ 90°C.
a) Vẽ giản đồ phù hợp miêu tả quá trình này chỉ rõ các trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ.
b) Dùng Bảng hơi nước để xác định khối lượng hơi nước trong bình. [0.153 kg]
c) Áp dụng Phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng để xác định khối lượng
hơi nước có trong bình chứa. [0.151 kg]
Xác định sai số bằng phần trăm khi sử dụng phương pháp này so với việc dùng
các số liệu từ bảng hơi nước. [1%]
d) Phác thảo quá trình trên một giản đồ T-v (temperature-specific volume) cso lưu ý
đến các đường bão hòa, điểm tới hạn, và các đường đẳng áp phù hợp, chỉ định rõ
ràng các trạng thái đầu và cuối của hệ. 12
e) Sử dụng bảng hơi nước để xác định áp suất cuối cùng và phẩm chất của hỗn hợp
môi chất sau khi được làm lạnh. [70.2 kPa, X = 0.277]
Chú ý: Các số liệu tới hạn và hằng số khí cho hơi nước có thể thấy trên trang đầu của bảng hơi.
Bài tập 62 (2.7) – Một chiếc lốp xe với thể tích 100 liters được bơm căng lên tới một
áp suất đo bằng đồng hồ được 210 kPa. Hãy xác định a) khối lượng không khí đã
bơm vào lốp xe khi lốp xe ở nhiệt độ 20°C, và b) áp suất trên đồng hồ đo khi nhiệt độ
trong lốp xe đạt 50°C. Giả sử rằng áp suất khí quyển là 100 kPa.
Bài tập 63 (2.8) – Trong việc thiết kế máy bay, thực tiễn thường ngày hay phải gặp là
phải định nghĩa chính xác phân bố nhiệt độ ở gần bề mặt Trái Đất (tới độ cao z vào
khoảng 10000m) dưới dạng hàm số: T(z) = (T0 + a.z)°C, mà trong đó T0 là nhiệt độ ở
bề mặt Trái Đất bằng 15°C, và tốc độ tăng nhiệt độ theo chiều cao (= -0.00651°C / m).
Sử dụng Phương trunhf Chất khí Lý tưởng, hãy xác định áp suất ở độ cao 3000m với
giả thiết rằng: ở z = 0, thì áp suất khí quyển là p = 101 kPa.
Bài tập 64 (2.9) - Bạn có thể ngạc nhiên tại sao chúng ta lại quan tâm đến giá trị áp
suất của không khí ở độ cao 3000m. Trong bài toán dưới đây chúng ta tiếp tục phát
triển ở trên để đánh giá lượng tải trọng mà chùng ta có thể nâng tới độ cao 3000m
bằng một khí cầu nhỏ dùng không khí nóng (Thể tích =1000 m3) với khối lượng rỗng
là 100kg. Giả sử rằng nhiệt độ của không khí trong khí cầu là 100°C.
Cuối cùng, với 154 kg trọng tải thì tối thiểu hai người có thể cùng chia sẻ thụ
hưởng trải nghiệm tuyệt vời của chuyến bay này. Nhưng không may thay là họ
không thể thụ hưởng thú vui bên một cốc trà Anh. Ở áp suất 69.9 kPa thì (đây là
điều cấm của nhà trời - heavens forbid) nước sẽ chỉ sôi ở nhiệt độ < 90°C! (Nhiệt
độ bão hòa Tsat có thể tra cứu được từ Bảng số liệu hơi).
Câu đố nhanh: Xác định nhiệt độ sôi của một cốc trà ở Denver, Colorado (độ
cao 5000 ft), hay trên các đỉnh núi đá Rocky Mountains (độ cao: 14000 ft). Gợi ý:
Dùng gói dụng cụ cứu sinh chuyển đổi đơn vị - Units Survival Kit ở Chương 1 để
trước hết chuyển đổi đơn vị từ feet sang meters)
________________________________________________________________
Bài tập 65 (3.1) - Gợi lại Bài tập số 2.2 ở Chương 2a mà trong đó in có một quá trình
áp suất không đổi. Bây giờ ta mở rộng bài toán này để đưa thêm các tương tác năng
lượng của quá trình, và như vậy chúng ta phát biểu lại bài toán như sau:
Hai kilograms nước ở 25°C được giữ trong một hệ piston - xylanh ở áp suất 3.2 MPa
(Trạng thái (1)) như trong giản đồ kèm theo. Cấp nhiệt cho nước trong điều kiện áp 13
suất không đổi cho tới khi nhiệt độ của hơi đạt được 350°C (Trạng thái (2)). Hãy xác
định công (W) mà môi chất đã thực hiện và lượng nhiệt (Q) đã truyền vào môi chất trong quá trình này. [Grab your
Bài tập 66: Một bình kim loại thành cứng dùng để chứ
a khí có thể tích 100 lít. Bình
này được nạp hơi nước tới trạng thái ban đầu ở áp suất 400 kPa và nhiệt độ 300°C.
Hơi trong bình sau đó được làm nguội đến nh iệt độ 90°C.
a) Vẽ một giản đồ biểu diễn quá trình, thể hiện cả hai trạng thái đầu và cuối của hệ này.
b) Sử dung phương trình trạng thái của chất
khí lý tưởng để xác định khối lượng
hơi nước có trong bình. [0.151 kg]
c) Vẽ phác quá trình này trên một giản đồ T-v (nhiệt độ-thể tích riêng) liên quan
đến đường lỏng bão hòa, điểm tới hạn và
đường đẳng áp tương ứng. Chỉ rõ
trạng thái đầu và trạng thái cuối của hệ.
d) Sử dụng bảng hơi để xác định áp suất cuối
cùng và phẩm chất của hỗn hợp môi
chất sau khi được làm lạnh. [70.2 kPa, x = 0.277] *Bài tập 67:
Hai bình kim loại cứng nối thông với nhau thông qua một
van. Bình A chứa 0.2 m3 nước ở 400 kPa và có hệ số
phẩm chất 80 %. Bình B chứa 0.5 m3 nước ở 200 kP a và
250°C. Khi mở van thì cuối cùng hai bình sẽ c ó cùng một
trạng thái. Hãy xác định áp suất và lượng nhiệ t trao đổi
giữa hai bình khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi
trường xung quanh ở 25°C.
Đáp số: 3.17 kPa, 2170 kJ
*Bài tập 68:
Nước trong một thiết bị pha cà phê dung một cuộn dây điện
trở ngâm trong nước sẽ sôi như ở mực nước biển. Thiết bị
pha cà phê khi đầy thì chứa 1 lít nước. Kể từ khi quá trình
sôi bắt đầu người ta quan sát thấymột nửa lượng nước trong
bộ pha cà phê bay hơi trong vòng 25 min. Hãy xác định
công suất của cuộn dây điện trở ngâm trong nước. Đồng
thời, hãy xác định xem cuộn dây điện trở này mất bao lâu
để làm nhiệt độ của 1 lít nước đó từ lức là nước lạnh ở 18°C đến nhiệt độ sôi. 14 *Bài tập 69:
Các động cơ hơi nước đầu tiên chạy với áp suất khí
quyển tác động lên một piston ghép khít với một xy-lanh
chứa đầy hơi nước bão hòa. Người ta tạo chân không
trong xy-lanh bằng cách dùng nước lạnh làm lạnh từ bên
ngoài vỏ xy-lanh để qua đó là hơi nước ngưng tụ. Xem
xét một cấu hình thiết bị piston–xy lanh với diện tích bề
mặt piston là 0.1 m2 ban đầu nạp đầy với 0.05 m3 hơi
nước bão hòa tại ap suất 100 kPa. Bây giờ đổ nước lạnh
bên ngoài xy lanh và hơi nước bên trong đó bắt đầu ngưng tụ do nó truyền nhiệt
vào nước làm lạnh ở bên ngoài. Nếu như piston bị kẹt nguyên ở vị trí ban đầu, hãy
xác định lực ma sát tác dụng lên piston và lượng nhiệt truyền đi khi biết nhiệt độ
bên trong xylanh tụt xuống còn 30°C.
*Bài tập 70: Một bình chứa có thành cứng ban đầu chứa 1.4 kg chất lỏng nước
bão hòa ở 200°C. Ở trạng thái này, 25 % thể tích của bình là do nước chiếm
chỗ và phần thể tích còn lại là không khí. Bây giờ người ta cấp nhiệt vào cho
nước cho đến khi trong bình chỉ toàn là hơi nước bão hòa. Hãy xác định:
(a) Thể tích của bình;
(b) Nhiệt độ và áp suất ở trạng thái cuối cùng; và
(c) Biến đổi nội năng của lượng nước trong bình.
*Bài tập 71: Một thiết bị piston–cylinder không ma sát ban đầu chứa
không khí ở 200 kPa và 0.2 m3. Ở trạng thái này, một lò so (F =
∝∙x) chạm tới piston nhưng không tác dụng lực lên đó. Bây giờ
không khí được đốt nóng lên tới trạng thái cuối cùng ở 0.5 m3 và
800 kPa. Hãy xác định (a) công toàn phần do không khí tthực hiện
và (b) công thực hiện lên (chống lại) lò so. Thể hiện quá trình này
trên một giản đồ p-v diagram.
(Answers: (a) 150 kJ, (b) 90 kJ)
Bài tập 72: Một nhà máy điện tại một cộng đồng địa phương vùng sâu vùng xa hoạt
động theo chu trình Carnot cung cấp nhiệt và điện năng theo phương thức tiết kiệm
và thân thiện với môi trường. Ở nhiệt độ 357 OC nó được cấp một dòng nhiệt Qvào
= 50 MW. Nhiệt độ môi trường là TU = +7 OC.
a) Hãy xác định hiệu suất nhiệt lý thuyết ηth, công suất lối ra Wra, dòng nhiệt QH
có thể thu được cho việc cung cấp nước nóng để sưởi, và hệ số sử dụng năng
lượng εN của nhà máy điện này, khi quá trình nén đẳng nhiệt trong chu trình
này được thực hiện ở 107 OC.
b) Hãy làm rõ xem liệu sẽ có lợi hơn chăng khi thực hiện quá trình nén đẳng nhiệt
ở nhiệt độ môi trường để thu được hiệu suất cao.
Bài tập 73: 10 kg không khí ở T1 = 20 °C và p1 = 960 mbar được nén lên tới p2 = 10
bar theo các phương cách: a) đẳng tích - isochor, b) đẳng nhiệt - isotherm, c) đoạn 15
nhiệt thuận nghịch và d) polytrop với một hệ số mũ là n = 1,2. Không khí được coi
là khí lý tưởng với hệ số đoạn nhiệt κ = cp/cV = 1,4. Khối lượng mole của không khí
là: mA = 28,96 kg/kmol.
a. Hãy vẽ sơ lược các đồ thị biểu diễn các quá trình nén trên giản đồ (p,V).
b. Hãy xác định nhiệt độ và thể tích ở trạng thái cuối cùng cũng như lượng nhiệt
và công trao đổi trong các quá trình biến đổi trạng thái này.
Bài tập 74: Một bơm nước cấp nước cho một nhà máy nhiệt điện nhỏ của một làng ở
vùng sâu phải cấp một dòng nước với lưu lượng m = 200 tấn/giờ (200ton/h) theo
chế độ đoạn nhiệt từ áp suất p1 = 5 bar lên tới p2 = 210 bar. Trong quá trình (vùng
áp suất) này nước được coi là chất lỏng chịu nén với thể tích riêng vf = 1,08 dm3/kg
và người ta phải làm cách nào đó để trong quá trình này không có hao phí về công.
Hãy xác định độ gia tăng enthalpy của nước trong quá trình tăng áp suất này và
công suất mà bơm tiêu thụ!
Bài tập 75: Một nhà máy thủy điện
loại nhỏ với cấu trúc cũ như hình Buồng máy
vẽ bên. Với chênh lệch độ cao Máy phát
Pel cấp vào mạng điện
∆z = -3,9 m và một dòng nước ở
Nước trên mặt hồ: z1, p1, h1 PT
lưu lượng dòng chảy ɷ = 5,3 m3/s ω1
nó cung cấp điện vào mạng lưới
Nước dưới đáy:z2, p2, h2,
chung với công suất P el = 150 kW.
Hiệu suất của máy phát điện đạt Giới hạn đoạn nhiệt ω2 ∆t = 0.
tới ηG = 90%. Biết rằng tốc độ
dòng nước ở trước và sau turbine
là như nhau và coi mật độ khối
lượng của nước là ρw = 1 kg/m3. Hãy xác định:
a) Hiệu suất toàn phần của hệ thiết bị ηeff và hao phí công theo thời gian của nó.
b) Hiệu suất và công suất của turbine nước.
c) Dòng nhiệt mà máy phát điện thải xả vào môi trường trong phòng đặt máy.
d) Công mà nhà máy này cung cấp trong một năm và số tiền mà nó mang lại hàng
năm bằng việc cung cấp điện lên mạng với giá thu mua điện năng hiện hành của EVN.
Bài tập 76: Một máy bơm không khí có thể tích là V1 ở kỳ hút khí được nạp đầy
không khí ở áp suất p1 và nhiệt độ T1. Trong kỳ nén tiếp theo sau đó, van xả sẽ mở
khi áp suất đạt được giá trị p2. Giả thiết không có trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài, hãy xác định:
a) Thể tích V2 của không khí tại thời điểm mở van xả;
b) Nhiệt độ của khí tại thời điểm mở van xả;
c) Công cơ học đã cấp vào hệ cho tới lúc van xả mở;
d) Lượng không khí đã bơm vào đường ống sau N lần bơm.
e) Điều gì đã xảy ra đối với lượng năng lượng từ bên ngoài đã cấp vào hệ.
Hãy tính bằng số với: V1=250 cm3; p1=101 kPa; p2=405 kPa; T1 = 20 OC;
MA = 29 kg∙kmol-1; κ = 1,4 và N = 50. 16
Bài tập 77: Một động cơ hoạt động theo chu trình Otto lý tưởng dùng không khí
chuẩn làm môi chất được thiết kế với hệ số nén r = 8. Ở điểm đầu của quá trình
nén, môi chất ở áp suất 100 kPa và nhiệt độ 27 OC. Trong quá trình nổ đẳng tích
(thể tích không đổi) lượng nhiệt được cấp vào là 800 kJ. Hãy vẽ giản đồ (p,v) cho
chu trình này. Sử dụng các số liệu cho ở bảng kèm theo, hãy tính:
• Nhiệt độ và áp suất ở cuối mỗi kỳ làm việc trong chu trình;
• Công toàn phần sinh ra trong một chu kỳ của động cơ [kJ∙kg-1] và
• Hiệu suất nhiệt [ηth] của động cơ này.
Bài tập 78: Xem xét chỉ riêng kỳ giãn nở của một động cơ điển hình chuẩn không
khí theo chu trình Diesel với tỷ số nén r = 20 và tỷ số cắt rC = 2. Tại điểm khởi đầu
của quá trình phun nhiên liệu, nhiệt độ của không khí là 627°C và không khí giãn
nở ở áp suất không đổi p = 6,2 MPa cho tới điểm cắt (đạt tỷ lệ thể tích 2:1). Sau đó
không khí giãn nở đoạn nhiệt cho tới khi nó đạt thể tích tối đa. Cho biết khối lượng
riêng của không khí ở 30oC là 1,165 kg∙m-3; MA = 28,96 kg∙kmol-1; nhiệt dung
riêng của không khí ở 1000K lần lượt là cP = 1.142 kJ/kg·K; cv = 0.855 kJ/kg·K và κ = 1,336.
a. Hãy phác họa quá trình này trên một giản đồ p-v để chỉ rõ cả ba trạng thái liên
quan. Trên giản đồ hãy chỉ rõ tổng công cơ học đã thực hiện trong toàn bộ quá trình giãn nở đó.
b. Hãy xác định nhiệt độ đạt được ở điểm cuối của quá trình đẳng áp (phun nhiên
liệu) [1800K], cũng như ở cuối quá trình giãn nở tiếp theo [830K], đồng thời
vẽ ba đường đẳng nhiệt tương xứng trên giản đồ p-v nêu trên.
c. Xác định công toàn phần thực hiện trong kỳ giãn nở [1087 kJ/kg].
d. Xác định nhiệt lượng toàn phần đã cung cấp cho không khí trong quá trình giãn nở [1028 kJ/kg].
Hãy diễn giải tất cả các phương trình đã sử dụng, bằng cách bắt đầu từ phương
trình trạng thái của chất khí lý tưởng, từ các mối liên hệ cho quá trình đoạn nhiệt,
phương trình cân bằng và bảo toàn năng lượng cho một hệ kín, các phương trình
và mối liên hệ giữa sự biến đổi nội năng, enthalpy của khí lý tưởng và phương
trình cơ bản tính công thể tích đã thực hiện mà bạn đã học.
Bài tập 79: Một thiết bị piston-xylanh hoạt động không ma sát chứa 0,2 kg không khí
ở 100 kPa và 27 oC. Không khí được nén từ từ (giả tĩnh) sao cho tích p·Vκ luôn
không đổi (là một hằng số), trong đó κ = 1,4 cho tới khi nó đạt được nhiệt độ
77 oC. Biết khối lượng riêng của không khí ở 30oC là 1,165 kg∙m-3 và MA = 28,96 kg∙mol-1.
a) Hãy vẽ sơ lược giản đồ p-v của quá trình, vẽ các đường đẳng nhiệt tương ứng và
chỉ ra trên giản đồ này lượng công cơ học đã thực hiện.
b) Sử dụng định nghĩa về công thể tích trong hệ chất khí hãy xác định công đã thực
hiện trong quá trình này.
c) Sử dụng phương trình năng lượng để xác định lượng nhiệt trao đổi trong quá
trình này để chứng minh quá trình này thực sự là đoạn nhiệt.
Hãy diễn giải tất cả các phương trình được sử dụng ở đây với phương trình cân
bằng năng lượng cơ bản cho một hệ không có dòng chảy, phương trình tính biến
thiên nội năng của một khí lý tưởng, phương trình cơ bản tính công thể tích và 17
phương trình trạng thái của chất khí lý tưởng. Sử dụng giá trị đã cho cho nhiệt
dung riêng xác định ở 300 K cho toàn bộ quá trình.
Bài tập 80: Một động cơ hoạt động theo Chu trình Diesel lý tưởng chuẩn không khí
có tỷ số nén r = 18 và tỷ số cắt rC = 2. Ở điểm đầu của quá trình nén môi chất
công tác ở áp suất 100 kPa và nhiệt độ 27 oC (300K). Hãy xác định nhiệt độ và
áp suất của không khí tại điểm cuối của mỗi quá trình trong toàn chu trình, công
hiệu dụng toàn phần thu được trong một chu kỳ [kJ/kg] và hiệu suất nhiệt của
động cơ. Lưu ý rằng nhiệt dung riêng cho không khí ở 300K được cho với các
giá trị sau: cp = 1.00 kJ/kg∙K, cV = 0.717 kJ/kg∙K, và κ = 1.4. Tuy nhiên, các đại
lượng này đều phụ thuộc vào nhiệt độ nên ở nhiệt độ cao trong các động cơ
Diesel người ta sẽ có sai số rất đáng kể. Hãy áp dụng kỹ thuật lấy nhiệt độ trung
bình và sử dụng Bảng Số liệu Nhiệt dung riêng của không khí để giải bài toán này.
Bài tập 81: Một động cơ hoạt động theo chu trình Otto lý tưởng dùng không khí
chuẩn làm môi chất được thiết kế với hệ số nén r = 8. Ở điểm đầu của quá trình
nén, môi chất ở áp suất 100 kPa và nhiệt độ 27 oC. Trong quá trình nổ đẳng tích
(thể tích không đổi) lượng nhiệt được cấp vào là 800 kJ/kg. Hãy vẽ giản đồ (p,v)
cho chu trình này. Sử dụng nhiệt dung riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình
điển hình cho Chu trình Otto là 900 K, với cV = 0,834 kJ/kg∙K, cp = 1,121
kJ/kg∙K, và κ = 1.344, hãy xác định:
a. Nhiệt độ và áp suất ở cuối mỗi kỳ làm việc trong chu trình;
b. Công toàn phần sinh ra trong một chu kỳ của động cơ [kJ∙kg-1] và
c. Hiệu suất nhiệt [ηth] của động cơ này.
Bài tập 82: Một động cơ hoạt động theo chu trình Otto lý tưởng dùng không khí
chuẩn làm môi chất được thiết kế với hệ số nén r = 8. Ở điểm đầu của quá trình
nén, môi chất ở áp suất 100 kPa và nhiệt độ 27 oC. Trong quá trình nổ đẳng tích
(thể tích không đổi) lượng nhiệt được cấp vào là 800 kJ/kg. Hãy vẽ giản đồ (p,v)
cho chu trình này. Sử dụng nhiệt dung riêng của không khí ở nhiệt độ 300 K lần
lượt là: cp = 1.00 kJ/kg∙K, cV = 0.717 kJ/kg∙K, và κ = 1.4, hãy xác định:
a. Nhiệt độ và áp suất ở cuối mỗi kỳ làm việc trong chu trình [p2 = 1838 kPa, T2
= 689K, T3 = 1805K, p3 = 4815 kPa, p4 = 262 kPa, T4 = 786K];
b. Công toàn phần sinh ra trong một chu kỳ của động cơ [451.5 kJ/kg] và
c. Hiệu suất nhiệt [ηth] của động cơ này [ηth = 56%].
Bài tập 83: Một bình chứa dung tích 2 m3 được kiểm thử với áp suất pt = 78 bar. Để
đảm bảo đáp ứng các quy định về an toàn, bình chứa này sau khi chế tạo theo quy
định phải được bơm nạp nước và nén lên tới áp suất cao gấp 1,3 lần áp suất làm
việc pw của nó. Người ta nạp nước vào bình này ở nhiệt độ gần bằng nhiệt độ môi
trường khí quyển rồi dùng một bơm tay để tăng áp suất trong bình (khi làm phải
đảm bảo chỉ có nước và không để có không khí trong bình) lên tới áp suất thử pt.
Sau đó đóng van để tách bình khỏi hệ bơm tay và để yên qua đêm. Như vậy, cần
phải tốn một công kỹ thuật bằng bao nhiêu để nén đoạn nhiệt lượng nước trong
bình từ áp suất ban đầu p1 = 1 bar tới áp suất thử p2 = pt = 78 bar và nội năng của 18
nước trong bình tăng lên bao nhiêu trong quá trình này? (Ta có thể xem nước là
một chất lỏng chịu nén và bình chứa là một bình với thể tích rắn cứng).
Bài tập 84: Một máy bơm hút nước đều đặn từ một cái ao với tốc độ dòng thể tích là
220 gal/phút qua một đường ống có đầu vào với đường kính 5 inch. Nước được
phân phối qua một vòi phun được kết thúc bằng một vòi hội tụ. Đầu ra của vòi có
đường kính 1 inch và nằm ở độ cao 35 ft so với đầu vào của đường ống dẫn nước.
Nước đi vào ở nhiệt độ 70 OF, áp suất 14,7 lbf/in2 và thoát ra mà không có thay đổi
đáng kể về nhiệt độ hoặc áp suất. Độ lớn của tốc độ truyền nhiệt từ máy bơm ra
môi trường xung quanh là 5% công suất đầu vào. Gia tốc trọng trường là 32,2 ft/s2.
Hãy xác định (a) Tốc độ của dòng nước ở đầu vào và đầu ra, tính bằng ft/s, và (b)
Công suất mà máy bơm cần có, tính bằng hp. (Trang 192 (210/1062) Shapiro)
Bài tập 85: Hơi nước đi vào bình ngưng của nhà máy điện hơi ở áp suất 0,1 bar với
hệ số phẩm chất 0,95 và nước ngưngtụ thoát ra ở 0,1 bar và 45 OC. Nước làm mát
đi vào bình ngưng theo một dòng riêng biệt dưới dạng chất lỏng ở 20 OC và thoát ra
dưới dạng chất lỏng ở 35 OC và áp suất không thay đổi. Có thể bỏ qua sự truyền
nhiệt từ bên ngoài thiết bị ngưng tụ và những thay đổi về động năng và thế năng
của các dòng chảy. Để vận hành ở trạng thái ổn định, hãy xác định (a) Tỷ lệ giữa
lưu lượng khối lượng của nước làm mát với lưu lượng khối lượng của hơi nước
ngưng tụ. (b) Năng lượng truyền từ hơi nước ngưng tụ sang nước làm mát, tính
bằng kJ trên mỗi kg hơi nước đi qua bình ngưng (Trang 198 (216/1062) Shapiro)
Bài tập 86: Các thành phần điện tử của máy tính được làm mát bằng luồng không khí
đi qua một quạt gắn ở đầu vào của vỏ điện tử. Ở trạng thái ổn định, không khí đi
vào ở 20 OC và 1 atm. Để kiểm soát tiếng ồn, tốc độ của luồng không khí đi vào
không được vượt quá 1,3 m/s. Để khống chế nhiệt độ thì nhiệt độ của không khí ở
lối ra không được vượt quá 32 OC. Các linh kiện điện tử và quạt lần lượt nhận được
80 W và 18 W năng lượng điện. Xác định diện tích đầu vào nhỏ nhất của quạt, tính
bằng cm2 mà tại đó nó đáp ứng các giới hạn về tốc độ không khí đi vào và nhiệt độ
không khí thoát ra. (E 48 – 199 (217) Shar)
Bài tập 87: Một đường ống
cung cấp mang hỗn hợp hơi-
lỏng hai pha gồm hơi nước và
nước đang chảy ở tốc độ 300
lbf/in2. Một phần nhỏ của
dòng chảy trong đường ống
này được chuyển hướng qua
một nhiệt lượng kế tiết lưu và
thoát ra khí quyển ở 14,7
lbf/in2 mà nhiệt độ của hơi
thải ra đo được là 2508 OF.
Xác định chất lượng của hơi nước trong đường ống cung cấp. (E49- 201 (219 Shap). 19
Tài liệu liên quan:
-
Ung dung game hoa trong cac chien dich MKT
33 17 -
Bao cao Chi so TMDT Viet Nam 2025
34 17 -
Thông tư quy định về việc phân quyền, phân cấp và phân định thẩm quyền quản lý nhà nước về giáo dục cho chính quyền địa phương
40 20 -
Nghị quyết về phát huy các giá trị di sản văn hóa gắn với phát triên du lịch bền vững tỉnh Khánh Hòa đến năm 2025, định hướng đến năm 2030
39 20 -
Quyết định phê duyệt Chiến lược phát triển du lịch Việt Nam đến năm 2030
25 13