Bahan bakar, campuran gas dan kapasitas panas

Pada mesin kalor (mesin), fluida kerja merupakan campuran dari berbagai gas. Jika komponen campuran tidak masuk ke dalam reaksi kimia di antara mereka sendiri, dan setiap komponen mematuhi persamaan keadaan Klaiperon, maka campuran seperti itu dianggap sebagai gas ideal.

Untuk menghitung campuran, perlu untuk menentukan cm - massa molar rata-rata dan R c m - konstanta gas spesifik campuran. Untuk menentukannya, perlu diketahui komposisi campuran, yaitu komponen apa dan dalam jumlah berapa yang membentuk campuran ini, parameter apa yang dimiliki setiap komponen yang termasuk dalam campuran.

Setiap komponen campuran berperilaku seolah-olah tidak ada gas lain dalam campuran, menempati seluruh volume yang tersedia di mana campuran berada, mengikuti persamaan keadaannya sendiri dan memberikan apa yang disebut tekanan parsial pada dinding, sedangkan suhu semua komponen campuran adalah sama dan sama dengan suhu campuran.

Menurut hukum Dalton, tekanan campuran P sama dengan jumlah tekanan parsial masing-masing komponen yang termasuk dalam campuran:

di mana n adalah jumlah komponen campuran.

Menurut hukum Amag, volume campuran V sama dengan jumlah volume parsial masing-masing komponen yang termasuk dalam campuran pada suhu dan tekanan campuran:

, (1.21)

di mana - volume parsial, m 3; V- volume campuran, m 3

Komposisi campuran diberikan oleh volume (molar) atau fraksi massa.

Fraksi volume komponen ke-i adalah rasio volume parsial komponen dengan volume campuran, yaitu, maka jumlah fraksi volume komponen campuran adalah 1, yaitu . Jika nilainya diberikan dalam %, maka jumlah mereka = 100%.

Fraksi molar komponen ke-i n i adalah rasio jumlah kilomol komponen N i dengan jumlah kilomol campuran N, yaitu, di mana , , yaitu jumlah kilomol masing-masing komponen dan campuran secara keseluruhan sama dengan rasio komponen yang sesuai dan campuran secara keseluruhan dengan volume yang ditempati oleh satu kilomol.

Mengingat bahwa suatu gas ideal dalam kondisi yang sama memiliki volume kilomol yang sama, maka setelah substitusi kita mendapatkan: , yaitu untuk gas ideal fraksi mol dan volum sama secara numerik.

Fraksi massa komponen ke-i adalah rasio massa komponen dengan massa campuran: , maka massa campuran sama dengan jumlah massa komponen, dan juga jumlah fraksi massa komponen adalah sama menjadi 1 (atau 100%).

Konversi pecahan volume ke pecahan massa dan sebaliknya didasarkan pada rasio berikut:

,

dimana = / 22,4, kg / m 3.

Dari mana fraksi massa komponen ke-i akan ditentukan dari hubungan:

,

di mana massa jenis campuran, kg / m 3, adalah fraksi volume komponen ke-i.

Di masa depan, itu dapat ditentukan melalui fraksi volume.

.

Kepadatan campuran untuk fraksi volume ditentukan dari rasio

, di mana , (1.22)

.

Tekanan parsial ditentukan oleh rumus:

atau (1.23)

Persamaan keadaan komponen dan campuran secara keseluruhan memiliki bentuk:

;

,

dimana, setelah transformasi, kita peroleh untuk besar sekali berbagi

, . (1.24)

Massa jenis dan volume spesifik campuran untuk besar sekali Bagikan:

; . (1.25)

Untuk menghitung tekanan parsial, rumus digunakan:

. (1.26)

Konversi pecahan massa menjadi pecahan volume dilakukan sesuai dengan rumus:

.

Ketika menentukan kapasitas panas campuran gas, diasumsikan bahwa untuk memanaskan (mendinginkan) campuran gas, perlu untuk memanaskan (mendinginkan) masing-masing komponen campuran.

di mana Q i =M i c i t adalah panas yang dihabiskan untuk mengubah suhu komponen ke-i dari campuran, c i adalah kapasitas panas massa komponen ke-i dari campuran.

Kapasitas panas campuran ditentukan dari rasio (jika campuran diberikan oleh fraksi massa)

, sama . (1.28)

Kapasitas panas molar dan volumetrik untuk campuran yang diberikan oleh fraksi volume ditentukan oleh:

; ;

;

Contoh 1.5 Udara kering secara massa terdiri dari g O2 \u003d 23,3% oksigen dan g N 2 \u003d 76,6% nitrogen. Tentukan komposisi udara berdasarkan volume (r O2 dan r N 2) dan konstanta gas campuran.

Larutan.

1. Dari Tabel 1 kita menemukan kg/kmol dan kg/kmol

2. Tentukan fraksi volume oksigen dan nitrogen:

1. Konstanta gas udara (campuran) ditentukan dengan rumus:

, J/kg K

Contoh 1.6. Tentukan jumlah kalor yang diperlukan untuk memanaskan campuran gas dengan massa M = 2 kg pada P = konstan, terdiri dalam% berat: , , , , ketika suhu berubah dari t 1 =900 ° C menjadi t 2 = 1200 ° C

Larutan:

1. Tentukan kapasitas kalor massa rata-rata komponen yang membentuk campuran gas pada P=konstan dan t 1 =900 o C (dari P2):

1,0258 kJ/kg K; =1,1045 kJ/kg K;

1,1078 kJ/kg K; =2,1097 kJ/kg K;

2. Kami menentukan kapasitas panas massa rata-rata komponen yang membentuk campuran gas pada P=konstan dan t 1 =1200 o C (dari P2):

1,0509 kJ/kg K; =1.153 kJ/kg K;

1,1359 kJ/kg K; =2.2106 kJ/kg K;

3. Kami menentukan kapasitas panas massa rata-rata campuran untuk kisaran suhu: t 2 \u003d 1200 ° C dan t 1 \u003d 900 ° C:

4. Banyaknya kalor untuk memanaskan 2 kg campuran pada P = konstanta:

Hukum pertama termodinamika menetapkan hubungan kuantitatif antara perubahan energi internal sistem dan kerja mekanis yang dilakukan terhadap gaya tekanan eksternal lingkungan sebagai akibat dari suplai panas ke fluida kerja.

Untuk sistem termodinamika tertutup, persamaan hukum pertama memiliki bentuk

Panas yang diberikan ke fluida kerja (atau sistem) digunakan untuk meningkatkan energi internalnya (dU) karena peningkatan suhu tubuh, dan untuk melakukan kerja eksternal (dL) karena pemuaian fluida kerja dan peningkatannya. volume.

Hukum pertama dapat ditulis sebagai dH=dq+VdP=dq-dL 0 ,

di mana dL 0 \u003d VdP - pekerjaan dasar perubahan tekanan disebut pekerjaan eksternal (teknis) yang berguna.

dU adalah perubahan energi internal fluida kerja (sistem), yang meliputi energi gerak termal molekul (translasi, rotasi dan vibrasi) dan energi potensial interaksi molekul.

Karena transisi sistem dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi sebagai akibat dari suplai panas, oleh karena itu, fluida kerja memanas dan suhunya naik sebesar dT dan volumenya meningkat sebesar dV.

Peningkatan suhu tubuh menyebabkan peningkatan energi kinetik partikelnya, dan peningkatan volume tubuh menyebabkan perubahan energi potensial partikel. Akibatnya, energi internal tubuh meningkat dU, sehingga energi internal U adalah fungsi dari keadaan tubuh dan dapat direpresentasikan sebagai fungsi dari dua parameter independen U=f 1 (P,V); U=f 2 (P,T), U=f 3 (υ,T). Perubahan energi internal dalam proses termodinamika hanya ditentukan oleh keadaan awal (U 1) dan akhir (U 2), yaitu

Dalam bentuk diferensial, perubahan energi internal ditulis:

a) sebagai fungsi volume dan suhu tertentu

b) sebagai fungsi suhu, karena , kemudian

Untuk perhitungan praktis, di mana perlu untuk memperhitungkan perubahan C v dengan suhu, ada rumus empiris dan tabel energi internal spesifik (sering molar). Untuk gas ideal, energi internal molar campuran U m ditentukan oleh rumus

, J/kmol

Untuk campuran yang diberikan oleh fraksi massa . Lewat sini energi dalam ada properti dari sistem dan mencirikan keadaan sistem.

Entalpi adalah fungsi keadaan termal yang diperkenalkan oleh Kamerling-Onnes, (pemenang Penghargaan Nobel, 1913), yang merupakan jumlah energi internal sistem U dan hasil kali tekanan sistem P dan volumenya V.

Karena jumlah yang termasuk di dalamnya adalah fungsi keadaan, oleh karena itu H juga merupakan fungsi keadaan, yaitu H \u003d f 1 (P, V); H=f2 (V,T); H=f 3 (P, T).

Perubahan entalpi dH dalam setiap proses termodinamika ditentukan oleh keadaan awal H1 dan akhir H2 dan tidak bergantung pada sifat proses. Jika sistem mengandung 1 kg zat, maka entalpi spesifik, J/kg, diterapkan.

Untuk gas ideal, persamaan diferensial memiliki bentuk

karenanya, entalpi spesifik ditentukan oleh rumus

Persamaan hukum pertama termodinamika adalah dq=dU+Pdυ, ketika satu-satunya jenis pekerjaan adalah pekerjaan ekspansi Pdυ=d(Pυ)-υdP, maka dq=d(U+Pυ)-υdP, dari mana

Dalam praktik rekayasa, seseorang sering kali harus berurusan bukan dengan gas homogen, tetapi dengan campuran gas yang tidak terkait secara kimia. Contoh campuran gas adalah: udara atmosfer, gas alam, produk gas dari pembakaran bahan bakar, dll.

Untuk campuran gas berlaku ketentuan sebagai berikut.

1. Setiap gas yang masuk ke dalam campuran memiliki suhu, sama dengan suhu campuran.

2. Setiap gas yang termasuk dalam campuran didistribusikan ke seluruh volume campuran dan oleh karena itu volume masing-masing gas sama dengan volume seluruh campuran.

3. Setiap gas yang termasuk dalam campuran mematuhi persamaan keadaannya sendiri.

4. Campuran secara keseluruhan seperti gas baru dan mengikuti persamaan keadaannya sendiri.

Studi tentang campuran gas didasarkan pada hukum Dalton, yang menyatakan bahwa, pada suhu konstan, tekanan campuran sama dengan jumlah tekanan parsial gas yang termasuk dalam campuran:

di mana p cm adalah tekanan campuran;

p i - tekanan parsial dari gas ke-i yang termasuk dalam campuran;

n adalah jumlah gas yang termasuk dalam campuran.

Tekanan parsial adalah tekanan yang akan diberikan oleh gas yang memasuki campuran jika gas itu sendiri menempati seluruh volume campuran pada suhu yang sama.

Metode untuk mengatur campuran gas

Komposisi campuran gas dapat ditentukan oleh massa, volume dan fraksi mol.

Fraksi massa. Fraksi massa gas apa pun yang termasuk dalam campuran adalah rasio massa gas ini dengan massa campuran.

m 1 \u003d M 1 / M cm; m 2 \u003d M 2 / M cm; ..........; m n \u003d M n / M cm,

dimana m 1 , m 2 , ..., m n - pecahan massa gas;

M 1 , M 2 , ..., M n - massa masing-masing gas;

M cm adalah massa campuran.

Sangat mudah untuk melihatnya

dan

(100%).

Volume saham. Fraksi volume gas apa pun yang termasuk dalam campuran adalah rasio pengurangan (sebagian) volume gas ini dengan volume campuran.

r 1 \u003d V 1 / V cm; r 2 \u003d V 2 / V cm; ........., r n = V n / V cm;

di mana V 1 , V 2 , ..., V n - volume gas yang dikurangi;

V cm adalah volume campuran;

r 1 , r 2 , ..., r n - fraksi volume gas.

Volume tereduksi adalah volume gas di bawah kondisi campuran (pada suhu dan tekanan campuran).

Volume yang dikurangi dapat direpresentasikan sebagai berikut: jika semua gas kecuali satu dikeluarkan dari bejana yang berisi campuran, dan gas yang tersisa dikompresi ke tekanan campuran sambil mempertahankan suhu, maka volumenya akan berkurang atau sebagian.

Dapat dibuktikan bahwa volume campuran akan sama dengan jumlah volume gas yang dikurangi.

(100%).

Fraksi mol. Fraksi mol gas apa pun yang termasuk dalam campuran adalah rasio jumlah kilomol gas ini dengan jumlah kilomol campuran.

r 1 \u003d n 1 / n cm; r 2 \u003d n 2 / n cm; ........., r n \u003d n n / n cm,

dimana r 1 , r 2 , ..., r n - fraksi mol gas;

n cm adalah jumlah kilomol campuran;

n 1 , n 2 , ..., n n adalah jumlah kilomol gas.

Menentukan campuran dengan fraksi mol identik dengan menentukan campuran dengan fraksi volume, yaitu. fraksi molar dan volume memiliki nilai numerik yang sama untuk setiap gas yang termasuk dalam campuran.

Konstanta gas dan berat molekul semu (rata-rata) campuran. Untuk menghitung konstanta campuran gas yang diberikan oleh fraksi massa, kami menulis persamaan keadaan:

untuk campuran

p cm × V cm = M cm R cm T; (1.9)

untuk gas

. (1.10)

Kami menjumlahkan bagian kiri dan kanan persamaan (1.10)

(p 1 + p 2 + .... + p n) V cm = (M 1 R 1 + M 2 R 2 + ..... + M n R n) T.

Karena

,

maka p cm V cm = (M 1 R 1 + M 2 R 2 + ..... + M n R n) T. (1.11)

Persamaan (1.9) dan (1.11) menyiratkan bahwa

M cm R cm T \u003d (M 1 R 1 + M 2 R 2 + ..... + M n R n) T.

R cm \u003d M 1 / M cm R 1 + M 2 / M cm R 2 + ...... + M n / M cm R n \u003d

M 1 R 1 + m 2 R 2 + ...... + m n R n

atau

, (1.12)

dimana R cm adalah konstanta gas campuran.

Karena konstanta gas dari gas ke-i

R i = 8314 / m i ,

maka persamaan (1.12) ditulis ulang sebagai berikut:

. (1.13)

Saat menentukan parameter campuran gas, akan lebih mudah untuk menggunakan nilai kondisional tertentu yang disebut berat molekul nyata (rata-rata) dari campuran gas. Konsep berat molekul yang tampak dari suatu campuran memungkinkan kita untuk secara konvensional menganggap campuran sebagai gas homogen, yang sangat menyederhanakan perhitungan.

Untuk gas yang terpisah, ekspresi

Dengan analogi, untuk campuran, kita dapat menulis

m cm R cm = 8314, (1.14)

di mana m cm adalah berat molekul yang tampak dari campuran.

Dari persamaan (1.14), dengan menggunakan ekspresi (1.12) dan (1.13), kita peroleh

, (1.15)

. (1.16)

Berdebat dengan cara ini, seseorang dapat memperoleh rumus untuk menghitung R cm dan m cm melalui pecahan volume, rumus untuk mengubah pecahan massa menjadi pecahan volume dan, sebaliknya, pecahan volume menjadi pecahan massa, rumus untuk menghitung volume spesifik campuran u cm dan massa jenis campuran r cm melalui fraksi massa dan volume dan, akhirnya, rumus untuk menghitung tekanan parsial gas yang termasuk dalam campuran, melalui fraksi volume dan massa. Kami menyajikan rumus-rumus ini tanpa derivasi dalam tabel.

Rumus untuk menghitung campuran gas

Mengatur komposisi campuran	Transfer dari satu komposisi ke komposisi lainnya	Massa jenis dan volume spesifik campuran	Berat molekul semu dari campuran	Konstanta campuran gas	Tekanan parsial
Fraksi massa
Pecahan volume

Kapasitas panas gas

Kapasitas kalor suatu benda adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan atau mendinginkan benda sebesar 1 K. Kapasitas kalor suatu satuan jumlah zat disebut kapasitas kalor jenis.

Jadi, kapasitas kalor jenis suatu zat adalah jumlah kalor yang harus dilaporkan atau dikurangi dari satu satuan zat untuk mengubah suhunya sebesar 1 K dalam proses ini.

Karena hanya kapasitas panas spesifik yang akan dipertimbangkan dalam uraian berikut, kami akan mengacu pada kapasitas panas spesifik hanya sebagai kapasitas panas.

Jumlah gas dapat diberikan oleh massa, volume dan jumlah kilomol. Perlu dicatat bahwa ketika mengatur volume gas, volume ini dibawa ke kondisi normal dan diukur dalam meter kubik normal (nm 3).

Tergantung pada metode pengaturan jumlah gas, kapasitas panas berikut dibedakan:

c - kapasitas panas massa, J / (kg × K);

c¢ - kapasitas panas volumetrik, J / (nm 3 × K);

c m - kapasitas panas molar, J / (kmol × K).

Antara kapasitas panas ini ada hubungan berikut:

c = c m / m; dengan m = dengan × m;

= m / 22,4; dengan m = s¢ × 22,4,

dari sini

; s¢ = s × r n,

di mana u n dan r n - volume spesifik dan kepadatan dalam kondisi normal.

Kapasitas panas isokhorik dan isobarik

Jumlah panas yang diberikan ke fluida kerja tergantung pada fitur proses termodinamika. Dua jenis kapasitas panas secara praktis penting tergantung pada proses termodinamika: isokhorik dan isobarik.

Kapasitas panas pada u = const adalah isokhorik.

c u - kapasitas panas isokhorik massa,

c¢ kamu adalah kapasitas panas isokhorik volumetrik,

c m kamu adalah kapasitas panas isokhorik molar.

Kapasitas panas pada p = const adalah isobarik.

c p - kapasitas panas isobarik massa,

c¢ - kapasitas panas isobarik volumetrik,

c m p - kapasitas panas isobarik molar.

Dengan perubahan suhu yang sama dalam proses yang dilakukan pada p = konstan, lebih banyak panas yang dikonsumsi daripada dalam proses pada u = konstan. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa pada u = konstan panas yang diberikan ke tubuh dihabiskan hanya untuk mengubah energi internalnya, sedangkan pada p = konstan panas dihabiskan untuk meningkatkan energi internal dan untuk melakukan pekerjaan ekspansi. Selisih antara kapasitas kalor massa isobarik dan massa isokhorik menurut persamaan Mayer

c p - c kamu= R (1.17)

Jika ruas kiri dan kanan persamaan (1.17) dikalikan dengan massa kilomol m, maka diperoleh

c m p - c m kamu= 8314 J/(kmol×K) (1,18)

Dalam termodinamika dan aplikasinya, rasio kapasitas panas isobarik dan isokhorik sangat penting:

, (1.19)

di mana k adalah eksponen adiabatik.

Perhitungan menunjukkan bahwa untuk gas monoatomik k » 1,67, gas diatomik k » 1,4, dan gas triatomik k » 1,29.

Sangat mudah untuk melihat bahwa nilainya ke tergantung suhu. Memang, mengikuti dari persamaan (1.17) dan (1.19) bahwa

, (1.20)

dan dari persamaan (1.18) dan (1.19)

. (1.21)

Karena kapasitas panas meningkat dengan meningkatnya suhu gas, nilai k menurun, mendekati kesatuan, tetapi selalu tetap lebih besar dari itu.

Mengetahui nilai k, seseorang dapat menentukan nilai kapasitas panas yang sesuai. Jadi, misalnya, dari persamaan (1.20) kita memiliki

, (1.22)

dan sejak dengan p = k × s kamu, maka kita dapatkan

. (1.23)

Demikian pula, untuk kapasitas panas molar, dari persamaan (1.21) kita peroleh

. (1.24)

. (1.25)

Kapasitas panas rata-rata dan sebenarnya

Kapasitas panas gas tergantung pada suhu dan, sampai batas tertentu, pada tekanan. Ketergantungan kapasitas panas pada tekanan kecil dan diabaikan dalam sebagian besar perhitungan. Ketergantungan kapasitas panas pada suhu adalah signifikan dan harus diperhitungkan. Ketergantungan ini cukup akurat diungkapkan oleh persamaan

c = a + di t + et 2 , (1,26)

dimana, di dan e adalah nilai yang konstan untuk gas tertentu.

Seringkali dalam perhitungan teknik termal, ketergantungan nonlinier (1,26) digantikan oleh ketergantungan linier:

c = a + di t. (1.27)

Jika kita membangun secara grafis ketergantungan kapasitas panas pada suhu menurut persamaan (1.26), maka ini akan menjadi ketergantungan lengkung (Gbr. 1.4). Seperti yang ditunjukkan pada gambar, setiap nilai suhu memiliki nilai kapasitas panasnya sendiri, yang biasa disebut kapasitas panas sebenarnya. Secara matematis, ekspresi untuk kapasitas panas sebenarnya ditulis sebagai berikut: . (1.28)

Oleh karena itu, kapasitas panas sebenarnya adalah rasio jumlah panas yang sangat kecil dq dengan perubahan suhu yang sangat kecil dt. Dengan kata lain, kapasitas panas sebenarnya adalah kapasitas panas gas pada suhu tertentu. pada gambar. 1.4, kapasitas panas sebenarnya pada suhu t 1 ditunjukkan dengan t1 dan digambarkan sebagai segmen 1-4, pada suhu t 2 - dengan t2 dan digambarkan sebagai segmen 2-3. Dari persamaan (1.28) kita dapatkan dq=cdt. (1.29) Dalam perhitungan praktis, kami selalu menentukan jumlah panas pada perubahan akhir

suhu. Jelaslah bahwa jumlah kalor q, yang dilaporkan ke suatu satuan jumlah zat ketika dipanaskan dari t 1 ke t 2, dapat ditemukan dengan mengintegrasikan (1,29) dari t 1 ke t 2.

. (1.30)

Secara grafis, integral (1,30) dinyatakan dengan luas 4-1-2-3. Jika dalam persamaan (1.30) kita substitusikan nilai kapasitas kalor sebenarnya menurut ketergantungan linier (1.27), maka kita peroleh

(1.31)

di mana - kapasitas panas rata-rata dalam rentang suhu dari t 1 hingga t 2.

, (1.32)

Oleh karena itu, kapasitas panas rata-rata adalah rasio jumlah panas akhir q dengan perubahan suhu akhir t 2 - t 1:

. (1.33)

Jika, berdasarkan 4-3 (Gbr. 1.4), sebuah persegi panjang 4-1¢-2¢-3 dibangun, berukuran sama dengan gambar 4-1-2-3, maka tinggi persegi panjang ini akan sama dengan kapasitas panas rata-rata, di mana berada dalam kisaran suhu t 1 - t 2 .

Biasanya, nilai kapasitas panas rata-rata diberikan dalam tabel sifat termodinamika zat. Namun, untuk mengurangi volume tabel ini, tabel ini memberikan nilai kapasitas panas rata-rata yang ditentukan dalam rentang suhu dari 0 ° C hingga t ° C.

Jika perlu untuk menghitung nilai kapasitas panas rata-rata dalam rentang suhu yang diberikan t 1 - t 2, maka ini dapat dilakukan sebagai berikut.

Area 0a14 di bawah kurva c \u003d f (t) (Gbr. 1.4) sesuai dengan jumlah panas q 1 yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas dari 0 ° C menjadi t 1 ° C.

Demikian pula, luas 0a23 sesuai dengan q2 ketika suhu naik dari 0 o C ke t 2 o C:

Dengan demikian, q \u003d q 2 - q 1 (area 4123) dapat direpresentasikan sebagai

(1.34)

Mengganti nilai q menurut (1.34) ke dalam ekspresi (1.33), kita memperoleh rumus untuk kapasitas panas rata-rata dalam setiap rentang suhu:

. (1.35)

Dengan demikian, kapasitas panas rata-rata dapat dihitung dari tabel kapasitas panas rata-rata menggunakan persamaan (1.35). Selain itu, kita memperoleh ketergantungan nonlinier c = f(t). Anda juga dapat menemukan kapasitas panas rata-rata menggunakan persamaan (1.32) menggunakan hubungan linier. Nilai a dan di dalam persamaan (1.32) untuk berbagai gas diberikan dalam literatur.

Jumlah panas yang disuplai atau dikeluarkan dari fluida kerja dapat dihitung dengan menggunakan salah satu persamaan:

(1.36)

(1.37)

, (1.38)

di mana

- masing-masing, massa rata-rata, volume dan kapasitas panas molar; M adalah massa gas; n adalah jumlah kilomol gas; V n - volume gas dalam kondisi normal.

Volume gas V n dapat dicari sebagai berikut. Setelah menulis persamaan keadaan untuk kondisi yang diberikan: pV = MRT dan untuk kondisi normal: p n V n = MRT n, kami menghubungkan persamaan kedua dengan yang pertama:

,

dari sini

. (1.39)

Kapasitas panas campuran gas

Kapasitas panas campuran gas dapat dihitung jika komposisi campuran diberikan dan kapasitas panas komponen yang termasuk dalam campuran diketahui.

Untuk memanaskan campuran bermassa M cm sebesar 1 K, suhu masing-masing komponen juga harus dinaikkan sebesar 1 K. Pada saat yang sama, jumlah panas yang sama dengan c i M i dihabiskan untuk memanaskan komponen ke-i dari campuran dengan massa i . Untuk seluruh campuran, jumlah panas

,

di mana c i dan c cm adalah kapasitas panas massa komponen dan campuran ke-i.

Membagi ekspresi terakhir dengan M cm, kami memperoleh rumus perhitungan untuk kapasitas panas massa campuran:

, (1.40)

di mana m i adalah fraksi massa komponen ke-i.

Dengan argumen yang sama, kami menemukan kapasitas panas volumetrik c¢ cm dan kapasitas panas molar c m cm dari campuran:

(1.41)

di mana c¢ i - kapasitas panas volumetrik komponen ke-i, ri - fraksi volume komponen ke-i,

, (1.42)

di mana c m i adalah kapasitas panas molar komponen ke-i,

r i - fraksi mol (volume) dari komponen ke-i.

Kerja praktek№ 2

Topik: Kapasitas panas, entalpi, campuran gas ideal, energi internal, kerja, proses termodinamika.

Tujuan pekerjaan: Konsolidasi pengetahuan yang diperoleh selama pelatihan teori, perolehan keterampilan dalam penerapan perhitungan teknik panas.

SAYA. Definisi dasar, rumus dan persamaan

1. Campuran gas ideal

Campuran gas adalah campuran mekanis dari beberapa gas yang tidak berinteraksi secara kimia satu sama lain. Masing-masing gas dalam campuran disebut komponen gas; berperilaku seolah-olah tidak ada gas lain dalam campuran, yaitu merata ke seluruh campuran. Tekanan yang diberikan oleh masing-masing gas campuran pada dinding bejana disebut tekanan parsial. Hukum dasar untuk campuran gas ideal adalah hukum Dalton, yang menyatakan bahwa tekanan campuran sama dengan jumlah tekanan parsial gas yang membentuk campuran:

2. Energi dalam

Energi dalam tubuh merupakan kombinasi dari energi kinetik pergerakan partikel mikro yang menyusun tubuh, dan energi potensialnya. interaksi didefinisikan. kekuatan saling tarik-menarik atau tolak-menolak. Tidak mungkin untuk menentukan nilai absolut dari energi internal, oleh karena itu, dalam perhitungan termodinamika, bukan nilai absolut dari energi internal yang dihitung, tetapi perubahannya, yaitu.

atau

di mana U 1 dan U 2 - energi internal dari keadaan awal dan akhir dari fluida kerja (gas);

u 1 dan dan 2 - ketukan. energi internal keadaan awal dan akhir fluida kerja.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa perubahan energi internal tidak bergantung pada sifat dan jalur proses, tetapi ditentukan oleh keadaan fluida kerja pada awal dan akhir proses perubahan.

Fitur dari gas ideal adalah tidak adanya gaya interaksi molekul di dalamnya, dan karenanya tidak adanya energi potensial internal, mis. U n \u003d 0 dan U \u003d 0. Oleh karena itu, energi internal gas ideal:

U=U k =f(T) unu u=uk =f(T).

H.Pekerjaan gas.

Dalam termodinamika, setiap perubahan keadaan fluida kerja sebagai akibat dari pertukaran energi dengan lingkungan disebut proses. Dalam hal ini, parameter utama badan kerja diubah:

Transformasi panas menjadi kerja mekanis dikaitkan dengan proses perubahan keadaan fluida kerja. Proses perubahan wujud gas dapat berupa proses ekspansi dan kontraksi. Untuk massa gas M (kg) yang berubah-ubah, pekerjaan sama dengan:

L \u003d M l \u003d Mp (v 2 - v 1) \u003d, J

di mana l \u003d p (v 2 -v 1) J / kg adalah kerja 1 kg gas atau kerja spesifik.

4. Entalpi gas,

Entalpi adalah parameter yang mencirikan energi potensial dari hubungan fluida kerja (gas) dengan lingkungan. Entalpi dan entalpi spesifik:

Saya \u003d U + pV, J dan saya i \u003d dan + pv, J / kg.

5. Kapasitas panas.

Kapasitas panas spesifik adalah jumlah panas yang harus diberikan ke 1 kg gas untuk memanaskannya sebesar 1 ° C dalam rentang suhu tertentu.

Kapasitas panas spesifik adalah massa, volumetrik dan kilomol. Ada hubungan antara kapasitas panas massa C, volume C dan kilomol C:

;

di mana Vo 22,4 m 3 / kmol - ketukan. volume gas pada kondisi normal.

Ud massal Kapasitas panas campuran gas:

Kalor jenis volumetrik campuran gas :

Kalor jenis kilomolar campuran gas:

6. Persamaan untuk menentukan jumlah panas

Banyaknya kalor yang dilepaskan atau diserap oleh fluida kerja (gas) dapat ditentukan dengan persamaan :

Q \u003d M C m (t 2 -t 1), J atau Q \u003d VC (t-t), J, di mana M dan V adalah berat atau jumlah volume gas, kg atau m 3;

t u t - suhu gas di akhir dan di awal proses ° ;

C dan C - massa dan volume rata-rata ketukan. kapasitas panas gas

Pada t cp \u003d J / kgK atau J / m 3 K

7. Hukum pertama termodinamika

Hukum ini mempertimbangkan interkonversi panas dan kerja mekanik. Menurut hukum ini, panas diubah menjadi kerja mekanis dan sebaliknya, kerja mekanis menjadi panas dalam jumlah yang setara. Persamaan ekivalensi untuk panas dan kerja memiliki bentuk:

Dengan mempertimbangkan prinsip kesetaraan panas dan kerja, persamaan keseimbangan panas untuk massa gas yang berubah-ubah:

Q \u003d U + L dan q \u003d u + l \u003d u -u + l

Penyelesaian masalahII

Tugas #1 (#1)

Udara kering atmosfer memiliki komposisi massa perkiraan sebagai berikut: g 02 =23,2%, g N 2 =76,8%.

Tentukan komposisi volumetrik udara, konstanta gasnya, berat molekul semu, tekanan parsial oksigen dan nitrogen, jika udara P = 101325 Pa menggunakan barometer.

Saya menentukan komposisi volumetrik udara:

;

;

di mana r adalah fraksi massa;

m adalah berat molekul relatif;

g adalah fraksi volume.

m udara. =m O2 r O2 +m N2 r N2 = 32 0,209 + 28 0,7908=6,688+22,14=28,83;

;

dimana R 0 adalah konstanta gas.

Saya menentukan tekanan parsial berbagai gas:

P O 2 \u003d P cm r O2 \u003d 101325 0,209 \u003d 21176,9 (Pa);

P N 2 \u003d P cm r N 2 \u003d 101325 0,7908 \u003d 80127,81 (Pa);

dimana P O 2 , P N 2 - tekanan parsial;

P cm adalah tekanan campuran.

Tugas #2 (#2)

Bejana tersebut dibagi dengan sekat menjadi 2 bagian, yang volumenya adalah V 1 = 1,5 m 3 dan V 2 = 1,0 m 3 . Bagian pertama dari volume V 1 berisi CO 2 pada P 1 = 0,5 MPa dan t 1 = 30°C; bagian kedua dari volume V 2 berisi O 2 pada P 2 =0,2 MPa dan t 2 =57°C. Tentukan fraksi massa dan volume CO2 dan O2, berat molekul semu dari campuran dan konstanta gasnya setelah partisi dihilangkan dan proses pencampuran selesai.

Saya menentukan konstanta gas individu:

Untuk melakukan ini, saya menentukan berat molekul relatif: m (CO 2) \u003d 32 + 12 \u003d 44; m(O2)=32;

;

;

Menurut persamaan karakteristik Klaiperon, saya menentukan massa gas:

(kg);

(kg);

Saya menentukan fraksi massa:

Saya menentukan fraksi volume:

Tentukan berat molekul udara yang tampak:

m udara. \u003d m O2 r O 2 + m CO2 r CO2 \u003d 32 0,21 + 44 0,79 \u003d 6,72 + 34,74 \u003d 41,48;

Saya menentukan konstanta gas individu untuk udara (R):

;

Tugas #3 (#6)

Dalam bejana dengan volume 300 l terdapat oksigen pada tekanan P 1 \u003d 0,2 MPa dan t 1 \u003d 20 0 C. Berapa banyak panas yang harus diberikan agar suhu oksigen naik menjadi t 2 \u003d 300 0 C? Berapa tekanan yang akan terjadi di dalam bejana? Untuk perhitungan, ambil panas spesifik volumetrik rata-rata oksigen pada n.o. C 02 \u003d 0,935

Menurut hukum Charles, saya menentukan tekanan akhir dari proses:

; (Pa);

di mana P, T adalah parameter gas.

Saya menentukan konstanta gas individu untuk oksigen (R):

;

Karena prosesnya isokhorik, saya menentukan jumlah panas yang perlu disuplai sesuai dengan rumus yang sesuai: Q v \u003d M C cv (T 2 -T 1) untuk ini, menurut persamaan karakteristik Claiperon, saya menentukan massa dari gas

(kg); Q v \u003d M C cv (T 2 -T 1) \u003d 1,27 935 280 \u003d 332486 (J).

Tugas #4 (#7)

Berapa banyak panas yang harus dikeluarkan untuk memanaskan 2m 3 udara pada tekanan berlebih konstan P ex. \u003d 0,2 MPa dari suhu 100 0 C hingga suhu 500 0 C. Usaha apa yang akan dilakukan udara dalam kasus ini? Untuk perhitungan, ambil: tekanan atmosfer P di. \u003d 0,1 MPa, kapasitas panas isobarik massa rata-rata udara C pm \u003d 1,022 ; hitung konstanta gas dengan mengingat bahwa berat molekul semu udara M udara. =29.

Saya menentukan konstanta gas individu untuk udara:

;

Tekanan absolut sama dengan jumlah kelebihan dan P = P est atmosfer. + P di. =0,1+0,2=0,3 MPa

(kg);

Karena prosesnya isobarik, saya menentukan Q dan L sesuai dengan rumus yang sesuai:

menurut hukum Gay-Lussac, saya menentukan volume akhir:

m 3;

Q \u003d M C pm (T 2 -T 1) \u003d 5,56 1022 400 \u003d 2272928 (J);

L \u003d P (V 2 -V 1) \u003d 300000 2.15 \u003d 645000 (J).

Tugas #5 (#8)

Ada udara di dalam silinder pada tekanan P=0,5 MPa dan suhu t 1 =400 0 C. Panas dikeluarkan dari udara pada P=konstan sehingga pada akhir proses suhu t 2 =0 0 C adalah atur Volume silinder di mana udara V 1 \u003d 400l.

Tentukan jumlah kalor yang dipindahkan, volume akhir, perubahan energi dalam dan kerja sempurna kompresi Cpm = 1,028 .

Karena prosesnya isobarik, maka menurut hukum Gay-Lussac I menentukan volume akhir:

m 3;

Menurut persamaan karakteristik Klaiperon, saya menentukan massa gas:

Dari soal sebelumnya R=286.7 (kg);

Saya menentukan jumlah panas yang dilepaskan:

Q=M C pm (T 2 -T 1)=1,03 1028 (273-673)=-423536 (J);

Saya menentukan jumlah pekerjaan yang dihabiskan:

L=P (V 2 -V 1)= 500,000 (0,16-0,4)=-120,000 (J);

Dari persamaan yang menentukan jumlah total, saya menentukan perubahan jumlah energi internal:

; (J)

Soal #6 (#9)

Udara yang memiliki volume V 1 = 0,02 m3 pada tekanan P 1 = 1,1 MPa dan t 1 =25 s memuai di dalam silinder dengan piston yang dapat digerakkan hingga tekanan P 2 = 0,11 MPa. Tentukan volume akhir V2, suhu akhir t2, kerja yang dilakukan oleh udara, dan kalor yang disuplai, jika terjadi pemuaian dalam silinder:

a) secara isotermal

b) secara adiabatik dengan eksponen adiabatik k=1.4

c) politropik dengan indeks politropik n=1.3

Proses isotermal:

P 1 / P 2 \u003d V 2 / V 1

V 2 \u003d 0,02 1,1 / 0,11 \u003d 0,2M 3

Q=L=RMT 1 Ln(V 2 /V 1)=P 1 V 1 Ln(V 2 /V 1)=1.1 10 6 0.02Ln(0.2/0.02)=22000 J

proses adiabatik:

V 1 / V 2 \u003d (P 2 / P 1) 1 / k

V 2 \u003d V 1 / (P 2 / P 1) 1 / k \u003d 0,02 / (0,11 / 1,1) 1 / 1,4 \u003d 0,1036M 3

T 2 /T 1 \u003d (P 2 /P 1) k-1 / k

T 2 \u003d (P 2 / P 1) k-1 / k T 1 \u003d (0.11 / 1.1) 1.4-1 / 1.4 298 \u003d 20.32k

C v \u003d 727,4 J / kg k

L \u003d 1 / k-1 (P 1 V 1 -P 2 V 2) \u003d (1 / 1.4-1) (1,1 10 6 0,02 -0,11 10 6 0, 1)=2,0275 10 6 J

Proses politropik:

V 1 / V 2 \u003d (P 2 / P 1) 1 / n

V 2 \u003d V 1 / (P 2 / P 1) 1 / n \u003d 0,02 / (0,11 / 1,1) 1 / 1,3 \u003d 0,118M 3

T 2 /T 1 \u003d (P 2 /P 1) n-1 / n

T 2 \u003d (P 2 / P 1) n-1 / n T 1 \u003d (0.11 / 1.1) 1.3-1 / 1.3 298 \u003d 175k

L \u003d 1 / n-1 (P 1 V 1 -P 2 V 2) \u003d (1 / (1.3-1)) (1,1 10 6 0,02 -0,11 10 6 0,118)=30000J

Q=(k-n/k-1) l M=((1.4-1.3)/(1.4-1)) 30000=7500J

Literatur:

1. Energi, Moskow, 1975.

2. Litvin A.M. "Dasar teoretis teknik panas", penerbit "Energi", Moskow, 1969.

3. Tugunov P.I., Samsonov A.A., "Dasar-dasar teknik panas, mesin panas dan fasilitas tenaga uap", penerbit Nedra, Moskow, 1970.

4. Krutov V.I., "Rekayasa panas", penerbit "Teknik", Moskow, 1986.

Kerja Praktek No. 1

Tema: Gas ideal dan campuran gas. Kapasitas panas gas

Target: memberi siswa konsep campuran gas dan gas ideal, serta kapasitas kalor gas.

Informasi teoretis singkat

Saat menghitung gas ideal dan campuran gas, serta kapasitas panas gas, perlu untuk mengetahui dan menggunakan rumus berikut:

Persamaan keadaan untuk gas ideal:

– untuk 1 kg gas

, (1.1)

- untuk m kg gas

, (1.2)

– untuk 1 mol gas

, (1.3)

di mana adalah volume molar, m 3 /mol; adalah konstanta gas universal (molar), J/(mol K).

Konstanta gas universal = 8,314 J/(mol. KE).

Konstanta gas spesifik, J/(kg K),

, (1.4)

di mana massa molar, kg/mol

, (1.4a)

dimana adalah berat molekul relatif zat.

Suhu termodinamika, K,

, (1.5)

di mana suhu dalam derajat Celcius, 0 C

Merupakan kebiasaan untuk membawa volume gas ke apa yang disebut kondisi normal, di mana tekanan gas = 101,3 kPa, dan suhu = 0 0 C

Tekanan campuran gas

, (1.6)

di mana adalah tekanan parsial komponen.

Untuk campuran gas

, (1.7)

di mana massa komponen;

, (1.7a)

di mana adalah volume parsial (dikurangi) komponen, m 3 .

Kepadatan campuran gas

, (1.8)

di mana adalah fraksi volume komponen; adalah kerapatan komponen ini, kg/m 3 ;

, (1.8a)

di mana adalah fraksi massa komponen.

Massa molar semu dari campuran gas ideal

, (1.9)

di mana massa molar komponen;

. (1.9a)

Perbandingan antara fraksi massa dan volume

. (1.10)

Tekanan parsial komponen

. (1.11)

Kapasitas panas menentukan jumlah panas yang harus disuplai ke tubuh (ke sistem) untuk meningkatkan suhu sebesar 1 0 C (per 1 K).

Ada hubungan fungsional antara kapasitas panas ini

. (1.12)

Yang sangat penting dalam perhitungan termal adalah kapasitas panas gas dalam proses pada tekanan konstan dan volume konstan - kapasitas panas isobarik dan isokhorik, masing-masing. Mereka dihubungkan oleh persamaan Mayer:

– untuk 1 kg gas

, (1.13)

di mana dan adalah kapasitas panas spesifik isobarik dan isokhorik;

– untuk 1 mol gas

, (1.13a)

di mana dan adalah kapasitas panas molar isobarik dan isokhorik.

Rasio kapasitas panas ini disebut eksponen adiabatik

. (1.14)

Kapasitas panas rata-rata dalam kisaran suhu dari sampai biasanya dihitung sebagai

, (1.15)

di mana dan adalah kapasitas panas rata-rata dalam rentang suhu dari 0 hingga 0 dan dari 0 hingga 0 .

Kapasitas kalor campuran gas :

– spesifik

, (1.16)

di mana - kapasitas panas spesifik komponen;

– volumetrik

, (1.16a)

di mana adalah kapasitas panas volumetrik komponen;

– geraham

, (1.16b)

di mana adalah kapasitas panas molar komponen.

Pedoman untuk memecahkan masalah

Tugas nomor 1.

Kompresor memompa udara dalam jumlah 4 m 3 /menit pukul 17 0 C dan tekanan 100 kPa ke dalam tangki dengan volume 10 m 3 . Berapa lama waktu yang dibutuhkan agar tekanan di dalam tangki meningkat dari 0,1 menjadi 0,9 MPa? Saat menghitung, asumsikan bahwa suhu udara di dalam tangki tidak berubah dan sama dengan 17 0 C

Larutan

Massa udara dalam tangki pada awal operasi kompresor sesuai dengan rumus (1.2)

kg,

dimana diterima:

287 kJ/(kg . K) - konstanta gas spesifik udara (Lampiran B);

17 + 273,15 = 290,15 K - menurut persamaan (1.5).

Massa udara dalam tangki saat tekanan akhir tercapai = 0,9 MPa menurut rumus (1.2)

kg.

Kepadatan udara pada parameter awalnya sesuai dengan ketergantungan (1.1)

kg/m3.

Sesuai dengan kondisi masalah, volume aliran kompresor diatur = 4 m 3 / mnt, diperlukan untuk menentukan umpan massalnya

kg/menit.

Waktu berjalan kompresor ketika udara dipaksa masuk ke dalam tangki

menit

Menjawab: Dalam 20 menit, tekanan dalam tangki akan meningkat dari 0,1 menjadi 0,9 MPa.

Tugas nomor 2.

Tentukan kapasitas panas spesifik dan volumetrik udara dalam proses pada tekanan dan volume konstan, dengan asumsi bahwa kapasitas panas konstan. Densitas udara pada kondisi normal = 1,29 kg/m 3 .

Larutan

Kami menulis untuk udara berat molekul relatif = 28,96 (Lampiran B) dan nilai kapasitas panas molar untuk gas diatomik = 29,1 J / (mol. K) dan \u003d 20,8 J / (mol. K) (Lampiran B).

Menurut rumus (1.4a), kami menentukan:

– massa molar udara

kg/mol

Hitung dengan rumus (1.12):

– panas spesifik isobarik

J / (kg. K) \u003d 1,005 kJ / (kg. K),

– kapasitas panas volumetrik isobarik

kJ / (m 3. K),

– panas spesifik isokhorik

J / (kg K) \u003d 0,718 kJ / (kg. KE),

– kapasitas panas volumetrik isokhorik

kJ / (m 3. K).

Menjawab: Kapasitas panas spesifik adalah 0,718 kJ/(kg . K), dan kapasitas kalor volumetrik adalah 0,926 kJ / (m 3. K).

Tugas untuk solusi mandiri

Tugas nomor 1.

Temukan kerapatan karbon dioksida dalam kondisi normal.

Tugas nomor 2.

Berapa volume 100 kg nitrogen pada 70 0 C dan tekanan 0,2 MPa?

Tugas nomor 3.

Tentukan massa udara dalam auditorium dengan luas 120 m 2 dan ketinggian 3,5 m.Suhu udara di penonton adalah 18 0 C, dan tekanan barometrik adalah 100 kPa.

Tugas nomor 4.

Tentukan jumlah atom dalam molekul oksigen jika dalam volume 10 liter pada suhu 30 0 C dan tekanan 0,5 MPa adalah 63,5 g oksigen.

Tugas nomor 5.

Di dalam tangki dengan kapasitas 8 m 3 ada udara pada tekanan 10 MPa dan pada suhu 27 0 C. Setelah sebagian udara habis, tekanan turun menjadi 5 MPa, dan suhu menjadi 20 0 C. Tentukan massa udara yang digunakan.

Tugas #6

Kompresor memompa gas ke tangki 10 m 3 . Dalam hal ini, tekanan dalam reservoir meningkat dari 0,2 menjadi 0,7 MPa pada suhu gas konstan 20 0 C. Tentukan waktu operasi kompresor jika suplainya 180 m 3 /h Umpan ditentukan dalam kondisi normal.

Tugas nomor 7.

Kompresor memompa udara ke dalam tangki 7 m 3 , sedangkan tekanan di dalam tangki meningkat dari 0,1 menjadi 0,6 MPa. Suhu juga naik dari 15 menjadi 50 0 C. Tentukan waktu kerja kompresor jika alirannya 30 m 3 / jam, terkait dengan kondisi normal: 0,1 MPa dan 0 0 C

Tugas nomor 8.

Untuk menentukan panas pembakaran bahan bakar, bom kalorimetri 0,4 liter yang diisi dengan oksigen digunakan. Selama pengisian, tekanan oksigen dalam bom tercapai, sama dengan 2,2 MPa. Oksigen berasal dari silinder 6 liter. Berapa banyak muatan yang akan ada cukup oksigen di dalam silinder jika tekanan awalnya adalah 12 MPa? Saat menghitung, ambil suhu oksigen baik di dalam silinder dan saat mengisi bom sama dengan 20 0 C

Tugas nomor 9.

Memulai mesin stasioner dilakukan dengan udara terkompresi dari silinder 40 liter. 0,1 m3 udara dikonsumsi untuk 1 start 3 ditentukan dalam kondisi normal. Tentukan jumlah mesin mulai jika tekanan dalam silinder berkurang dari 2,5 menjadi 1 MPa. Ambil suhu udara sama dengan 10 0 C

Tugas nomor 10.

Produk gas dari pembakaran bahan bakar didinginkan dalam proses isobarik dari suhu ke suhu. Komposisi gas diberikan dalam fraksi volume: , dan. Tentukan jumlah kalor yang dilepaskan oleh 1 m 3 produk pembakaran. Volume ditentukan dalam kondisi normal.

Ambil data awal sesuai tabel. 1.1 tergantung pada sandi (nomor opsi). Perhitungan dilakukan dengan menggunakan kapasitas panas rata-rata.

Tabel 1.1. Data awal

pertanyaan tes

1. Berikan definisi gas ideal dan tunjukkan perbedaannya dengan gas nyata.

2. Apa perbedaan antara konstanta gas dan konstanta gas universal?

3. Apa yang disebut tekanan parsial gas dalam campuran, apakah itu ada secara fisik dan bagaimana cara menentukannya?

4. Apa yang disebut volume parsial gas dalam campuran, apakah itu ada secara fisik dan bagaimana cara menentukannya?

5. Bagaimana cara menentukan fraksi volume gas dalam campuran jika fraksi massanya diketahui?

6. Karakteristik gas ideal apa yang menentukan nilai numerik dari kapasitas panas isobarik dan isokhorik molar spesifiknya.

Kirim karya bagus Anda di basis pengetahuan sederhana. Gunakan formulir di bawah ini

Mahasiswa, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.

Di-host di http://www.allbest.ru/

Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia

Lembaga Pendidikan Anggaran Negara Federal

Pendidikan yang lebih tinggi

Universitas Teknik Negeri Volgograd

Fakultas Malam Kirov

Tugas semester tentang disiplin:

Rekayasa panas

Pada topik:

BAHAN BAKAR, CAMPURAN GAS DAN KAPASITAS PANAS

Diisi oleh: mahasiswa gr.TVB-385

Sheludchenko B.D.

Diperiksa oleh: Assoc. Goryunov V.A.

Volgograd 2015

Kondisi

pengoksidasi suhu pembakaran bahan bakar

Dalam tungku industri, bahan bakar (etanol) dibakar pada tekanan konstan. Udara digunakan sebagai oksidator pada suhu T 1 = 660K. Koefisien udara berlebih diberikan: a= 1,0 dan koefisien kesempurnaan pembakaran bahan bakar w=0,9. Tentukan nilai teoritis temperatur pembakaran maksimum Tg. Abaikan panas yang ditimbulkan oleh bahan bakar.

tab. nomor 1. Komposisi dan nilai kalori bahan bakar

tab. 2. Rumus untuk kapasitas panas massa isokhorik rata-rata (c v)

	Kapasitas panas kJ/kg*K
	0,691 + 7,1 * 10 - 5 T
	0,775 + 11,7 * 10 -5 T
	1,328 + 28,07 * 10 -5 T
	0,716 + 7,54 * 10 -5 T
	0,628 + 6,75 * 10 -5 T

tab. Nomor 3. Hasil perhitungan

Suhu pembakaran teoritis maksimum ditemukan menggunakan persamaan keseimbangan panas :

zhQ H +Q o \u003d Q p.sg.

dimana: Q o - Panas diperkenalkan oleh oksidator;

Qh - Nilai kalor bersih bahan bakar;

g - koefisien kelengkapan pembakaran bahan bakar;

Qn. Cr- Panas yang diterima oleh produk pembakaran;

Kami menemukan panas yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar (lQ h).

Dari tabel 2 diambil nilai Q h:

Q h \u003d 27100 kJ / kg

Dari tabel 1 diambil nilai w (dalam versi saya, w = 0.9)

dan*Q H \u003d 0,9 * 27100 \u003d 24390 kJ / kg

Cari panas yang disumbangkan oleh oksidator:

Q o \u003d C hal. udara *m udara* T 1

Kami menentukan kapasitas panas massa isokhorik rata-rata udara sesuai dengan rumus yang diberikan pada tabel No. 2

c v udara \u003d 0,691 + 7,1 * 10 -5 * 660 \u003d 0,73786 kJ / kg * K

Kami menghitung kapasitas panas massa isobarik rata-rata menggunakan rumus Mayer:

Av udara \u003d c v udara +R \u003d 0,73786 + 0,287 \u003d 1,02486 kJ / kg * K

Kami menentukan massa udara yang dibutuhkan secara teoritis:

m o air \u003d 2,67 * C p + 8H p - O p / 0,23 \u003d (2,67 * 0,52 + 8 * 0,13-0,35) / 0,23 \u003d (1,3884 + 1,04-0,35)/0,23=2,0784/0,23=9.0365 Kg/Kg

Tentukan massa udara sebenarnya:

m udara \u003d a * m o udara \u003d 1.0 * 9.0365 \u003d 9.0365 Kg / Kg

Tentukan Q o:

Q o \u003d C hal. udara * m udara * T 1 \u003d 1.02486 * 9.0365 * 660 \u003d 6112,36 kJ / kg

Kami menghitung panas yang diperkenalkan oleh oksidator dan bahan bakar yang terbakar:

zhQ H +Q o \u003d 24390 + 6112,36 \u003d 30502,36 kJ / kg

Kami menemukan panas produk pembakaran (Qn.Сг):

Q n . Cr \u003d C R, hal. sg * m p, sg * T 2.

a) Tentukan massa produk pembakaran:

m p, sg \u003d 1 + m udara \u003d 1 + 9.0365 \u003d 10.0365

b) Kami menghitung fraksi massa komponen dalam produk pembakaran:

g co 2 \u003d m co 2 / m p, sg \u003d 3,67 * C P / m p, sg \u003d 3,67 * 0,52 / 10.0365 \u003d 0.1901

g H 2 o \u003d m H 2 o / m p, sg \u003d 9 * H p / m p, sg \u003d 9 * 0,13 / 10.0365 \u003d 0.1166

g o2 \u003d m o2 / m p, sg \u003d 0,23 * (a-1) * m o air / m p, sg \u003d 0,23 * (1.0-1) * 9.0365 / 10.0365 \u003d 0

g N2 \u003d m N2 / m p, sg \u003d 0.77 * a * m o air / m p, sg \u003d 0.77 * 1.0 * 9.0365 / 10.0365 \u003d \u003d 0.693

c) Temukan kapasitas panas massa isobarik rata-rata dari produk pembakaran dengan menggunakan rumus:

C P, p. sg \u003d g (co 2) * C p (co 2) + g (H 2 o) * C p (H 2 O) + g (o 2) * C p (O 2) + g ( N 2) * C p (N 2) \u003d

Kami menemukan kapasitas panas isobarik dari komponen produk pembakaran:

sebuah) c v (co 2) \u003d 0,775 + 11,7 * 10 -5 * T 2

b) c v (H2 o) \u003d 1,328 + 28,07 * 10 -5 * T 2

c) c v (O 2) \u003d 0,628 + 6,75 * 10 -5 * T 2

d) c v (N 2) \u003d 0,716 + 7,54 * 10 -5 * T 2

Menggunakan rumus Mayer, kita temukan dengan p. :

1. C p (co 2) \u003d c v (co 2) + R \u003d 0,775 + 11,7 * 10 -5 * T 2 +0,189 \u003d 0,964 + 11,7 * 10 -5 * T 2

2. C p (H2O) \u003d c v (H2 o) + R \u003d 1,328 + 28,07 * 10 -5 * T 2 +0,462 \u003d 1,79 + 28,07 * 10 -5 * T 2

3. C p (O 2) \u003d c v (O 2) + R \u003d 0,628 + 6,75 * 10 -5 * T 2 + 0,260 \u003d 0,888 + 6,75 * 10 -5 * T 2

4. C p (N 2) \u003d c v (N 2) + R \u003d 0,716 + 7,54 * 10 -5 * T 2 + 0,297 \u003d 1,013 + 7,54 * 10 -5 * T 2

Jadi, kami menemukan kapasitas panas massa isobarik rata-rata dari produk pembakaran sesuai dengan rumus:

C P, p. sg \u003d g (co 2) * C p (co 2) + g (H 2 o) * C p (H 2 O) + g (o 2) * C p (O 2) + g ( N 2) * C p (N 2) \u003d 0,1901 * (0,964 + 11,7 * 10 -5 * T 2) + 0,1166 * (1,79 + 28,07 * 10 -5 * T 2) + 0 * (0,888 + 6,75 * 10 - 5 * T 2) + 0,693 * (1,013 + 7,54 * 10 -5 * T 2) \u003d 0,1832 + 2,2242 * 10 -5 * T 2 + 0,2087 + 3,2729 * 10 -5 * T 2 +0 + 0,702 + 5,2252 * 10 -5 * T 2 = 1,0939 + 10,7223 * 10 -5 * T 2 = 1,0939 + 10,7223 * 10 -5 * 3934,89 = = 1,516

Cari panas produk pembakaran Q n . SG:

Q n . Cr \u003d C R, p.sg * m p, sg * T 2 \u003d (1.0939 + 10.7223 * 10 -5 * T 2) * 10.0365 * T 2

Menggunakan persamaan keseimbangan panas, kami menentukan suhu pembakaran teoritis maksimum (T 2):

danQ h= Q n . SG

24390=(1,0939+10,7223*10 -5 *T 2) *10.0365*T 2 kita potong kedua sisinya dengan 10.0365:

10.7223*10 -5 *(T 2) 2 +1.09369*T 2 - 2430.13=0

1,09369 + 1,495/0,000214=1875 K

Diselenggarakan di Allbest.ru

Dokumen serupa

Penentuan massa, volume, dan kapasitas panas molar campuran gas. Perhitungan koefisien perpindahan panas konvektif dan konvektif aliran panas dari pipa ke udara di garasi. Perhitungan menurut rumus D.I. Mendeleev dari nilai kalori bahan bakar terendah dan tertinggi.

tes, ditambahkan 01/11/2015


Campuran gas, kapasitas panas. Perhitungan molar rata-rata dan kapasitas panas spesifik. Siklus mesin dasar pembakaran internal. Koefisien termal tindakan yang bermanfaat siklus diesel. Uap air, pembangkit listrik tenaga uap. Konsep umum siklus Rankine.

makalah, ditambahkan 11/01/2012


Panas spesifik- perbandingan panas yang diterima oleh satu satuan jumlah zat terhadap perubahan suhu. Ketergantungan jumlah panas pada sifat proses, dan kapasitas panas - pada kondisi jalannya. Proses termodinamika dengan gas ideal.

abstrak, ditambahkan 25/01/2009


Penentuan nilai kalor untuk bahan bakar gas sebagai jumlah produk dari efek termal komponen gas yang mudah terbakar dengan kuantitasnya. Secara teoritis diperlukan aliran udara untuk pembakaran gas alam. Penentuan volume produk pembakaran.

tes, ditambahkan 17/11/2010


Massa molar dan kapasitas panas massa campuran gas. Proses keadaan adiabatik. Parameter benda kerja pada titik-titik siklus. Pengaruh rasio kompresi, peningkatan tekanan dan ekspansi isobarik pada efisiensi termal siklus. Proses pemindahan panas di sepanjang isochore.

makalah, ditambahkan 03/07/2010


Penentuan aliran udara dan jumlah produk pembakaran. Perhitungan komposisi debu batubara dan koefisien udara berlebih selama sintering bauksit di rotary kiln. Menggunakan rumus semi empiris Mendeleev untuk menghitung panas pembakaran bahan bakar.

tes, ditambahkan 20/02/2014


Metode untuk menghitung pembakaran bahan bakar di udara: menentukan jumlah oksigen di udara, produk pembakaran, nilai kalori bahan bakar, kalorimetri dan suhu pembakaran aktual. Pembakaran bahan bakar di udara yang diperkaya dengan oksigen.

makalah, ditambahkan 12/08/2011


Termodinamika sebagai cabang ilmu fisika yang mempelajari proses perubahan kalor menjadi usaha dan jenis energi lainnya. Karakterisasi fitur utama dari sirkuit termometer gas. Pertimbangan sifat dasar gas ideal. Inti dari konsep "kapasitas panas".

presentasi, ditambahkan 15/04/2014


Deskripsi unit boiler sebelum beralih ke bahan bakar jenis lain. Karakteristik pembakar yang diterima untuk pemasangan. Pembenaran suhu gas buang. Perhitungan volume udara dan produk pembakaran selama pembakaran dua jenis bahan bakar. Keseimbangan panas dan konsumsi bahan bakar.

tesis, ditambahkan 13/06/2015


Tujuan pengering terowongan. Komposisi bahan bakar dan perhitungan udara untuk pembakaran. Penentuan volume total produk pembakaran selama pembakaran bahan bakar dan suhu teoritis. Perhitungan teknologi terowongan pengeringan. Perhitungan termoteknik dari proses pengeringan.