background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

BILANS ENERGII 

 

POJĘCIA PODSTAWOWE  

 

UK

ŁAD TERMODYNAMICZNY 

Przystępując do badania dowolnego zjawiska fizycznego należy dokładnie określić 

przedmiot badań. W tym celu wyodrębnia się z otaczającej rzeczywistości obiekt – ciało 

fizyczne i nazywa go układem fizycznym. Układ fizyczny wyodrębniony do rozważań cieplnych 

nazwano układem termodynamicznym. 

Układ termodynamiczny jest to część przestrzeni wyodrębniona za pomocą abstrakcyjnej 

(pomyślanej) osłony nazywanej osłoną bilansową, ze względu na jej zastosowanie przy 

sporządzaniu bilansów substancji i energii. Wielkość i kształt przestrzeni ograniczonej osłoną 

bilansową może ulegać zmianie, a ponadto rozpatrywany układ może zmieniać swoje 

położenie. Przestrzeń poza wyodrębnionym układem jest jego otoczeniem. 

Układ termodynamiczny może być zamknięty, otwarty lub odosobniony. 

Układ termodynamiczny jest zamknięty, jeśli nie dopływa do niego ani z niego nie odpływa 

materia. 

Układ termodynamiczny jest otwarty, jeśli przez osłonę bilansową przepływa materia. 

Wówczas ilość materii zawartej wewnątrz osłony bilansowej jest w zasadzie zmienna. Ilość 

materii dopływającej do układu otwartego może być jednak równa ilości materii odpływającej.  

Układ termodynamiczny jest odosobniony, jeśli nie występuje przekazywanie materii 

energii przez osłonę bilansową. 

Przykłady: 

A

. Układ zamknięty 

 

a)  

 

 

 

b) 

 

 

 

 

 

a) W strumieniu przepływającego płynu została myślowo wydzielona jego część za pomocą 

ścianki abstrakcyjnej. Jeśli ta wydzielona część będzie zawierała stale te same cząsteczki 

płynu i będzie poruszać się wraz z płynem, to rozpatrywany układ będzie układem 

zamkniętym. 

Ścianki  
abstrakcyjne 

Ścianka materialna 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

b) Układ ten stanowi masa płynu, zamknięta w cylindrze z tłokiem, przy czym zarówno tłok jak 

cylinder nie pozwalają na przepływ substancji. Układ jest ograniczony ściankami 

materialnymi i stanowi układ zamknięty. 

 

B. Układ otwarty 

 

 

 

 

W strumieniu przepływającego płynu została wydzielona pewna objętość dwoma 

abstrakcyjnymi, nieruchomymi powierzchniami. Przez te powierzchnie, a więc przez granice 

układu, może dopływać i odpływać substancja materialna. Układ jest otwarty. 

 

PARAMETRY STANU UKŁADU 

Stan układu określają parametry stanu. Są to takie wielkości fizyczne dotyczące danego 

układu, których wartość można kreślić na podstawie pomiaru.  

O tym czy dana w

ielkość fizyczna jest parametrem stanu czy nie, rozstrzyga to, czy jej przyrost 

przy prz

ejściu z jednego stanu układu do drugiego zależy wyłącznie od tych stanów czy od 

sposobu przejścia układu od stanu pierwszego do drugiego. 

Parametrem stanu jest wielkość fizyczna, której przyrost zależy wyłącznie od stanów układu 

(np. ciśnienie i temperatura).  

Wielkość fizyczna, której przyrost zależy od sposobu przejścia z jednego stanu do drugiego nie 

jest parametrem stanu (np. praca i ciepło). 

 

ENERGIA WEWNĘTRZNA 

Tra

ktując substancję materialną jako zbiór cząsteczek i atomów, można stwierdzić, że 

każda z tych cząsteczek ma swoją energię; energie te przy makroskopowym traktowaniu 

układu sumują się. Przy takim sumowaniu należy także brać pod uwagę energię wzajemnego 

odd

ziaływania cząstek. Ponieważ prawo zachowania energii obowiązuje w odniesieniu do 

każdej cząsteczki, zatem z makroskopowego punktu widzenia układ ma pewną energię 

podlegającą prawu zachowania. 

Energią wewnętrzną układu nazywa się całkowitą jego energię odniesioną do układu osi 

współrzędnych, mających początek w środku masy układu i umieszczonych tak, że energia 

ewentualnego ruchu obrotowego układu jest równa zeru. Energia wewnętrzna jest oznaczana 

literą U. 

Powierzchnie 
abstrakcyjne 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

Energia wewnętrzna jest oczywiście parametrem stanu, gdyż zależy jedynie od stanu 

czynnika. Jest ona ponadto parametrem ekstensywnym, gdyż jej wartość zależy od masy 

czynnika. Energia wewnętrzna odniesiona do jednostki masy (ilości substancji) oznaczana 

będzie literą u, a więc: 

i bywa nazywana energią wewnętrzną właściwą. 

Na energię wewnętrzną ciała składają się, odniesione do środka masy ciała: 

energia ruchu postępowego cząsteczek, 

energia ruchu obrotowego cząsteczek, 

energia ruchu drgającego atomów w cząsteczkach, 

energia potencjalna sił międzycząsteczkowych, 

energia stanów elektronowych w atomach, 

energia chemiczna związana z możliwością zmian budowy jąder atomów. 

Nie wlicza się do energii wewnętrznej ciała jego energii mechanicznej kinetycznej 

potencjalnej, które są równe zeru, gdy układ współrzędnych znajduje się w środku masy 

ciała i porusza się wraz z ciałem. Energia wewnętrzna ciała jest więc równa różnicy między 

energią całkowitą a zewnętrzną energią mechaniczną. W termodynamice rozpatruje się 

reguły wartości energii wewnętrznej ponad stan odniesienia przyjęty umownie za zerowy 

lub przyrosty energii wewnętrznej.  

Z energią wewnętrzną gazu doskonałego jest związane prawo Joule'a i Thomsona, które 

brzmi następująco: „Energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury 

może być zmieniona przez izochoryczny wkład ciepła.” 

Wyrażane jest to następująco: 

w odniesieniu do M kg gazu 

U = M c

v

(T

2

 

– T

1

) = Q

1,2

  [J] 

w odniesieniu do 1 kg gazu 

u = c

v

(T

2

 

– T

1

) = q

1,2

  [J/kg] 

 

 

PRACA ABSOLUTNA

 

Wzajemne oddziaływania układu i otoczenia lub dwóch układów między sobą polegają 

przede wszystkim na działaniach energetycznych, stanowiących wymianę energii między nimi. 

Dla układów zamkniętych można te oddziaływania podzielić na dwa rodzaje, a mianowicie 

pracę i ciepło. Praca jest to oddziaływanie energetyczne, występujące między dwoma układami 

M

U

u

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

zamkniętymi (z których jednym może być otoczenie) i polegające na zmianie ich energii, takie, 

że zmiana energii każdego ze współdziałających układów może być sprowadzona wyłącznie do 

zmiany energii potencjalnej jak

iegoś innego układu zewnętrznego zarówno przy danym 

kierunku przemiany jak i przy jej przebiegu w kierunku przeciwnym. 

Definicja ta oznacza, że praca może być całkowicie zamieniona na potencjalną energię 

mechaniczną jakiegoś układu i odwrotnie może być wykonana kosztem spadku tej energii. 

W większości przypadków praca daje przedstawić się w postaci działania siły na pewnej 

drodze, to znaczy: 

Pds

L

 

W przypadku mającym duże znaczenie praktyczne, gdy siła jest wywołana ciśnieniem 

czynnika, w

ykonanie pracy jest związane ze zmianą objętości układu. Ma to miejsce 

układzie składającym się z cylindra i tłoka, mogącego przesuwać się bez tarcia (układ 

zamknięty). 

 

 

 

 

 

 

Oznaczenia na rysunku: p 

– ciśnienie gazu w cylindrze, P – siła nacisku gazu na tłok, F - pole 

powierzchni tłoka, ds – elementarne przesunięcie tłoka. 

 

Jeśli tłok przesunie się o elementarną długość ds, przy czym ciśnienie można traktować 

wówczas jako stałe, to praca wykonana przy takim przesunięciu wynosi: 

dL = P  ds = p F  ds = p   dV, 

gdzie: 

– ciśnienie gazu w cylindrze, 

pole powierzchni tłok

a, 

P = p F 

– siła działającą na tłok (siła nacisku gazu na tłok). 

Po zakończonym przesunięciu tłoka praca wyrazi się zależnością: 

w odniesieniu zaś do jednostki masy czynnika: 

 

gdzie: v = V/M - 

objętość właściwa czynnika, czyli objętość zajmowana prze jednostkę masy. 

2

1

,

dV

p

L

2

1

,

dv

p

l

ds 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

Obliczona praca jest pracą mechaniczną, która ma bardzo duże znaczenie, szczególnie 

zagadnieniach związanych z pracą silników cieplnych. 

Praca mechaniczna  

 

nazywa się pracą zewnętrzną lub pracą absolutną (oznaczana L

a

), przy czym stosuje się 

umowę, że praca wykonana przez układ ma znak dodatni, wykonana zaś przez otoczenie nad 

układem jest ujemna

Należy zwrócić uwagę na fakt, że praca nie jest parametrem stanu, gdyż zależy nie tylko od 

stanu początkowego i końcowego przemiany, lecz i od drogi tej przemiany, to znaczy od 

kolejności zmian stanów między punktem początkowym i końcowym. Matematycznie oznacza 

to, że wyrażenie dL nie jest różniczką zupełną funkcji L, lecz stanowi bardzo małą elementarną 

pracę wykonaną przy bardzo małej zmianie objętości układu. 

 

 

    

 

Na wykresie p-

v praca zewnętrzna (absolutna) wyraża się polem pod krzywą przemiany, 

opartym na osi v.  

Praca absolutna przemiany 1-2 przedstawionej na rysunku pow

yżej ma znak „+” gdyż układ 

oddaje pracę (czynnik wykonuje pracę). 

Należy zwrócić uwagę na fakt, że praca zewnętrzna stanowi pracę, jaką można otrzymać 

układu lub, jaką należy do niego doprowadzić w przypadku, gdy układ zamknięty zmienił 

swoją objętość - jest to praca jednorazowego rozprężania lub sprężania czynnika w układzie 

zamkniętym. 

 

 

CIEPŁO 

Ciepło jest formą przekazywania energii inną niż praca i jest oznaczane literą Q lub 

w odniesieniu do jednostki masy substancji 

– literą q. Przekazywanie energii w postaci ciepła 

jednego układu do drugiego może występować wówczas, gdy temperatury tych układów 

różnią się między sobą.  

2

1

dV

p

L

2

1

2

,

1

dV

p

L

a

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

Podobnie jak praca, ciepło nie jest parametrem stanu, gdyż zależy od stanu początkowego 

końcowego oraz od drogi przemiany. W rozważaniach dotyczących silników cieplnych 

przyjmuje się zwykle, że ciepło dopływające z zewnątrz do układu (pochłonięte przez układ) ma 

znak dodatni, a ciepło oddane przez układ jest ujemne. 

Ciepło pochłonięte przez ciało w zakresie temperatur od t

1

 do t

2

 

można zapisać wzorem: 

)

(

1

2

2

1

t

t

c

M

Q

 [J] 

lub w odniesieniu do 1 kg masy 

ciała: 

)

(

1

2

2

1

t

t

c

q

 [J/kg] 

gdzie: M [kg] 

– masa ciała, 

c [J/(kg∙K)] – pojemność cieplna właściwa (ciepło właściwe). 

Ciepło właściwe zależy od rodzaju ciała i od warunków ogrzewania ciała. Np. podczas 

ogrzewania przy 

stałym ciśnieniu gazy doskonałe pochłaniają inną ilość ciepła niż podczas 

ogrzewania 

przy stałej objętości. W przypadku gazów półdoskonałych i rzeczywistych ciepło 

właściwe zależy również od zakresu temperatur t

1

 i t

2

 

PRACA TECHNICZNA 

Duże znaczenie praktyczne w zastosowaniach technicznych mają przemiany zachodzące 

układach otwartych, w których występuje stały i ustalony przepływ czynnika przez układ. 

Zachodzą one np. w silnikach cieplnych i maszynach roboczych, takich jak sprężarki i turbiny, 

przy czym przemiany te zwykle są połączone z wykonaniem pracy. 

Do pojęcia pracy technicznej dochodzi się rozpatrując idealną sprężarkę tłokową, której 

zadaniem jest pobranie czynnika o ciśnieniu p

1

 

– mniejszym, i dostarczenie tego czynnika do 

przestrzeni o ciśnieniu p

2

 

– większym. 

Sprężarka ma dwa samoczynne zawory: dolotowy i wylotowy. W chwili, gdy tłok znajduje 

się w górnym martwym położeniu otwiera się zawór dolotowy i rozpoczyna się napełnianie 

cylindra sprężarki. W miarę przesuwania się tłoka w prawo do cylindra dopływa czynnik roboczy 

ciśnieniu p

1

, gdyż doskonale działający zawór dolotowy nie stawia oporu przy przepływie. Po 

zakończeniu napełniania – tłok znajduje się w dolnym martwym położeniu – zawór dolotowy 

zamyka się i w układzie zamkniętym (zawór wylotowy też jest zamknięty, ponieważ ciśnienie 

cylindrze jest mniejsze od ciśnienia p

2

) odbywa się sprężanie czynnika. Ciśnienie czynnika 

rośnie do wartości p

(wartość ciśnienia w zbiorniku), otwiera się zawór wylotowy i następuje 

wytłaczanie czynnika do momentu, w którym tłok znajdzie się w górnym martwym położeniu. 

Całkowita praca wykonana w układzie będzie składała się z trzech następujących pozycji: 

a)  praca wy

konana przez gaz wchodzący do układu (dodatnia) 

p

1

V

1

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

 

 

 

b) 

praca (ujemna), jaka musi być doprowadzona do gazu uchodzącego z układu, aby go 

usunąć z układu, i która jest równa 

- p

V

2

c) 

praca zewnętrzna (absolutna) związana ze zmianą objętości (praca sprężania, ujemna) 

Suma tych trzech pozycji nosi nazwę pracy technicznej i jest równa: 

Ostatecznie:

 

 

lub w odniesieniu do 1 kg czynnika: 

2

1

2

,

1

dp

V

L

t

2

1

.

dV

p

L

2

1

2

1

2

1

2

1

2

2

1

1

2

,

1

)

(

)

(

dp

V

dV

p

dV

p

dV

p

pV

d

dV

p

V

p

V

p

L

t

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

Na wykresie p-

v praca techniczna wyraża się polem zawartym pomiędzy krzywą przemiany, 

osią p oraz liniami poziomymi, przeprowadzonymi z punktu początkowego i końcowego 

przemiany. 

 

 

 

 

 

Znak minus przed całką wynika stąd, że zgodnie z przyjętą umową praca jest dodatnia 

wówczas, gdy jest wykonana przez czynnik (ciśnienie spada). Przy rozprężaniu czynnik 

wykonuje pracę, lecz wówczas znak różniczki ciśnienia jest ujemny, aby więc wartość pracy 

była dodatnia, musi być dodany znak minus w wyrażeniu na pracę techniczną. 

Dla układu zamkniętego praca techniczna jest wielkością matematyczną nie mającą interpretacji 

fizycznej, ma natomiast interpretację fizyczną dla układu przepływowego w stanie ustalonym.” – Stefan 

Wiśniewski, Termodynamika techniczna, str.32.  

 

 

ENTALPIA  

Energia wewnętrzna U jest wielkością wystarczająco określającą energię ciała w stosunku 

do próżni. Natomiast w przypadku ciała zanurzonego w polu sił zewnętrznych o zmiennym 

natężeniu, to pojęcie energii wewnętrznej jest niewystarczające. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

2

,

1

.

dp

v

l

t

2

1

2

,

1

dp

v

l

t

F

próżnia 

p

1

, v

1

, T

1

, u

1

 

V =   [m

3

M =   [kg] 

p

1

 

A[m

2

1 kg 

u

 

p

1

, T

1

, v

1

 

[m] 

A [m

2

Rys. 1 

Rys. 2 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

Weźmy 1 kg dowolnego czynnika gazowego, którego parametry stanu wynoszą p

1

, v

1

, T

1

, a tym 

samym o określonej energii wewnętrznej u

1

 = c

v

.

T

1

 

[kJ/kg]. Niech ten 1 kg gazu będzie 

opakowany w rodzaj puszki (rys. 1) o przekroju poprzecznym A [m

2

] i długości  x. [m]. 

Pominiemy grubość materiału, z którego jest zrobiona puszka. Początkowo puszka 

czynnikiem znajduje się w próżni i gdy założymy, że energia próżni jest równa zeru, to energia 

czynnika w puszce będzie energią absolutną. Spróbujmy przenieść naszą puszkę z próżni do 

przestrzeni wypełnionej tym samym gazem, o tym samym ciśnieniu p

1, 

objętości jednostkowej 

v

1

, temperaturze T

1

 

i energii wewnętrznej u

1

; przestrzeń tę wyobrazimy sobie w postaci 

zbiornika o nieograniczenie wielkiej pojemności (rys. 2). Niech zbiornik ma otwór doskonale 

dopasowany do przekroju A puszki. Jeśli przyłożymy puszkę do otworu, to będzie ona poddana 

działaniu siły ciśnienia absolutnego p

1

 

[Pa] w zbiorniku względem próżni na powierzchni A, 

więc musimy ją trzymać siłą: 

F

1

 = p

1

A [N] 

Wciskając do zbiornika puszkę na jej długości  x wykonujemy wkład pracy: 

F

1

x = p

1

A x = p

1

v

1

   [J/kg], 

bo objętość puszki A x [m

3

] odnosi się do 1 kg gazu. 

Po wtłoczeniu puszki do wnętrza zbiornika i zasklepieniu otworu, możemy usunąć 

wepchniętego gazu powłokę wyobrażalnej puszki, bo wprowadzony gaz nie będzie się niczym 

różnił od reszty zawartości zbiornika. 

Prz

ekonujemy się, że czynnik w polu zewnętrznego ciśnienia, prócz energii wewnętrznej 

u

1

 

[J/kg] (absolutnej), musi posiadać jeszcze energię umieszczenia p

1

v

1

 

[J/kg]. Sumą tych 

energii jest entalpia statyczna i

1

i

1

 = u

1

 + p

1

v

1

 [J/kg], 

a ponieważ stan 1 został obrany dowolnie, więc możemy ogólnie napisać: 

i = u + p v. 

 

 

 

 

 

(1) 

Mamy dane, że u = c

v

T oraz równanie stanu p v = R T, więc: 

i = c

v

T + R T = (c

v

 + R) T = c

p

T   

 

 

(2) 

Entalpia statyczna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury. Podsumowując: 

w pr

zypadku, gdy czynnik przepływa z obszaru o ciśnieniu mniejszym do przestrzeni 

ciśnieniu większym, nie wystarcza tylko zwiększenie energii wewnętrznej czynnika  u, 

ale należy czynnikowi nadać przyrost energii umieszczenia  (p v): 

i =  u +  (p v) 

Entalpię gazów doskonałych można obliczyć korzystając z definicji entalpii: 

i = u + p  v 

Ponieważ :  

u = c

v

  T 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

10 

p   v = R   T 

to w odniesieniu do 1 kg czynnika: 

i = c

v

  T + R T = (c

v

 + R)  T = c

p

  T  [J/kg] 

Entalpia gazu doskonałego zależy tylko od temperatury – dlatego jest parametrem stanu. 

Entalpia dowolnej masy M gazu wynosi: 

I = M  i = M  c

p

  T  [J] 

Przyrost etalpii wynosi: 

w odniesieniu do M kg gazu 

I = M

.

c

p

.

(T

2

 – T

1

)    [J] 

w odniesieniu do 1 kg gazu 

i = c

p

.

(T

2

 

– T

1

)     [J/kg] 

 

 

BILANS ENERGII 

– PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI 

Bilans energii wynika z zasady zachowania energii i jest podstawowym narzędziem 

rozwiązywania zagadnień termodynamiki technicznej. Bilans ten sporządza się dla układu 

termodynamicznego wyodrębnionego osłoną bilansową. 

 

 

Z energii dopro

wadzonej do układu wyodrębnionego osłoną bilansową część pozostaje 

układzie, reszta zaś z układu wypływa. 

Równanie bilansu energii można zapisać następująco: 

w

u

d

E

E

E

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie: E

d

 

– energia doprowadzona do układu, 

E

w

 

– energia wyprowadzona z układu, 

ΔE

u

 

– przyrost energii układu. 

W technice cieplnej dużą rolę odgrywają urządzenia (układy) działające w sposób ciągły 

(np. kocioł, turbina) lub okresowy (np. silnik spalinowy). Jeżeli układ działa w sposób ustalony, 

tzn. jeżeli jego parametry stanu nie zmieniają się w sposób okresowy i po skończonej liczbie 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

11 

okresów wracają do wartości początkowej, to bilans energii odniesiony do jednostki czasu 

wyraża równanie:  

w

d

E

E

 

 

 

 

 

 

(2) 

Jeżeli układ znajduje się w stanie ustalonym, to energia doprowadzona równa się energii 

wyprowadzonej. 

Energia układu odosobnionego jest niezmienna: 

.

0

const

E

E

u

u

 

Zastosowanie równania bilansu energii (1) do przemian termodynamicznych prowadzi do 

zależności nazywanych pierwszą zasadą termodynamiki. Z równania (2) wynika, że np. silnik, tj. 

maszyna wykonująca w sposób ciągły pracę 

0

w

E

, nie może działać bez zasilania energią 

0

d

E

. Stąd wynika następujące sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki

„Jest rzeczą niemożliwą skonstruowanie perpetuum mobile pierwszego rodzaju, tj. 

silnika pracującego bez zasilania energią z zewnątrz.” 

Ogólnie można stwierdzić, że oddziaływania energetyczne zachodzące między układem 

zamkniętym a otoczeniem, mogą zachodzić w dwojaki sposób; to znaczy energia może być 

wymieniana w postaci pracy lub ciepła. W wyniku tych oddziaływań ulega zmianie energia 

układu, zmniejszając się lub powiększając. 

Po zastosowaniu równania bilansu energii w postaci: 

w

u

d

E

E

E

 

do czynnika zawartego w układzie zamkniętym, dochodzi się do wniosku, że ciepło 

doprowadzone do czynnika ze źródła zewnętrznego jest zużywane na wykonanie pracy 

bezwzględnej i na przyrost energii wewnętrznej czynnika: 

2

1

1

2

2

1

L

U

U

Q

 

Pow

yższe równanie jest matematycznym wyrażeniem pierwszej zasady termodynamiki 

jest słuszne dla każdej dowolnej przemiany termodynamicznej zachodzącej w układzie 

zamkniętym. 

Inny zapis tego równania: 

2

1

2

1

1

2

L

Q

U

U

 

układzie zamkniętym zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie algebraicznej pracy 

bezwzględnej oraz ciepła wymienionego z otoczeniem, o ile nie występuje zmiana energii 

kinetycznej oraz energii położenia układu. 

 

Dla układu otwartego pierwsza zasada termodynamiki ma postać: 

I

2

 – I

1

 = Q

1,2

 – L

t1,2 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

12 

albo w odniesieniu do 1 kg przepływającego czynnika  

i

2

 – i

2

 = q

1,2

 – l

t1,2

Można więc stwierdzić, że entalpia może być zmieniona przez wkład ciepła i wkład pracy 

technicznej, każdego z osobna lub równocześnie. 

 
„Dla układów zamkniętych równanie: 

I

2

 – I

1

 = Q

1,2

 – L

t1,2 

ma znaczenie tylko matematyczne.” – Jan Szargut, Termodynamika, str. 46. 

 

 

ZADANIA 

Zadanie 1. 

W cylindrze z ruchomym tłokiem znajduje się azot. Parametry początkowe gazu wynoszą: 

p

= 0,17 MPa, t

1

 = 127

C, a objętość początkowa cylindra wynosi 2 m

3

. Gaz ogrzano 

doprowadzając izobarycznie ciepło w ilości Q = 100 kJ. Obliczyć parametry końcowe gazu 

cylindrze, przyrost energii wewnętrznej i enatalpii oraz pracę absolutna i techniczną. 

Odp.: p

2

 = 0,17 MPa, V

2

 = 2,169 m

3

, T

2

 = 434 K,  U = 71,27 kJ,  I = 100 kJ, L

t1,2

 = 0, 

L

a1,2

 = 28,73 kJ 

 

Zadanie 2. 

Do 0,6 kg azotu zamkniętego w cylindrze z ruchomym tłokiem doprowadzono ciepło 

q = 

220kJ/kg. Jednocześnie układ wykonał pracę L

a

 

= 150 kJ. Obliczyć przyrost temperatury 

gazu w cylindrze. 

Temperatura początkowa t

1

 = 100 C. 

Odp.:  T = -40K 

 

Zadanie 3. 

 

Do jakiej temperatury należy podgrzać 1 kg azotu, który w zbiorniku o stałej objętości ma 

parametry początkowe p

1

 = 0,1 MPa, t

1

 = 17

C, aby ciśnienie wzrosło do p

2

 = 0,4 MPa ? 

Obliczyć zmianę energii wewnętrznej, entalpii, doprowadzone ciepło oraz pracę absolutną 

techniczną. 

Odp.:  U = 646 kJ,  I = 904 kJ, L

a1,2

 = 0,  L

t1,2

 = -258,4 J 

 

Zadanie 4. 

Roztwór gazów doskonałych dla którego k = c

p

/c

v

 

= 1,5 podlega w układzie zamkniętym 

przemianie b

ez tarcia, opisanej prostoliniową zależnością p(V). Parametry gazu wynoszą:  

p

= 0,5 MPa, V

1

 = 0,1 m

3

, p

2

 = 0,2 MPa, V

2

 = 0,5 m

3

. Obliczyć ilość doprowadzonego ciepła. 

Odp.: Q = 240 kJ 

 

background image

Bilans energii 

Opracowanie: Ewa Fudalej-Kostrzewa 

13 

Zadanie 5. 

W pojemniku o objętości 11 m

3

 

znajduje się 28 kg azotu N

2

 

pod ciśnieniem 0,35 MPa. W drugim 

pojemniku znajduje się 5 kg wodoru H

2

 

pod ciśnieniem 0,6 MPa i w temperaturze 350 K. 

Obliczyć parametry stanu mieszaniny oraz energię wewnętrzną (w odniesieniu do 0 K) po 

połączeniu obu pojemników. 

Odp.: T = 381 K, p = 0,48 MPa, U

0K

 = 27,82 MJ 

 

Zadanie 6. 

Skład kilogramowy roztworu gazów doskonałych jest następujący: azot N

2

 

– g

1

=0,32, tlen O

2

 

– 

g

2

 =0,18, hel He 

– g

3

 

= 0,50. Roztwór ten jest przechowywany w zbiorniku o objętości  

V = 25,6 m

3

, którym panuje ciśnienie p

1

=32,18 bar w temperaturze T

1

=295K. Do zbiornika 

doprowadzono rurociągiem V

2

= 15 m

N

3

 tlenu O

2

 o temperaturze T

2

=283 

K. Obliczyć udziału 

molowe składników roztworu oraz ciśnienie w zbiorniku po doprowadzeniu tlenu. 

Odp.:z

N2

=0,0787, z

O2

=0,0583, z

N2

=0,863, p=3,31 MPa.