background image

 

Zadanie 1.10 

 

W  celu  wyznaczenia  zasobu  objętości  V

r

  rurociągu  połączono  go  ze  zbiornikiem  o  zasobie 

objętości  V

z

=5[m

3

].  Zbiornik  przed  połączeniem  z  rurociągiem  zawierał  powietrze  o 

parametrach stanu p

z1

=0,6[MPa], t

z1

=20[

0

C], w rurociągu zaś parametry stanu powietrza były 

odpowiednio  równe  p

r1

=0,1[MPa],  t

r1

=15[

0

C].  Po  połączeniu  i  wyrównaniu  temperatur  oraz 

ciśnień  w  układzie  zbiornik-rurociąg  zmierzono  wartości  ciśnienia  p

r2

=0,22[MPa]  i 

t

r2

=16[

0

C]. Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość zasobu objętości rurociągu V

r. 

 

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

Dane:   

 

 

 

 

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość: 

V

z

=5[m

3

 

 

 

 

V

p

z1

=0,6[MPa] 

t

z1

=20[

0

C] 

p

r1

=0,1[MPa] 

t

r1

=15[

0

C] 

p

r2

=0,22[MPa] 

t

r2

=16[

0

C]. 

 

 

1.  Ilustracja układu zbiornik-rurociąg przed i po ich połączeniu.  

 

 

 

 

 

 

2.  Wyznaczenie zasobu masy gazu w zbiorniku przed połączeniem go z rurociągiem.  

Z równania stanu gazu doskonałego Clapeyrona 

 

p

z1

V

z

=m

z1

RT

z1 

 

 

V=V

z

 +V

p

r2

= p

z2

 

t

r2

= t

z2

 

V

p

z1

, t

z1

, V

p

r1

, t

r1

, V

background image

wyznaczono zasób masy gazu w zbiorniku 

m

z1

=

1

1

z

z

z

RT

V

P

 

3.  Wyznaczenie zasobu masy gazu w zbiorniku po połączeniu go z rurociągiem. 

Z równania stanu gazu doskonałego Clapeyrona po wyrównaniu się temperatur i 

ciśnień w zbiorniku i rurociągu. 

 

p

r2

V

z

=m

z2

RT

r2

   

 

wyznaczono zasób masy gazu w zbiorniku. 

m

z2

=

2

2

r

z

r

RT

V

p

 

4.  Wyznaczenie przyrostu zasobu masy gazu w zbiorniku. 

Odejmując zasoby mas powietrza wzbiorniku przed i po połączeniu z rurociągiem 

wyznaczono przyrost zasobu masy powietrza w zbiorniku. 

 

∆ m

z

=m

z1

-m

z2

=



2

2

1

1

r

r

z

z

z

T

p

T

p

R

V

 

5.  Wyznaczenie zasobu masy gazu w rurociągu przed dopływem gazu ze zbiornika. 

 

 

Dzieląc stronami równanie stanu gazu doskonałego Clapeyrona dla rurociągu przed 

dopływem gazu ze zbiornika. 

 

 

p

r1

V

r

=m

r1

RT

r1 

i  po dopływie gazu ze zbiornika. 

 

p

r2

V

r

=(m

r1

+∆m

z

)RT

r2 

 

otrzymano związek 

 

2

1

1

1

2

1

)

(

r

z

r

r

r

r

r

T

m

m

T

m

p

p

 

 

background image

z którego wyznaczono zasób masy gazu w rurociągu przed dopływem gazu ze 

zbiornika . 

m

r1=

1

2

2

1

2

1

2

1

1

r

r

r

r

r

z

r

z

r

p

T

p

T

R

p

T

T

p

p





V

 

6.  Wyznaczanie zasobu objętości rurociągu.  

Zasób objętości rurociągu wyznaczono z równania stanu gazu doskonałego 

Clapeyrona przed dopływem powietrza ze zbiornika. 

V

r

=

1

2

2

1

2

1

2

1

1

1

1

1

r

r

r

r

r

z

r

z

r

z

r

r

r

p

T

p

T

p

T

T

p

T

V

p

RT

m





 

 

7.  Rachunek mian dla zasobu objętości rurociągu. 

 

[V

r

]=

3

3

)

(

)

(

m

KPa

KPa

Pa

Pa

K

m

 

 

8.  Obliczenie wartości zasobu objętości rurociągu. 

 

V

r

=





1

2

2

1

2

1

2

1

1

1

1

1

r

r

r

r

r

z

r

z

r

z

r

r

r

p

T

p

T

p

T

T

p

T

V

p

RT

m

452

,

15

10

)

1

,

0

)

15

,

273

16

(

22

,

0

)

15

,

273

15

((

10

22

,

0

15

,

273

20

15

,

273

16

6

,

0

)

15

,

273

15

(

5

6

6



[m

3

 

 

Zadanie 1.11 

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość promienia cząsteczki tlenu O

2

 przy założeniu, że 

ma ona kształt kulisty i wiedząc że wartość molowej współobjętości  

(objętości wyłączonej molowej) w równaniu stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa jest 

równa b=25[

mol

cm

3

], zaś liczba Avogadra N

A

=6,023∙10

23

 [

mol

1

]. 

 

background image

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

 

Dane:   

 

 

 

 

 

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość:  

b = 25 [

mol

cm

3

]  

 

 

 

 

r =

2

d

 

N

= 6,023∙10

23

 [mol

-1

 

 

1.  Wyznaczanie objętości cząsteczki tlenu w kształcie kuli o średnicy d: 

 

    

 

 

 

 

  

 

            Ilustracja objętości cząsteczki tlenu O

2

  

            w kształcie kuli o średnicy d. 

            

                 V

cz  

3

4

 

3

2

 d

 

2.  Wyznaczanie objętości wyłączonej dla cząsteczki tlenu.  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Ilustracja objętości wyłączonej dla 

                        cząsteczki tlenu O

2

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

Objętość wyłączona jest objętością w której środki cząsteczek nie mogą się poruszać ze 

względu na swoją wzajemną obecność i równa jest połowie objętości kuli  

o promieniu równym średnicy cząsteczki.

 

                 

     

 

 

 

 

 

 

Objętość wyłączona zasobu ilości materii n=1[mol] cząsteczek (współobjętość 

molowa) równa jest iloczynowi liczby Avogadra N

A

 i objętości wyłączonej  

cząsteczek V

 

b = N

A

V

w

[

mol

m

3

3.  Wyznaczenie równania stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa odniesionego do 

molowych gęstości zasobu energii. 
Równanie stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa odniesione do masowych gęstości 

zasobu energii określone jest związkiem: 

 

(p+

2

a

)(-) = RT 

 

gdzie:   

a – współczynnik kohezyjności masowej 

 – współobjętość masowa (kowolumen)  

 

Współczynnik kohezyjności masowej określony jest zależnością: 

 

a = 

2

M

a

n

 

gdzie: 

 

n

– współczynnik kohezyjności molowej 

 

M – masa cząsteczkowa 

background image

 

Ciśnienie kohezyjne określone jest wyrażeniem  

2

a

 

 

natomiast współobjętość masowa jest równa: 

 = 

M

b

 

gdzie:  

 

b – współobjętość molowa (objętość wyłączona molowa). 

 

 

zatem równanie van der Waalsa przekształcono do postaci: 

 

[p + 

2

2

M

a

n

](-

M

b

) = RT 

 

Relacja między masową a molową gęstością zasobu objętości określona jest zależnością: 

 

=

M

n

 

 

stąd równanie stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa przyjmie postać: 

 

(p+ 

2

n

n

a

)( 

M

n

-

M

b

) = RT 

 

 

 

 

Uwzględniając, iż iloczyn indywidualnej stałej gazowej i masy cząsteczkowej równy jest 

uniwersalnej stałej gazowej:  

 

MR = B 

background image

 

oraz mnożąc obustronnie równanie van der Waalsa przez masę cząsteczkową  M otrzymamy 

równanie stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa odniesione do molowych gęstości zasobu 

energii 

 (p+ 

2

n

n

a

)( 

n

 -b) = BT 

 

 

4.  Wyznaczanie promienia cząsteczki tlenu. 

Dzieląc objętość wyłączoną molową cząsteczek b przez liczbę Avogarda N

A

 

otrzymano objętość wyłączną cząsteczki O

2

 tlenu.   

 

V

A

N

b

 

 

Z drugiej strony objętość wyłączoną cząsteczki telu O

2

 określoną związkiem: 

 

V

= 4[

3

4

 (

2

d

)

3

 

Porónując prawe strony powyższych dwóch zależności 

 

A

N

b

3

16

 (

2

d

)

3

 

 

otrzymano promień cząsteczki telnu O

2

, przy założeniu, że ma ona kształt kulisty 

 

2

d

 = 

3

16

3

A

N

b

 

 

5.  Rachunek mian: 

 

[r] = 

3

3

mol

mol

m

= m 

background image

 

6.  Obliczenie wartości promienia cząsteczki tlenu. 

 

r =

2

d

=

3

16

3

A

N

b

=

3

23

6

10

022

,

6

16

10

25

3

9

10

135316

,

0

 = 

35316

,

1

[Ǻ] 

 

d = 2r = 

35316

,

1

2 

= 2,70632 [Ǻ] = 0,270632 [nm] 

 

 

Zadanie 1.15 

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość pracy bezwzględnej objętościowej ΔL wykonanej 

przez układ nad otoczeniem w przemianie izotermicznej odwracalnej rozgęszczenia gazu 

rzeczywistego o zasobie ilości materii n=1[kmol] od początkowego zasobu objętości 

V

1

=10[dm

3

] do końcowego zasobu objętości V

2

=2V

1

 w temperaturze T=293,15[K] dla gazu 

rzeczywistego van der Waalsa spełniającego poniższe równanie. 

+

.

. ( −  . ) =  .  .  

Gazem rozgęszczanym jest azot dla którego stałe w równaniu stanu van der Waalsa mają 

wartości 

a

n

=0,1408[

]          b=3.91[

]=3,91 10

-3

[

Uniwersalna stała gazowa B=8314,3[

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

Dane:                                                    

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość pracy 

V

1

=10[dm

3

]                                           

bezwzględnej objętościowej: 

V

2

=2 V

1

                                                   

ΔL 

T=293,15[K]=const   

 

       

 

n=1[kmol] 

B=8314[

a

n

=0.1408[

b=3.91[

]=3.91 10

-3

[

background image

1.  Wykresy pracy i ciepła w przemianie izotermicznej w układzie współrzędnych pV i 

TS 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustracja pracy bezwzględnej objętościowej przemiany izotermicznej gazu rzeczywistego van 

der Waalsa we współrzędnych p, V. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustracja ciepła przemiany izotermicznej gazu rzeczywistego van der Waalsa we 

współrzędnych T,S.  

p(V,T=const) 

V

V

p

p

p

 

ΔL

1-2 

T(S) 

T

1-2 

T

 

ΔQ

1-2 

S

S

S

 

2

 

1

 

background image

2.  Wyznaczenie pracy bezwzględnej objętościowej. 

 

Z definicji pracy bezwzględnej objętościowej 

δL=pdV 

oraz z równania stanu gazu rzeczywistego van der Waalsa 

p=

(

)

 –  a 

otrzymano 

δL=nBT

 – n

2

a

 

Całkując powyższe równanie w granicach 

=

 

i przyjmując oznaczenie  

x=V-nb 

obliczono jej różniczkę 

dx=v 

oraz ustalono nowe granice całkowania 

x

1

=V

1

-nb 

x

2

=V

2

-nb 

Całkowane równanie przekształcono do postaci  

1

2

2

1

2

1

V

V

V

a

n

x

dx

nBT

L

n

x

x

 

Po dokonaniu całkowania 

 

                           ΔL=nBTln +n

2

a

n

(  -  ) 

 

oraz uwzględnieniu nowych granic całkowania otrzymano wyrażenie określające 

pracę bezwzględną objętościową wykonaną w przemianie izotermicznej przez gaz 

rzeczywisty van der Waalsa . 

 

background image

ΔL=nBTln





nb

V

nb

V

1

2

+n

2

a

n





1

2

1

1

V

V

  

 

3.Obliczenie wartości pracy bezwzględnej objętościowej 

 

ΔL= nBTln





nb

V

nb

V

1

2

+n

2

a

n





1

2

1

1

V

V

=  

=









10

10

20

10

1408

,

0

1

10

91

,

3

1

10

10

10

91

,

3

1

10

20

ln

15

,

293

3

,

8314

1

3

3

2

3

3

3

3

]

[

10

368

,

2

)

100

50

(

1408

,

0

1000

91

,

3

100

1

1000

91

,

3

50

1

ln

15

,

293

3

,

8314

1

6

J

 

Zadanie 1.7 

 

Wyznaczyć, a następnie obliczyć wartości zasobów ilości materii [n]=kmol oraz objętości 

normalnej obliczeniowej [V

no

]=m

3

 odniesionej do normalnych warunków obliczeniowych 

(

p =1[bar], t =0[

0

C], 

ϑ =22,71[

]) zasobu masy m=100[kg] tlenu (O

2

), azotu (N

2

) i 

dwutlenku węgla (CO

2

).  Masy cząsteczkowe poszczególnych gazów są następujące: 

M =31,999 [

], 

M =28,013 [

], 

M

=44,01 [

]. 

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

 

Dane:   

 

 

 

 

          Wyznaczyć a następnie obliczyć wartości: 

m  = m  = m

 = 100 [kg] 

 

n  , n , n

 

ϑ =22,71 [

 

 

 

V

 , 

V

,  

V

 

M  =31,999 [

M  =28,013 [

M

=44,01 [

 

 

background image

1.Wyznaczenie zasobu ilości materii tlenu, azotu i dwutlenku węgla: 

 

Z definicji masy cząsteczkowej  

 

M   = 

 

otrzymano dla tlenu 

 

M

 = 

 

zatem zasób ilości materii tlenu cząsteczkowego jest równy 

 

n

 

 

Analogicznie dla azotu 

 

 

 

n

 

 

 oraz dwutlenku węgla 

 

 

 

n

 

 

2.Wyznaczenie zasobu objętości normalnej obliczeniowej tlenu, azotu i dwutlenku węgla: 

 

Z definicji molowej gęstości zasobu objętości gazu w normalnych warunkach obliczeniowych   

 

ϑ

 = 

 

określono objętość normalną obliczeniową tlenu 

 

V

 = ϑ

∙ n  

 

następnie azotu 

 

V

 = ϑ

∙ n  

 

oraz dwutlenku węgla 

 

V

= ϑ

∙ n

 

 

 

background image

3. Rachunek mian dla zasobu ilości materii tlenu, azotu i dwutlenku węgla: 

 

n

= n

= n

=

= kmol 

 

4. Rachunek mian dla zasobu objętości normalnej obliczeniowej tlenu, azotu i dwutlenku 

węgla: 

 

V

= V

= V

= kmol ∙

= m  

 

5. Obliczenie wartości zasobu ilości moli tlenu: 

 

n

 =

,

= 3,1251 [kmol]  

 

6. Obliczenie wartości zasobu ilości moli azotu: 

 

n

=

 =

,

= 3,5698 [kmol]  

 

7. Obliczenie wartości zasobu ilości moli dwutlenku węgla: 

 

n

=

=

,

 = 2,2722 [kmol]  

 

8. Obliczenie wartości zasobu objętości normalnej obliczeniowej tlenu:  

 

V

= ϑ

∙ n

= 22,71 ∙ 3,1251 = 70,971 [m ]  

9. Obliczenie wartości zasobu objętości normalnej obliczeniowej azotu:  

 

V

= ϑ

∙ n

= 22,71 ∙ 3,5698 = 81,07 [m ] 

 

10. Obliczenie wartości zasobu objętości normalnej obliczeniowej dwutlenku węgla:  

 

V

= ϑ

∙ n

= 22,71 ∙ 2,2722 = 51,602 [m ]  

 

Zadanie 1.18 

Ciśnienie statyczne przepływającej rurociągiem strugi wody równe jest

0

s

p

 [MPa ]. 

Ciśnienie otoczenia wynosi 

1000

0

p

[hPa, zaś ciśnienie całkowite absolutne 

ca

p  

przepływającej wody wyrażone w milimetrach słupa rtęci jest równe 

ca

=790 [mmHg]. 

Obliczyć prędkość substancjalną u przepływającej wody wiedząc , że objętościowa gęstość 

background image

zasobu masy rtęci 

]

[

13546

3

m

kg

Hg

 zaś wody

]

[

1000

3

0

2

m

kg

H

 

 

 

 

 

Rozwiązanie 

Dane:                                                               

Wyznaczyć a następnie obliczyć wartość: 

]

[

hPa

p

s

                                                               

 

]

[

1000

0

hPa

 

]

[

790 mmHg

h

ca

 

3

13546

m

kg

Hg

 

3

0

1000

2

m

kg

H

 

 

1.  Ilustracja  pomiaru  ciśnień  w  przepływie  strugi  płynu,  płynącego  z  prędkością 

substancjalną: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 prędkość substancjalna wody 

0

2

H

objętościowa gęstość zasobu masy wody 

c

p

ciśnienie całkowite 

p

p

sa 

p

sa 

p

u

 

p

ca 

p

ca 

p

p

p

ca 

p

p

sa 

background image

o

p

ciśnienie otoczenia 

sa

p

ciśnienie statyczne absolutne 

ca

p

ciśnienie całkowite absolutne 

d

p

ciśnienie dynamiczne 

 

Zgodnie z ilustracją modelu pomiaru ciśnień w przepływie strugi płynu z prędkością 

substancjalną możemy zapisać zależności: 

o

c

ca

p

p

p

 

o

s

sa

p

p

p

 

s

c

sa

ca

d

p

p

p

p

p

 

 

Gdzie ciśnienie dynamiczne jest objętościową gęstością zasobu substancjalnej energii 

kinetycznej płynu 

2

2

u

p

d

 

 

2. Wyznaczenie ciśnienia całkowitego absolutnego p

ca

 wyrażonego w jednostkach układu SI

Odwzorowanie wartości ciśnienia całkowitego absolutnego wyrażonego w milimetrach słupa 

rtęci na wartość ciśnienia p

ca

 wyrażonego w jednostkach układu SI dokonano przy użyciu 

poniższej funkcji  

g

h

p

Hg

ca

ca

 

 

3. Wyznaczenie ciśnienia dynamicznego

d

p  przepływającej wody: 

Ciśnienie dynamiczne równe jest różnicy ciśnień absolutnych, całkowitego i statycznego 

przepływającej wody: 

sa

ca

d

p

p

p

 

Ciśnienie statyczne absolutne równe jest sumie ciśnień statycznego i otoczenia 

o

s

sa

p

p

p

 

Stąd: 

o

s

ca

d

p

p

p

p

 

Uwzględniając iż:  

background image

0

s

p

 

otrzymano:  

o

Hg

ca

o

ca

d

p

g

h

p

p

p

 

 

 

 

 

4. Wyznaczenie prędkości substancjalnej przepływającej strugi wody. 

 Uwzględniając definicję ciśnienia dynamicznego w przepływającej strudze wody: 

2

2

2

u

p

O

H

d

 

otrzymano:  

O

H

o

Hg

ca

O

H

d

p

g

h

p

u

2

2

)

(

2

2

 

5. Rachunek mian prędkości substancjalnej przepływającej strugi wody: 

 

2

2

3

2

2

3

2

2

1

]

[

s

m

kg

m

m

s

m

kg

kg

m

m

N

kg

Pa

u

 

s

m

]

[

 

6.Obliczanie wartości prędkości substancjalnej przepływającej strugi wody: 

 

O

H

o

Hg

ca

p

g

h

u

2

)

(

2

=

]

[

156

,

3

1000

)

100000

81

,

9

13546

79

,

0

(

2

s

m

 

 

 

Zadanie 2.6 

 

Mieszaninę  gazów, której skład określony jest udziałami masowymi 

5

,

0

2

N

g

4

,

0

2

O

g

1

,

0

2

O

H

g

 przepuszczono przez warstwę absorbującą wodę. Osuszony roztwór wprowadzono 

do pustego zbiornika w którym po napełnieniu  panuje ciśnienie p=0,4[MPa]. Masy 

background image

cząsteczkowe azotu i tlenu są następujące M

N

2

=28,016

]

[

kmol

kg

     M

O

2

=31,999

]

[

kmol

kg

Obliczyć udziały masowe i molowe, masę cząsteczkową oraz ciśnienia składnikowe gazów w 

zbiorniku.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie 

 

Dane:                                                          Wyznaczyć  a następnie obliczyć wartości: 

g

N

2

=0,5 

g

SO

2

 

g

O

2

=0,4 

g

SN

2

 

g

H

2

O

= 0,1 

x

SO

2

 

2

N

M

=28,016

kmol

kg

      

x

SN

2

 

2

O

M

=31,999

kmol

kg

 

p

o

2

 

p=0,4[MPa]. 

p

N

2

 

 

 

1.  Wyznaczenie udziałów masowych składników mieszaniny gazów osuszonych. 

Z definicji zasobu masy składników mieszaniny dla gazu przed jego osuszeniem 

otrzymano poniższy bilans 

O

H

O

N

i

i

m

m

m

m

m

2

2

2

3

1

 

Udziały masowe mieszaniny gazów przed osuszeniem zgodnie z definicją udziału masowego 

m

m

g

i

i

 

 

są następujące 

m

m

N

2

2

N

g

;  

m

m

O

2

2

O

g

;       

 

m

m

O

H

O

H

2

2

g

 

 

background image

Zasób masy mieszaniny gazów po osuszeniu opisany jest poniższym bilansem 

2

2

2

1

O

i

N

si

s

m

m

m

m

 

Zatem udziały masowe mieszaniny gazów po osuszeniu są odpowiednio równe: 

dla tlenu 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

O

N

O

O

N

O

s

O

s

O

SO

g

g

g

m

m

m

m

g

m

m

m

m

m

m

g

 

oraz dla azotu 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

O

N

N

O

N

N

s

N

s

N

SN

g

g

g

m

m

m

m

g

m

m

m

m

m

m

g

 

 

2.  Wyznaczenie masy cząsteczkowej mieszaniny gazów osuszonych: 

Uwzględniając zależność określającą masę cząsteczkową mieszaniny: 

2

1

1

i

i

i

M

g

M

  

 

otrzymano dla mieszaniny gazów po ich osuszeniu poniższy związek 

2

2

2

2

1

N

SN

O

SO

M

g

M

g

M

 

 

3.  Wyznaczenie udziałów molowych mieszaniny gazów osuszonych: 

Uwzględniając zależności określające udziały molowe składnika mieszaniny 

i

i

i

g

M

M

 

otrzymano odpowiednio: 

dla tlenu 

2

2

2

SO

O

SO

g

M

M

x

dla azotu 

background image

2

2

2

SN

N

SN

g

M

M

x

 

4.  Wyznaczenie ciśnień składników mieszaniny gazów osuszonych: 

Uwzględniając zależności określające ciśnienie składników mieszaniny 

p

x

p

i

i

 

otrzymano: 

dla tlenu 

p

g

M

M

p

x

p

SO

O

SO

O

2

2

2

2

 

dla azotu 

p

g

M

M

p

x

p

SN

N

SN

N

2

2

2

2

 

5.  Obliczanie wartości udziałów masowych składnika mieszaniny gazów osuszonych: 

444

,

0

9

4

2

2

2

2

O

N

O

SO

g

g

g

g

  

555

,

0

9

5

2

2

2

2

O

N

N

SN

g

g

g

g

 

6.  Obliczanie wartości masy cząsteczkowej mieszaniny gazów osuszonych: 

]

[

675

,

29

016

,

28

9

5

999

,

31

9

4

1

1

2

2

2

2

kmol

kg

M

g

M

g

M

N

SN

O

SO

  

7.  Obliczanie wartości udziałów molowych składników mieszaniny gazów osuszonych: 

412

,

0

444

,

0

999

,

31

675

,

29

2

2

2

SO

O

SO

g

M

M

x

 

588

,

0

555

,

0

016

,

28

675

,

29

2

2

2

SN

N

SN

g

M

M

x

 

8.Obliczanie wartości ciśnień składników mieszaniny gazów osuszonych: 

]

[

1648

,

0

4

,

0

412

,

0

2

2

MPa

p

x

p

SO

O

  

]

[

2352

,

0

4

,

0

588

,

0

2

2

MPa

p

x

p

SN

N

  

 

 

Zadanie 2.8 

Wyrażenie Pfaffa ma postać 
 
DX = xdy + 2ydx 
 
Znaleźć czynnik całkujący wyrażenie Pfaffa. 
 
Rozwiązanie 

background image

 

1.  Wyznaczenie czynnika całkującego wyrażenia Pfaffa. 

 
Funkcja pierwsza jest równa 
 
X

1

(x

1

,x

2

) = 2y 

 
i odpowiednio zmienna niezależna pierwsza i jej przyrost 
 
x

= x                                 dx

= dx 

 
Funkcja druga jest równa 
 
X

2

(x

1

,x

2

) = x 

 
i odpowiednio zmienna niezależna druga i jej przyrost 
 
x

= y                               dx

= dy 

 
Założono, że czynnik całkujący jest funkcją tylko zmiennej niezależnej pierwszej 
 
(x

1

) = (x) 

 
Mamy zatem 
 

dln(x

1

=   (

 - 

 ) 

dx

 
stąd 
 

dln(x) 

=   (

 -   ) 

dx 

 
 
wykonując różniczkowanie 
 

= 2                    

oraz 

          

= 1

 

 
otrzymano 
 

dln(x) =  

 (  -   )

dx 

 
zatem 
 

dln(x) = 

 

dx 

 
lub 
 

background image

dln(x) = dlnx 
 
Całkując powyższe równanie ze stałą całkowania 
 

dln λ( x )=

dlnx + lnc 

 
otrzymano 
 
ln(x) = lnx + lnc 
 
lub 
 
ln(x) = ln(xc) 
 
 
Zatem czynnik całkujący równy jest 
 
(x) = xc 
 

2.  Sprawdzenie poprawności rozwiązania. 

Mnożąc  wyrażenie  Pfaffa  przez  wyznaczony  czynnik  całkujący  otrzymano 
różniczkę zupełną. 
 

 
(x)DX = cx

2

 

dy + 2cyxdx 

 
dla której pochodne mieszane muszą być sobie równe. 
Pochodne mieszane mają postać 
 

(

)

(

)

 

 
Po obliczeniu ich wartości 
 
2cx = 2cx 
 
stwierdzono ich równość, co dowodzi, że czynnik całkujący został obliczony 

prawidłowo. 

 

Zadanie 3.10 

Powietrze  traktowane  tak  jak  gaz  doskonały  o  zasobie  masy  m  =  3[kg]  rozgęszczono  w 

przemianie izotermicznej odwracalnej zwiększając jego zasób objętości trzykrotnie. Ciśnienie 

i temperatura początkowa powietrza są równe p

= 10[at] i t

= 300[C]. Indywidualna  stała 

gazowa powietrza ma wartość R = 287,04 [

kgK

J

]. Wyznaczyć a  następnie obliczyć wartość 

background image

przyrostu  ilości  ciepła  doprowadzonego  do  układu  oraz  pracę  bezwzględną  objętościową  i 

techniczną rozgęszczania gazu. 

 

 

 

 

 

Rozwiązanie 

Dane:                                                              Wyznaczyć a następnie obliczyć wartości: 

m = 3[kg]                                                                                              ∆Q    

T = const.                                                                                          L        

p

= 10[at]                                                                                          L

t

    

  

t

1  

= 300[

C]                                                                                            

     

R = 287,04

kgK

J

 

  

1. Ilustracja układu oraz wykresy przemiany izotermicznej we współrzędnych p, V oraz T, S. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustracja układu cylinder-tłok. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 A 

 

F

s2 

 p

V

1

, T=const 

 

F

s1 

p

2

= p

s2

+ p

0

 

p

1

= p

s1

+ p

0

 

V

2

 

T=const 

p(V, T=const) 

p

V

 

  p

V

V

L

 

p

 

ΔQ 

L

L

 

background image

 

Ilustracja prac bezwzględnej objętościowej L oraz technicznej L

t

 przemiany izotermicznej 

rozgęszczania powietrza we współrzędnych p, V. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ilustracja przyrostu ilości ciepła przemiany izotermicznej rozgęszczania powietrza we 

współrzędnych  

T, S. 

          

1.1 Wyznaczenie ciśnienia statycznego absolutnego. 

                                                            

     Ciśnienie statyczne powietrza w układzie pomierzone manometrem: 

                    

A

F

p

S

S

 

     Ciśnienie statyczne absolutne powietrza w układzie: 

                    

0

p

p

p

p

s

sa

 

     gdzie p

jest ciśnieniem otoczenia. 

2. Bilans zasobu energii wewnętrznej dla przemiany odwracalnej. 

    Pierwsza postać pierwszej zasady termodynamiki określona jest zależnością: 

                    

L

Q

dE

1

 

    gdzie praca bezwzględna objętościowa jest równa: 

                 

pdV

 

S

V

 

S

ΔQ

 

T

 

T(S)= const 

background image

3. Bilans zasobu entalpii dla przemiany odwracalnej. 

    Druga postać pierwszej zasady termodynamiki określona jest zależnością: 

                 

t

L

Q

dH

 

    gdzie praca techniczna jest równa: 

                 

Vdp

L

t

 

4. Bilans zasobu energii wewnętrznej dla przemiany izotermicznej. 

    Zasób  energii  wewnętrznej  gazu  doskonałego  w  układzie  substancjalnym  określony  jest 

związkiem: 

                 

mT

c

E

1

 

    gdzie: 

    Dla gazu doskonałego 

                 

.

const

 

    Dla układu substancjalnego 

                 

.

const

  

    Dla przemiany izotermicznej 

                 

.

const

 

    Zatem elementarny przyrost zasobu energii wewnętrznej będzie równy: 

                 

0

1

dE

 

    i bilans zasobu energii wewnętrznej dla przemiany odwracalnej zredukuje się do postaci: 

                 

L

Q

 

5. Bilans zasobu entalpii dla przemiany izotermicznej. 

    Zasób entalpii gazu doskonałego w układzie substancjalnym określony jest zależnością: 

                

mT

c

H

p

 

    Dla gazu doskonałego 

                 

.

const

c

p

 

    Dla układu substancjalnego 

                 

.

const

  

    Dla przemiany izotermicznej 

                 

.

const

 

    Zatem elementarny przyrost zasobu entalpii będzie równy 

                 

0

dH

 

    i druga postać pierwszej zasady termodynamiki zredukuje się do postaci: 

background image

                   

t

L

dQ

 

6. Wyznaczenie pracy bezwzględnej objętościowej w przemianie izotermicznej. 

    Uwzględniając definicję pracy bezwzględnej objętościowej 

                   

pdV

 

    oraz równanie izotermy 

                  

.

1

1

const

V

p

pV

 

    z którego wyznaczono ciśnienie gazu w funkcji zasobu jego objętości 

                   

V

V

p

p

1

1

1

 

    otrzymano: 

                  

V

dV

V

p

L

1

1

 

    Całkując powyższe równanie w granicach 

                  

L

V

V

V

dV

V

p

L

0

1

1

1

2

 

    wyznaczono pracę bezwzględną objętościową: 

                  

3

ln

ln

ln

ln

1

1

2

1

1

2

1

1

2

1

1

1

mRT

V

V

mRT

V

V

V

p

V

V

V

V

p

L

 

    Z  powyższych  równań  wynika,  że  dla  przemiany  izotermicznej  przyrost  ilości  ciepła 

przemiany  równy  jest  ilości  pracy  bezwzględnej  objętościowej  i  pracy  technicznej 

przemiany 

                  

t

L

L

Q

 

7.  Wyznaczenie  pracy  technicznej  i  przyrostu  ilości  ciepła  w  przemianie  izotermicznej 

odwracalnej: 

                  

3

ln

ln

1

1

2

1

mRT

V

V

mRT

L

L

Q

t

 

8. Rachunek mian dla pracy bezwzględnej objętościowej, technicznej i przyrostu ilości ciepła. 

                  

J

K

kgK

J

kg

Q

L

L

t

]

[

]

[

]

[

 

9. Obliczenie wartości pracy bezwzględnej objętościowej, technicznej i przyrostu ilości ciepła 

rozgęszczonego powietrza w przemianie izotermicznej odwracalnej. 

                  

]

[

54223

0986

,

1

15

,

573

04

,

287

3

3

ln

1

J

mRT

L

L

Q

t

 

background image

Zadanie 3.12 

Powietrze traktowane tak jak gaz doskonały o zasobie masy m=1,5[kg] zostało zgęszczone w 
przemianie politropowej od wartości początkowych parametrów stanu p

p

=0,09[MPa] i 

t

p

=18[

o

C] do wartości końcowych p

k

=1[MPa] i t

k

=125[

o

C]. 

Wyznaczyć, a następnie obliczyć wartość wykładnika politropy n, pracę bezwzględną 
objętościową L oraz przyrost ilości ciepła przemiany ΔQ, wiedząc iż indywidualna stała 
gazowa powietrza R=287,04 

[

] zaś wykładnik izentropy k=1,4. 

 
 
 

 

 

 

 

Rozwiązanie 

Dane: 

Wyznaczyć a następnie obliczyć 

m=1,5[kg] 

wartości: 

p

p

=0,09[MPa] 

t

p

=18[

o

C] 

p

k

=1[MPa]  

 

 

 

 

 

             ΔQ 

T

k

=125[

o

C] 

R=287,04[

k=1,4 
 

1.  Wykresy przemiany politropowej zgęszczenia powietrza we współrzędnych p,V oraz 

T,S. 

 
 
 
 
 
 
 
                  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p(V, T

k

=const) 

T

 p

 

S

S

 

V

 

 T

 

S

T

V

V

Ilustracja pracy bezwzględnej objętościowej   

przemiany politropow we współrzędnych p, V. 

Ilustracja przyrostu ilości ciepła przemiany 

politropowej we współrzędnych T, S. 

L

 

p(V, T

p

=const) 

p

p

 ΔQ

 

 ΔQ

 

background image

 
 
 
 

2.  Podstawowe związki określające politropę. 

Z definicji ciepło właściwe politropy jest równe 

 

         

=

 

Ciepło właściwe politropy w funkcji ciepła właściwego przy stałej objętości, wykładnika 

izentropy oraz wykładnika politropy określone jest zależnością: 

                                                                   

=

 

 

  

gdzie wykładnik politropy jest równy 

 

c

c

c

c

n

p

 

zaś równanie politropy opisane jest związkiem 

=

 

 

3.  Wyznaczanie zasobu objętości powietrza przed i po jego zgęszczeniu. 
 Z równania stanu gazu doskonałego Clapeyrona wyznaczono: 

początkowy zasób objętości powietrza  

      

                                                       

=

 

oraz końcowy zasób objętości powietrza  

 

                                                             

=

 

 

  

4.  Wyznaczanie wykładnika politropy. 

Z równania politropy dla stanu początkowego i końcowego, uzyskano związek 

 

 

=

 

 

Podstawiając za V

p

 oraz V

k

 wielkości określone w  punkcie 3 

 

background image

 

                                     

∙ (

) =

∙ (

)  

otrzymano 

(

)

= ( )  

Logarytmując powyższe wyrażenie 

 

                                                          (

1 − ) ln

=

( ) 

 

 

 

a następnie przekształcając je do postaci 

 

                                                         

+

=

 

wyznaczono wykładnik politropy 

 

  

                                                 

=

(

)

(

)

 

 

5.  Wyznaczanie przyrostu ilości ciepła  przemiany politropowej. 
Z definicji ciepła właściwego przemiany politropowej   

 

 

                                                          

=

 

 

po rozdzieleniu zmiennych i pomnożeniu obustronnie przez zasób masy powietrza 

znajdującego się w układzie, otrzymano 

 

 

 

                                                            

=

 

 

Ponieważ elementarny przyrost ilości ciepła jest równy 

 

                                                               

=

       

  

zatem 

background image

                                                              

=

  

 

Uwzględniając ciepło właściwe politropy określone związkiem  

                                                               

=

 

równanie Meyera 

 

 

 

=

 

 

oraz definicję wykładnika izentropy 

 

 

                                                            

=

 

otrzymano w pierwszej kolejności zależność określającą ciepło właściwe przy stałej objętości  

 

 

=

 

a następnie ciepło właściwe politropy  

 

  

                                                    

=

(

)

(

)

(

)

 

Zatem przyrost ilości ciepła w przemianie politropowej  określony jest związkiem  

 

 

 

=

( − 1)

( − )
( − 1)

 

 

Całkując powyższe równanie w granicach   

 

                                                 

=

(

)

(

)(

)

∙ ∫

 

otrzymano przyrost ilości ciepła w przemianie politropowej. 

 

  

∆ =

∙ (

6.  Wyznaczanie pracy bezwzględnej objętościowej przemiany politropowej. 

Z równania politropy   

=

=

 

określono ciśnienie w funkcji zasobu objętości  

 

background image

 

=

 

Uwzględniając definicję pracy bezwzględnej objętościowej i ostatni związek, otrzymano

 

 

                                     

=

 

Całkując powyższe równanie w granicach 

 

=

 

uzyskano wyrażenie określające pracę bezwzględną objętościową przemiany politropowej 

              

=

[

(

)

]

=

(

)

(

)

=

1 − ( )

(

)

  

7.  Obliczenie wartości zasobu objętości powietrza przed zgęszczeniem. 

39291

,

1

10

09

,

0

)

15

,

273

18

(

04

,

287

5

,

1

6

p

p

p

p

mRT

V

 

 

8.  Obliczenie wartość zasobów objętości powietrza po zgęszczeniu. 

 

3

6

171432

,

0

10

09

,

0

)

15

,

273

125

(

04

,

287

5

,

1

m

p

mRT

V

k

k

k

 

 

9.  Obliczenie wartości  wykładnika politropy. 

1494

,

1

1

09

,

6

ln

15

,

273

125

ln

1

1

ln

ln

1

1





k

p

p

k

p

p

T

T

n

 

 

 

10. Obliczenie wartość przyrostu ilości ciepła w przemianie politropowej. 

 

kJ

T

T

m

n

k

n

k

R

Q

p

k

191

,

193

)

15

,

291

15

,

398

(

5

,

1

)

1

1494

,

1

)(

1

4

,

1

(

)

4

,

1

194

,

1

(

04

,

287

)

(

1

1

 

11. Obliczenie wartość pracy bezwzględnej objętościowej, przemiany politropowej. 

=

( − 1)

1 −

=

0,09 ∙ 10 + 1,39291

1,1494 − 1

1 −

1,39291

0,171432

,

= −308,37[ ]