Elke opgave moet op een afzonderlijk blad worden ingeleverd.

Vergelijkbare documenten
THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

THERMODYNAMICA 2 (WB1224) Elke opgave moet op een afzonderlijk blad worden ingeleverd.

THERMODYNAMICA 2 (WB1224) Elke opgave moet op een afzonderlijk blad worden ingeleverd.

Opgave 2. Voor vloeibaar water bij K en 1 atm zijn de volgende gegevens beschikbaar:

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

TENTAMEN THERMODYNAMICA 1 Wb april :00-12:00

Thermodynamica 2 Thermodynamic relations of systems in equilibrium

Tentamen Thermodynamica

Fysische Chemie Oefeningenles 1 Energie en Thermochemie. Eén mol He bevindt zich bij 298 K en standaarddruk (1 bar). Achtereenvolgens wordt:

THERMODYNAMICA 2 (WB1224) 14 april u.

TENTAMEN THERMODYNAMICA 1 Wb april :00-12:00

TENTAMEN THERMODYNAMICA 1 Wb juni :00-12:00

TENTAMEN THERMODYNAMICA 1 Wb juni :00-12:00

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

Thermodynamica 2 Thermodynamic relations of systems in equilibrium

TENTAMEN THERMODYNAMICA voor BMT (8W180) Maandag 20 November van uur. Dit tentamen omvat 4 opgaven, die alle even zwaar meetellen.

Tentamen Thermodynamica

TENTAMEN THERMODYNAMICA 1 Wb juni :00-12:00

THERMODYNAMICA 2 (WB1224) Opgave 3 moet op een afzonderlijk blad worden ingeleverd.

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 7 maart uur Docenten: T. Savenije, B. Dam

Eerste Hoofdwet: Deel 1

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 7 maart uur Docenten: T. Savenije, B. Dam

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY, MST1211TA1, LB1541) 10 maart uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

HERHALINGS TENTAMEN CHEMISCHE THERMODYNAMICA voor S2/F2/MNW2 Woensdag 14 januari, 2009,

TENTAMEN CHEMISCHE THERMODYNAMICA voor F2/MNW2. Vrijdag 23 december 2005

Thermodynamica. Daniël Slenders Faculteit Ingenieurswetenschappen Katholieke Universiteit Leuven

Voorbeeld EXAMEN Thermodynamica OPEP Niveau 4. Vraag 1: Van een ideaal gas is gegeven dat de dichtheid bij 0 C en 1 bara, 1,5 kg/m 3 bedraagt.

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 1 maart uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

Thermodynamics 1. Lecture 9: Bendiks Jan Boersma Wiebren de Jong Thijs Vlugt Theo Woudstra. March 8, Energy Technology

Hoofdstuk 12: Exergie & Anergie

Technische ThermoDynamica Samenvatter: Maarten Haagsma /6 Temperatuur: T = ( /U / /S ) V,N

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT DER TECHNISCHE NATUURKUNDE GROEP TRANSPORTFYSICA

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT DER TECHNISCHE NATUURKUNDE GROEP TRANSPORTFYSICA

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 3 juli 2014 Tijd: uur Locatie: paviljoen study hub 2 vak c & d

Tentamen Thermodynamica

Examen Statistische Thermodynamica

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN FACULTEIT DER TECHNISCHE NATUURKUNDE GROEP TRANSPORTFYSICA

TENTAMEN. Thermodynamica en Statistische Fysica (TN )

Notaties 13. Voorwoord 17

Scheidingstechnologie by M.A. van der Veen and B. Eral

oefenopgaven wb oktober 2003

Werkcollege 3: evenwicht bij zuivere stoffen

THERMODYNAMICA 2 (WB1224)

UITWERKING. Thermodynamica en Statistische Fysica (TN ) 3 april 2007

Hoofdstuk 1: Ideale Gassen. Hoofdstuk 2: Warmte en arbeid. Hoofdstuk 3: Toestandsveranderingen bij ideale gassen

Hoofdstuk 5: Enthalpie

Technische Thermodynamica 1, Deeltoets 2 Module 2, Energie en Materialen ( )

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65. 6 juli 2012, uur

-- zie vervolg volgende pagina --

Thermodynamica 2. Lecture 1. November 9, 2010

Tentamen Fysische Systemen, , 9-12 uur

Fysische Chemie Oefeningenles 2 Entropie. Warmtecapaciteit van het zeewater (gelijk aan zuiver water): C p,m = J K 1 mol 1.

Tentamen Statistische Thermodynamica MST 19/6/2014

Eindtoets 3BTX1: Thermische Fysica. Datum: 12 augustus 2014 Tijd: uur Locatie: Matrix Atelier 3

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Warmte- en stromingsleer Examennummer: Datum: 14 december 2013 Tijd: 13:00 uur - 14:30 uur

Tentamen Statistische Thermodynamica MS&T 27/6/08

TENTAMEN CHEMISCHE THERMODYNAMICA. Dinsdag 25 oktober

Inhoud. Inleiding 13. Noordhoff Uitgevers bv

Hertentamen Statistische en Thermische Fysica II Woensdag 14 februari 2007 Duur: 3 uur

Bereken de luchtdruk in bar op 3000 m hoogte in de Franse Alpen. De soortelijke massa van lucht is 1,2 kg/m³. De druk op zeeniveau bedraagt 1 bar.

Richard Mollier ( )

In deze eindtoets willen we met jullie samenvatten waar we het in het afgelopen kwartiel over gehad hebben:

Homelab 2050, serie 4: Optimaal gebruik van beschikbare energiebronnen

Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C November uur

Toestandsgrootheden en energieconversie

Uitwerkingen van het Tentamen Moleculaire Simulaties - 8C Januari uur

Fysische Chemie Werkcollege 5: Binaire mengsels-oplosbaarheid

Q l = 23ste Vlaamse Fysica Olympiade. R s. ρ water = 1, kg/m 3 ( ϑ = 4 C ) Eerste ronde - 23ste Vlaamse Fysica Olympiade 1

Vraagstukken Thermische Fysica Set 1

Het aantal kmol is evenredig met het volume dat dat gas inneemt, bij een bepaalde druk en temperatuur

Vraagstukken Thermodynamica W. Buijze H.C. Meijer E. Stammers W.H. Wisman

TOETS CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 31 maart uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

De verliezen van /in het systeem zijn ook het gevolg van energietransformaties!

en tot hetzelfde resultaat komen, na sommatie: (9.29)

IPT hertentamen , 9:00-12:00

is een dergelijk systeem één van starre lichaam Pagina 21 3 de zin

REWIC-A: Thermodynamica A : : : Opleiding Module Examenset. REWIC-A Thermodynamica A 03. Uw naam :... Begintijd :... Eindtijd :...

Eindantwoorden PT-1 toets , 8:45-10:30

Cursusmateriaal (dienst uitgaven)

Hertentamen CTD voor 1 ste jaars MST (4051CHTHEY) 14 April uur Docenten: L. de Smet, B. Dam

Exact periode Youdenplot Krachten Druk

PT-1 tentamen, , 9:00-12:00. Cursus: 4051PRTE1Y Procestechnologie 1 Docenten: F. Kapteijn & V. van Steijn

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 november 2004 van 14:00 17:00 uur

Thermodynamica 1. Lecture 11: Processtappen Kringprocessen Stirling Otto (2 en 4 slags) Bendiks Jan Boersma Wiebren de Jong Thijs Vlugt Theo Woudstra

Een andere korte samenvatting van Statistische Thermodynamica

IPT toets , 10:45-12:30

Thermodynamische analyse van het gebruik van een warmtepomp voor residentiële verwarming

Opgave 1 Afdaling. Opgave 2 Fietser

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB augustus 2011, uur

Biofysische Scheikunde: Statistische Mechanica

Naam (plus beschrijving) Symbool Eenheid Formules. Druk = kracht per eenheid van oppervlakte p (N/m² = ) Pa

Thermodynamica 1. college 10 boek hoofdstuk 6. Bendiks Jan Boersma Thijs Vlugt Theo Woudstra. March 11, 2010

Thermodynamica 1. college 8 boek hoofdstuk 5. Bendiks Jan Boersma Thijs Vlugt Theo Woudstra. March 4, 2010

Oefententamen Technische Thermodynamica (vakcode ) Faculteit der Construerende Technische Wetenschappen, Universiteit Twente

Technische Universiteit Eindhoven Tentamen Thermische Fysica II 3NB65 en Statistische Fysica 3CC augustus 2010,

PT-1 tentamen, , 9:00-12:00. Cursus: 4051PRTE1Y Procestechnologie 1 Docenten: F. Kapteijn & V. van Steijn

Unificatie. Zwakke Kracht. electro-zwakke kracht. Electriciteit. Maxwell theorie. Magnetisme. Optica. Sterke Kracht. Speciale Relativiteitstheorie

Transcriptie:

HERMODYNAMICA (WB14) 4 augustus 011 18.30-1.30 u. AANWIJZINGEN Het tentamen bestaat uit twee open vragen op 7 bladzijden. Het tentamen is een GESLOEN BOEK tentamen. Dit betekent dat tijdens het tentamen uitsluitend het uitgereikte formuleblad mag worden geraadpleegd. Gebruik van aantekengen of andere hulpmiddelen (zoals een eigen formuleblad) is niet toegestaan. Gebruik van een (niet programmeerbaar) rekenapparaat is wel toegestaan. Elke opgave moet op een afzonderlijk blad worden geleverd. Zorg er voor dat het geleverde werk (elk blad afzonderlijk) is voorzien van naam en studienummer. Zorg ervoor dat bij het leveren alle bladen elkaar zijn gevouwen. Gebruik bij het beantwoorden van de vragen een zwarte of blauwe pen. Het gebruik van een rode pen en/of potlood is niet toegestaan. Geef bij het beantwoorden van de vragen zo duidelijk mogelijk aan hoe het antwoord is verkregen: laat zien welke relaties zijn gebruikt en waar deze relaties op zijn gebaseerd. Vermeld bij de uitkomsten de eenheden en kijk of de gevonden waarden realistisch zijn. Zo niet, geef aan waarom. 1

OPGAVE 1 De warmtecapaciteit bij constante druk, c p, is voor een willekeurige stof als volgt gedefieerd: c p h = pn, Omdat de enthalpie h prcipe zowel van de druk als temperatuur afhangt, zal het algemeen ook c p zowel van de temperatuur als van de druk afhangen. (a) Leid af dat voor de drukafhankelijkheid van c p voor elke stof geldt dat c p v = p, N pn, (b) Laat zien dat uit bovenstaande formule volgt, dat c p van een ideaal gas niet afhangt van de druk. (c) In een stationair smoorproces wordt met behulp van een smoorklep (throttle) de druk van een gas verlaagd zonder arbeid te wnen. Indien de smoorklep goed geïsoleerd is, zal voor een ideaal gas de temperatuur van de uitstroom vaak gelijk zijn aan die van de stroom. Leg met behulp van de 1 e hoofdwet voor open systemen kort uit waarom dit zo is en welke aannames hier van toepassg zijn. Voor vloeibaar water bij 98.15K en 1 atm. zijn de volgende gegevens beschikbaar: 1 V 6 1 de isobare uitzettgscoëfficiënt β = = 56*10 K V pn, 6 de temperatuursafhankelijkheid van β: β = 9.6*10 K pn, het specifieke volume bij 98.15K en 1 atm. = 1.003 cm 3 g -1. de molaire massa van water: 18.0 gram per mol. NB Water is dus geen ideaal gas! Een druk van 1 atm. is gelijk aan 10135 Pa. (d) Bereken met behulp van bovenstaande gegevens de waarde van de grootheid voor vloeibaar water bij 98.15K en 1 atm. Let op de juiste eenheden. cp p, N (vervolg van deze opgave staat op de volgende bladzijde)

De grootheid isotherme compressibiliteit κ is gedefieerd als 1 V κ = V p, N 1 gram vloeibaar water bevdt zich een volume van 1.003 cm 3 bij 98.15K en 1 atm. Bij een constant volume wordt het water reversibel verwarmd. De waarde van κ voor vloeibaar water bij 98.15K en 1 atm is gelijk aan 46*10-6 bar -1 en hangt bij benaderg niet af van temperatuur en druk. (e) Bereken de arbeid van dit proces. (f) Maak met behulp van de gegevens voor κ en β van water een slimme schattg van de druk op het moment dat de temperatuur van het water 99.15K is geworden. Ht: denk aan het gebruiken van de -1 regel voor de benodigde partiële afgeleide. (g) Om de benodigde warmte voor dit proces uit te kunnen rekenen moeten we de waarde van nog een grootheid kennen. Welke grootheid is dit? Geef een korte uitleg. 3

OPGAVE Een Diesel en een Otto motor hebben de volgende gegevens: Inlaat temperatuur take = 93.15 K Inlaat druk p take = 1.013 bar Maximum cyclus temperatuur max = 000 K Compressie verhoudg ( druk) β = 10 Bovendien is gegeven: De thermodynamische cyclus van zowel de Diesel- als de Otto-motor kan als ideaal worden aangenomen. Het werkzame fluïdum is lucht, en de polytropische ideale gaswet is van toepassg. De verhoudg tussen isobare en isochore specifieke warmte γ is constant en heeft de waarde 1.4. De specifieke gasconstante is R = 87.0 J/(kg K). Beantwoord de volgende vragen: (a) Maak een schets van de Diesel en Otto cyclus het -s thermodynamisch diagram, en geef het verschil tussen beide aan. (b) Maak een tabel waar voor elk van de 4 toestanden van de cycli de waardes van de volgende thermodynamische eigenschappen staan: s, u, h, v,, P. Doe dit voor beide cycli. De missende eigenschappen van lucht als functie van temperatuur zijn willekeurige volgorde de onderstaande tabel gegeven. [K] v [m 3 /kg] u [kj/kg] h [kj/kg] s [kj/kg K ] 93.15 0.831-89.16-5.03 6.84 565.98 0.160 106.59 69.03 6.84 1035.89 0.831 443.76 741.06 7.75 1716.6 0.567 931.9 144.49 8.11 000 0.160 1135.50 1709.50 7.75 000 0.567 1135.50 1709.50 8.11 (c) Bereken de thermische efficiëntie van beide cycli. (d) Leid de formule af om de equivalente thermodynamische temperatuur uit te rekenen gerelateerd aan het verwarmgsproces van het werkzame fluïdum voor de ideale Diesel en Otto cyclus. Beg hierbij bij de steady-state exergie balans (zie formuleblad). (e) Bereken de equivalente thermodynamische temperatuur van het verwarmgsproces voor de ideale Diesel- en Otto-cyclus, heatg, Diesel en heatg, Otto. Gebruik dit om uit te leggen welke van de twee processen mder exergieverlies veroorzaakt. 4

Formuleblad hermodynamica, versie 18-4-011 Ideale Gaswet pv = nr en dus pv = R Constantes R = J mol K N AV = 1 1 3 8.31447 6.014 10 moleculen/mol 1 ste HW gesloten system du = δq δw V Reversibele arbeid W = pdv V1 1 ste de CV c c 1 HW open systeem = Q CV W CV m h + + gz + m1 h 1+ + gz1 dt. Hier wordt de uitgaande stroom aangeduid met en de gaande stroom met 1. de δq HW gesloten systeem ds = + δs met δs 0 de dscv Q CV HW open system = ms + ms 1 1 + σcv met σcv 0 waarbij het warmtetransport trans dt trans plaatsvdt bij temperatuur hermodynamische potentialen H = U + pv F = U S G = U S+ pv Verandergen van U, H, F, G du = ds pdv + µ dn dh = ds + Vdp + µ dn df = Sd pdv + µ dn dg = Sd + Vdp + µ dn Partiële afgeleiden voor f(x,y) f f f f df = dx + dy = Mdx + Ndy dus M = en N = xy y xy y x Maxwell relatie voor f(x,y) M N f f Indien df = Mdx + Ndy dan = oftewel = y x y x y y xy Integreren x f f ( x, y1) = f ( x1, y1) + dx x x y 1 M 1 regel x z y = 1 y xy zx z x x y x x 5

Defitie warmtecapaciteit U S H S CV = = en C = = p V, N V, N PN, PN, Departure Gibbs energy IG p f µ µ Z( p) 1 ln = lnϕ = = dp p R p Clapeyron equation dp sg sf hg hf = = d v v v v 0 ( ) sat g f g f Clausius-Clapeyron equation dln P hg hf = d R sat Carnot efficiency L η Carnot = 1 H hermal power cycle efficiency (I-law efficiency) Wnet η th = Q Isentropic process for an ideal gas γ 1 γ 1 γ 1 P v C = = met γ = 1 P1 v C P v Entropy change of an ideal gas with temperature and pressure and constant c p p s (, p) s ( 1, p1) = cp ln Rln p 1 1 Isentropic efficiencies for compression and expansion h1 h h, is h1 ηis, exp =, η is, compr = h h h h 1, is 1 6

COP (coefficient of performance) QC C QH H COPcoolg = =, COPheatg = = Q Q Q Q H C H C H C H C Exergy: specific flow exergy and balances v exf = h h0 + + gz 0( s s0) dex 0 = Ex,1 Ex, + ( h0 0 s0 )( M 1 M ) + 1 Q + W + Ex dt b f f d M ( ex,1 ex, ) = 1 Q + W + Ex 0 f f d b 7

c ) f' opt* $IJ<AUJUW [He formulé LUo{ O ft? < ^ 5?/ <f< Il -

(D

J Vdji/j 4/ /dp I / dis \ /dt) -1 3 7 1S6-/0 ^ is - ld~b ifff -) 101W r%4 f.5/ / 0 r dz/(/ ~ - \J Ci/o( Cu (j &{M i^omy-

Uitwerkg opgave a) Otto cycle Diesel cycle

De overdracht van thermische energie naar het werkzame fluïdum vdt plaats bij constante specifiek volume de ideale Otto cyclus en bij constante druk de ideale Diesel cyclus. b) Otto cycle SAA 1 P 1 = 1.013 bar 1 = 93.15 K Ideaal gas: v 1 = (R 1 ) / P 1 = 0.831 m 3 /kg Uit de tabel: s 1 = 6.84 kj/kg K u 1 = -89.16 kj/kg h 1 = -5.03 kj/kg SAA P = β P 1 = 10.13 bar Isentrope compressie van staat 1: γ 1 P γ 1 1 P1 γ 1 γ = = β = 565.98 K Ideaal gas: v = (R 1 ) / P 1 = 0.160 m 3 /kg Uit de tabel: s = 6.84 kj/kg K u = 106.59 kj/kg h = 69.03 kj/kg SAA 4 Isochore afkoelg van het werkzame fluïdum: v 4 = v 1 = 0.830 m 3 /kg Isentrope expansie van staat 3 γ 1 v3 4 = 3 = 3β v4 1 γ γ =1035.89 K Ideaal gas: P 4 = (R 4 ) / v 4 = 3.58 bar Uit de tabel: s 4 = 7.75 kj/kg K u 4 = 443.76 kj/kg h 4 = 741.06 kj/kg SAA 3 3 = 000 K Isochore verwarmg van het werkzame fluïdum: v 3 = v = 0.160 m 3 /kg P 3 = (R 3 ) / v 3 = 35.80 bar Uit de tabel: s 3 = 7.75 kj/kg K u 3 = 1135.50 kj/kg h 3 = 1709.50 kj/kg

Diesel cycle Staat 1 en zijn gelijk aan Otto cycle SAA 3 3 = 000 K Isobare verwarmg van het werkzame fluïdum: P 3 = P = 10.13 bar v 3 = (R 3 ) / P 3 = 0.567 m 3 /kg Uit de tabel: s 3 = 8.11 kj/kg K u 3 = 1135.50 kj/kg h 3 = 1709.50 kj/kg SAA 4 Dit wordt berekend met de isentrope relaties v 4 = v 1 = 0.830 m 3 /kg 4 = 3 v v 3 4 γ 1 =1717.4 K P 4 = (R 4 ) / v 4 =5.93 bar Uit de tabel: s 4 = 8.11 kj/kg K u 4 = 931.9 kj/kg h 4 = 144.49 kj/kg

c) De efficienties kunnen met behulp van de thermische energie en arbeid per massaeenheid berekend worden. Otto cycle: ( u4 u1) ( ) 3 ( ) ( ) w 443.76 89.16 kj kg net q + out η = = 1 = 1 = 1 = 0.48 q q u u 1135.50 106.59 kj kg Diesel cycle: ( u4 u1) ( ) 3 ( ) ( ) w 931.9 89.16 kj kg net q + out η = = 1 = 1 = 1 = 0.91 q q h h 1709.50 69.03 kj kg d) De equivalente thermodynamische temperatuur is gedefieerd als de constante temperatuur waarbij de warmteoverdracht plaats zou moeten vden om eenzelfde hoeveelheid exergie-overdracht te genereren. De state-state exergie balans wordt dan: m ( e e ) = 0 Q f, f, out 1 ( ) Q = m h out h m [( h h ) ( s s )] = m( h h ) 0 out 0 out 1 h = s out out h s out (e) Otto cycle: h h ( ) ( 7.75 6.84) kj ( kg K) 1709.50 69.03 kj kg 3 heatg = = = s3 s Diesel cycle: h 3 heatg = = s3 s ( ) ( 8.11 6.84) kj ( kg K ) 1590.40 K h 1709.50 69.03 kj kg =1136.01 K De equivalente thermodynamische temperatuur van het verwarmgsprocess van de Diesel cyclus is lager, daarom zijn de exergie verliezen die met het verwarmgsprocess van de Otto cyclus gepaard gaat lager dan die van de Diesel cyclus.