TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

Transkript

1 CHALMERS 1 (3) Energi och Miljö/Värmeteknik och maskinlära Kemi- och bioteknik/fysikalisk kemi ermodynamik (KVM091/KVM090) ENAMEN I ERMODYNAMIK för K, Kf och M (KVM091 och KVM090) kl Hjälpmedel: Kursböckerna Elliott-Lira: Introductory Chemical Engineering hermodynamics inklusive utdelat Komplettering av föreläsningsmaterial (13 sidor) och P. Atkins, L. Jones: Chemical Principles, "abeller och diagram i Energi- och kemiteknik" eller "Data och Diagram", "Physics Handbook", "BEA β" samt valfri kalkylator med tömt minne. I ovan angivna böcker är föreläsningsanteckningar i form av under- och överstrykningar, översättningar, hänvisningar och kommentarer tillåtna, men absolut inte lösningar till exempel eller tidigare tentatal. När ekvationer används utan härledningar bör källa anges. Använda symboler bör definieras om de avviker från kursmaterialets. OBS! Uppgifternas numrering är slumpartad och är inte kopplad till svårighetsgrad. För godkänt (betyg 3) krävs 15 poäng, för betyg 4 0 poäng och för betyg 5 5 poäng. Senast kl kommer Lennart Vamling, ankn. 301 eller Nikola Markovic, ankn. 3114, att första gången vara tillgänglig i skrivsalen. Lösningar finns anslagna på Värmeteknik och maskinläras anslagstavla. entamen kommer att rättas anonymt. Resultat meddelas via LADOK senast Granskning får ske kl och , kl i Värmeteknik och maskinläras bibliotek. Därefter kan tentor hämtas ut från Energi och miljös tentamensexpedition, EDI-huset, plan 3, ingång Maskingränd, rum 3434A (öppet mån-fre ) 1. För en ångkraft- (Rankine) cykel gäller att trycket vid turbininloppet är 5,0 MPa och temperaturen är 400 C, samt att trycket i turbinutloppet och i kondensorn är 10 kpa. urbinens isentropverkningsgrad är 85 %. a) Om pumparbetet anses försumbart, vad är cykelns termiska verkningsgrad? b) Vilket massflöde av ånga behövs för att turbinen skall kunna leverera 0,0 MW? (6 p). En vanlig bensindriven bilmotor kan beskrivas som en Otto-cykel. Delstegen i Ottocykeln är 1 Isentrop kompression 3 Isokor värmning 3 4 Isentrop expansion 4 1 Isokor kylning

2 CHALMERS (3) Energi och Miljö/Värmeteknik och maskinlära Kemi- och bioteknik/fysikalisk kemi ermodynamik (KVM091/KVM090) Antag att kompressionsförhållandet (kvoten mellan största och minsta volym i cykeln) är 10, att insugstemperaturen ( 1 ) är 90 K, att trycket P 1 är 0,085 MPa och att det högsta trycket som uppnås i cykeln är 6,0 MPa. Mängden i kolven får anses vara konstant och idealgas (med C P /C V = 1,35 och C V =3,8 J/(mol K) ). Beräkna övriga temperaturer (, 3 och 4 ) i cykeln? (6 p) 3. En gasblandning består av 60 mol-% 1,1,1,-tetrafluoroetan (R134a) och 40 % trifluorometan (R3). Antag att blandningen kan anses vara ideal och att förutsättningarna för Raoults lag kan anses som uppfyllda. Ångtryckskurvor för R134a och R3 finns nedan. Från början är trycket 0,1 MPa och temperaturen är 0 C. a) Om vi höjer trycket isotermt, vid vilket tryck börjar blandningen kondensera och vilken sammansättning har den första droppen? ( p) b) Om vi därefter kyler blandningen isobart, till vilken temperatur måste vi minst kyla för att hela blandningen skall övergå i vätskefas? (Om du inte löst deluppgift a, så får du anta att trycket är 0,3 MPa.) Eftersom data hämtas från diagram, så accepteras en felmarginal på +- 1 C. ( p) c) Antag att flödet av gasen är mol/s. Hur stor behöver då kyleffekten vara för det isobara steget i b)? Förångningsentalpin (vid 0 C) är för R134a 0,3 /mol och för R3 16,4 /mol. C p i vätskefas för aktuella tryck/temperaturer är för R134a 0,136 /(mol K) och för R3 0,091 /(mol K). (Om du inte löst deluppgift b, så får du anta att blandningen övergått i vätskefas vid -15 C) ( p) (otalt 6 p) 1,000 0,900 0,800 0,700 Ångtryck/MPa 0,600 0,500 0,400 0,300 0,00 0,100 0, emperatur/ C R134a R3

3 ermodynamik (KVM091) a) Den inre energins isentropa volymberoende ges för ett slutet system av ( U/ V ) S = P. Härled detta samband utgående från huvudsatser, definitioner och generella räkneregler för partiella derivator samt beräkna U då en mol ideal gas med C V = 5R/ expanderar isentropt från starttillståndet m 3 och K till slutvolymen 0.00 m 3. (3 p) b) För en isoterm process i ett slutet system gäller ( ) U V = ( ) S P. V Visa, utgående från denna ekvation, att för en gas som beskrivs av en trunkerad virialekvation P V = R + BP (där B endast beror av ) gäller ( ) U V = F ( )P, där F ( ) är en temperaturberoende funktion. Funktionen F skall anges. I denna deluppgift behöver du inte gå tillbaka till huvudsatser och definitioner, men stegen i härledningen skall motiveras. (3 p) 5. Betrakta gasfasjämvikten NOCl(g) NO(g) + Cl (g). ermodynamiska data (vid K) för reaktanter och produkter: NOCl NO Cl f H / mol S /J K 1 mol CP /J K 1 mol otalt: 6 poäng a) Använd givna data för att göra en så god uppskattning som möjligt av jämviktskonstanten vid 500 K. (3 p) b) Vid 375 K är jämviktskonstanten Vid ett experiment införs mol NOCl(g) i ett reaktionskärl med volymen m 3. Kärlet värms till 375 K. Beräkna partialtrycket av NO(g) vid jämvikt och reaktionsomsättningen, ξ = [n i n i (0)]/ν i. Gaserna får betraktas som ideala. ips: Utnyttja att jämvikten är starkt förskjuten åt vänster. (3 p) otalt: 6 poäng

4 Lösningsförslag ermodynamik Definitioner 1000J Uppgift 1 - Ångkraftcykel - numrering enligt E/L Givet: P3 = 5 MPa, 3 = 400 C, P4=P5=10 kpa ηturbin 0.85 Levererad_effekt_turbin 0MW Punkt 3: H och S fås ur tabell H S kg Punkt 4: kgk Vi behöver entropin för mättad vätska och mättad ånga vid samma tryck som punkt 4. S4V S4L kgk kgk Med hjälp av detta och att det ideala förloppet är isentropt kan vi beräkna ångfraktionen efter ideal (isentropisk) expansion S3 S4L qis qis 0.8 S4V S4L När vi vet ångfraktionen kan vi även beräkna entalpin i punkt "4is" H4L H4V H4is ( 1 qis) H4L qish4v kg kg kg Entropin efter "verklig" expansion fås ur definition av isentropverkningsgrad: H4 H3 ( H3 H4is) ηturbin kg Givet är att pumpenergin anses försumbar. Det ger H6 H4L a) Sökt är den termiska verkningsgraden, dvs lev arbete/tillfört värme H3 H4 η_θ H3 H b) Sökt är massflöde för att uppnå önskad lev. effekt mprick Levererad_effekt_turbin H3 H kg s Svar: Cykelns termiska verkningsgrad är 30,9 % och ett ångflöde på 1,5 kg/s behövs för att turbinen skall kunna leverera önskad effekt.

5 Uppgift - Otto-cykeln Givet: Volymkompressionsförhållandet ε = V1/V ε 10 Efter insug 1 90K P MPa Högsta tryck 6 MPa. Högsta trycket har vi efter den isokora värmningen, alltså P3 6MPa Arbetsmediets egenskaper (κ=cp/cv): κ 1.35 Cv 3.8 Steg 1- Isentrop kompression - utgå från E/L 3.3/4.9 J molk 1ε κ K P P1ε κ P 1.903MPa Steg -3 Isokor värmning - utgå från idealgaslagen 3 P3 P K Steg 3-4 Isentrop expansion - se steg 1-4 Svar: emperaturerna är 649 K, 047 K och 914 K. Uppgift 3 - ideal blandning 3ε 1κ K Låt ämne 1 vara R134a och ämne R3. Givet är att Raoults lag är giltig och Sammansättning z z 0.6 z 0.4 a) Sökt är P för given temp och gasfas-sammansättning, dvs en daggpunktsberäkning y z Ur diagram: Psat0 0.9MPa Psat0 0.81MPa Rauolts lag (summera x) ger P0 1 y i Psat0 i 1 i 0.39MPa E/L 9.56/10.11 P0y x Psat

6 b) Givet är P (=P0) och att allt skall kondensera, dvs x=z. Vi behöver göra en bubbelpunktsberäkning. x z Gissa t.ex. att t=-10 C Ur diagram Psat 0.0MPa Psat 0.58MPa xpsat E/L 9.55/10.13 y y 0.90 P i i 1 Summa y blir mindre än 1, alltså har vi gissat för låg temp. Nytt försök temp -5 C Ur diagram Psat 0.4MPa Psat 0.69MPa xpsat y P i 1 y i För högt; men vi är något närmare än förra försöket, ny gissning -7 C Ur diagram Psat 0.3MPa Psat 0.65MPa xpsat y P i 1 y 1.0 i Stämmer någorlunda, vi nöjer oss med detta, troligtvis inte mer än en grad "fel". Beräkning med alternativt P0 (för de som ej klarat del a) P0_alt 0.3MPa Ur diagram -15 Psat 0.17MPa Psat 0.49MPa xpsat y P0_alt i 1 y i c) Sökt är kyleffekten från daggpunkt till bubbelpunkt. Eftersom blandningen är ideal, så kan vi räkna på "vart ämne för sig", dvs. blandningsentalpin är noll. Givet är ΔHvap 0.3 ΔHvap 16.4 CpL mol mol 1 Molflöde mol CpL s molk molk Från b) har vi att Δ 7K

7 Eftersom entalpi är en tillståndsekvation, så är vi fria att välja beräkningsväg. Den enklaste med givna uppgifter är att gå över från gasfas till vätskefas vid 0 C och sedan gå i vätskefas till sluttemperaturen. ΔHkond_mix Kyleffekt i 1 z ΔHvap CpL Δ i i i MolflödeΔHkond_mix 39.13kW mol Svar: a) rycket för att få daggpunkt vid 0 C behöver vara 0,39 MPa och molandelen R134a i gasfasen är då 80,7 % b) emperturen behöver sänkas till ca -7 C för att allt skall kondensera c) Kylbehovet för kondensation av mol/s är ca 39 kw

8 ermodynamik (KVM091) Kortfattade lösningsförslag till tentamen i ermodynamik , uppgifterna 4 och 5 4.a) Första huvudsatsen du = dq + dw, andra huvudsatsen (reversibel process) ds = dq/, reversibelt EC-arbete dw = P dv ger sambandet du = ds P dv. Med konstant entropi (ds = 0) fås direkt resultatet ( U/ V ) S = P. Q.E.D. Den finita ändringen ges av ( ) V U V U = dv = P dv. V 1 V V 1 S Gasen antas vara ideal och processen är isentrop (ds = 0), vilket innebär adiabatisk (dq = 0) i det reversibla fallet. För en sådan process gäller i idealgasfallet (Elliott/Lira s. 67/75) ( ) R/CV V1 = 1, V vilket med V = V ger = K Eftersom U = U( ) för en idealgas gäller du = C V d, vilket med konstant C V ger U = C V ( 1 ) mol 1. Samma resultat fås om uttrycket för insätts i idealgaslagen P V = R och det erhållna uttrycket P = R 1 V R/C V 1 V R/C V 1 sedan integreras över V enligt ekvationen ovan. 4.b) Entropiderivatan kan ersättas med hjälp av Maxwellrelationen ( ) ( ) S P =, V vilket leder till ( ) U = V V ( ) P V P. Enligt virialekvationen har vi (B är -beroende) P = R (V B) 1, dvs ( ) P V = R(V B) 1 R (V B) ( db/d ),

9 ermodynamik (KVM091) vilket insatt i vårt uttryck ger ( ) U R = V V B + R db (V B) d P = 1 ( ) R db R V B d = P db R d = F ( )P, där F ( ) = 1 db R d. 5.a) Beräkna H, S och C P för reaktionen vid K: H = i S = i C P = i ν i H (i) = J mol 1 ν i S (i) = J K 1 mol 1 ν i C P (i) =.15 J K 1 mol 1. Den obetydliga värdet på CP gör att H och S kan betraktas som konstanta, vilket skall påpekas om det utnyttjas. Alternativt beräknas nya värden (isobar temperaturändrings, antag konstant CP ): 1 = K = K), H ( ) = H ( 1 ) + C P ( 1 ) = J mol 1, S ( ) = S ( 1 ) + C P ln 1 = J K 1 mol 1. Beräkna G för reaktionen vid 500 K: G = H S = J mol 1. Utnyttja nu G = R ln K = K = b) Partialtrycken initialt och vid jämvikt: NOCl NO + Cl t = 0 P Jämvikt P 0 P P P Vi antar idealgasblandning, dvs a i P i /P : K = i ( Pi P ) νi = P NO P 1/ Cl P NOCl (P ) 1/ = P (P ) 1/ (P 0 P )(P ) 1/.

10 ermodynamik (KVM091) Vi samlar konstanterna i en faktor, C bar 1/ : C = K P = P 3/ P 0 P. Initialtrycket ges av idealgaslagen: P 0 = nr/v bar. Nu kan man utnyttja att reaktionsomsättningen är liten, vilket innebär att P 0 P P 0 : P 0 C P 3/, vilket ger P bar. Resultatet kan förbättras genom iteration: P = [C(P 0 P )] /3. Med startvärdet ovan finner man: i P i /bar Partialtrycket av NO är alltså P bar. Reaktionsomsättningen (beräknad via NO) ges av ξ = n NO 0 1 = P NOV R mol.