PTG 2015 övning 1. Problem 1

Relevanta dokument
PTG 2015 övning 3. Problem 1

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

Termodynamik Föreläsning 5

EGENSKAPER FÖR ENHETLIGA ÄMNEN

Om trycket hålls konstant och temperaturen höjs kommer molekylerna till slut att bryta sig ur detta mönster (sublimation eller smältning).

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Termodynamik FL1. Energi SYSTEM. Grundläggande begrepp. Energi. Energi kan lagras. Energi kan omvandlas från en form till en annan.

Omtentamen i teknisk termodynamik (1FA527) för F3,

Lite kinetisk gasteori

Tentamen i KFK080 Termodynamik kl 08-13

P1. I en cylinder med lättrörlig(friktionsfri) men tätslutande kolv finns(torr) luft vid trycket 105 kpa, temperaturen 300 K och volymen 1.40 m 3.

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Övningsuppgifter termodynamik ,0 kg H 2 O av 40 C skall värmas till 100 C. Beräkna erforderlig värmemängd.

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 7 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 7. strömningslära, miniräknare.

Räkneövning 2 hösten 2014

Tentamen i teknisk termodynamik (1FA527)

Linköpings tekniska högskola IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

PTG 2015 Övning 4. Problem 1

Termodynamik FL5. Konserveringslag för materie. Massflöde (Mass Flow Rate) MASSABALANS och ENERGIBALANS I ÖPPNA SYSTEM. Massflöde:

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Kap 4 energianalys av slutna system

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Kap 5 mass- och energianalys av kontrollvolymer

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 8 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 8. strömningslära, miniräknare.

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Tentamen i Termodynamik Q, F, MNP samt Värmelära för kursen Värmelära och Miljöfysik 20/8 2002

Termodynamik FL4. 1:a HS ENERGIBALANS VÄRMEKAPACITET IDEALA GASER ENERGIBALANS FÖR SLUTNA SYSTEM

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Räkneövning 5 hösten 2014

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Repetition. Termodynamik handlar om energiomvandlingar

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Ch. 2-1/2/4 Termodynamik C. Norberg, LTH

a) Vi kan betrakta luften som ideal gas, så vi kan använda allmänna gaslagen: PV = mrt

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Kapitel 6. Termokemi

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

PHYS-A5120 Termodynamik period II ho sten Vecka 45

U = W + Q (1) Formeln (1) kan även uttryckas differentiells, d v s om man betraktar mycket liten tillförsel av energi: du = dq + dw (2)

Temperatur T 1K (Kelvin)

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 2 IKP/Mekaniksystem Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 2

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Termodynamik FL3. Fasomvandlingsprocesser. FASER hos ENHETLIGA ÄMNEN. FASEGENSKAPER hos ENHETLIGA ÄMNEN. Exempel: Koka vatten under konstant tryck:

Applicera 1:a H.S. på det kombinerade systemet:

Termodynamik Föreläsning 4

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

2-52: Blodtrycket är övertryck (gage pressure).

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Föreläsning 14: Termodynamiska processer, värmemaskiner: motor, kylskåp och värmepump; verkningsgrad, Carnot-cykeln.

Arbetet beror på vägen

LABORATION 2 TERMODYNAMIK BESTÄMNING AV C p /C v

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 6 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 6. strömningslära, miniräknare.

Kapitel 6. Termokemi

6 Tryck LÖSNINGSFÖRSLAG. 6. Tryck Tigerns tryck är betydligt större än kattens. Pa 3,9 MPa 0,00064

Innehållsförteckning

Termodynamik FL 2 ENERGIÖVERFÖRING VÄRME. Värme Arbete Massa (endast öppna system)

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Kap 6: Termokemi. Energi:

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Termodynamik Föreläsning 2 Värme, Arbete, och 1:a Huvudsatsen

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2014

Överhettad ånga, Table A-6 (2.5 MPa): T [ C] v [m 3 /kg] ? Linjär interpolation:

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Energi- och processtekniker EPP14

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Då du skall lösa kemiska problem av den typ som kommer nedan är det praktiskt att ha en lösningsmetod som man kan använda till alla problem.

Linköpings tekniska högskola Exempeltentamen 5 IEI / Mekanisk värmeteori och strömningslära. Exempeltentamen 5. strömningslära, miniräknare.

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

BESTÄMNING AV C P /C V FÖR LUFT

Tentamen i termisk energiteknik 5HP för ES3, 2009, , kl 9-14.

10. Kinetisk gasteori

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Termodynamik Föreläsning 3

T / C +17. c) När man andas utomhus en kall dag ser man sin andedräkt som rök ur munnen. Vad beror det på?

Övningstentamen i KFK080 för B

WALLENBERGS FYSIKPRIS

Vad tror du ökning av entropi innebär från ett tekniskt perspektiv?

Termodynamik och inledande statistisk fysik

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

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

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

Övrigt: Uppgifterna 1-3 är på mekanik, uppgifterna 4-5 är på värmelära/termodynamik

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Tentamen ges för: Årskurs 1. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

Transkript:

PTG 2015 övning 1 1 Problem 1 Enligt mätningar i fortfarighetstillstånd producerar en destillationsanläggning 12,5 /s destillat innehållande 87 vikt % alkohol och 19,2 /s bottenprodukt innehållande 7 vikt % alkohol, då tillflödet 31,6 /s innehåller 42 vikt % alkohol och resten vatten. Kan mätningarna stämma? 2 1

3 Problem 1 Massbalans för hela systemet: m? in m ut m 31,6 in s m ut m 12,5 19,2 s s in m ut 31,7 s 4 2

Problem 1 Massbalans för etanol: m? m EtOH EtOH in m in EtOH ut m tot x EtOH in 31,6 0,42 13,272 s s m EtOH ut m dest x EtOH dest m x EtOH 12,5 0,87 19,2 0,07 12,219 s s s bot bot m EtOH m in EtOH ut 5 Problem 2 Beräkna hur stort expansionsarbetet är då 1 luft vid 100 kpa uppvärms från 0 C till 100 C. Luft kan anses vara en idealgas. Idealgas: p V n R T M 29 g mol m 1000 g 6 3

7 8 4

pv nrt mrt1 V1 M p Problem 2 m n M m RT2 V2 M p m pv RT M 1000 g 8,314 J mol K 100 0 29 g mol 28,67 kj 9 Problem 3 En cylinder kolv montering, lik den i figuren intill, innehåller luft vid 30 C. Kolven väger 15 N och har en tvärsnittsarea på 0,12 m 2. Luftens volym är inledningsvis 3,5 m 3. Cylindern värms upp tills luftens volym har stigit till 6,5 m 3. Det atmosfäriska trycket är 100 kpa. a) Beräkna den slutliga temperaturen b) Bestäm arbetet som utförs av luften mot både cylindern och atmosfären 10 5

Problem 3 Tips: Använd idealgaslagen för att hitta temperaturen. För att beräkna arbetet har vi: W pdv Antagande: 1. Luft kan antas vara en idealgas under dessa förhållanden 2. Det finns ingen friktion mellan cylindern och väggarna 3. Processen framskrider som en serie av kvasi jämviktstillstånd 11 p 1 p 2 V1 V2 2 Problem 3 Vi väljer luften som systemet vi beaktar. Processen sker under ett konstant tryck, varvid Enligt idealgaslagen gäller mrt m RT 1 p1v1 p2v2 M M Dessa ekvationer antyder att T1 T varmed vi kan lösa ut T 2 V T1 V 2 1 3 6,5 m 30 3 3,5 m 273K 563 K 290 C 2 12 6

V Problem 3 Då kvasi jämvikt råder får vi för arbetet W 2 2 p dv p dv p V V V1 V1 p p atm mg A V 2 1 Trycket kan avlägsnas från integralen då den är konstant i denna process. Trycket orsakas av det atmosfäriska trycket plus tyngden från kolven som fördelas över kolvens area. Arbetet kan nu beräknas: 15 N 1 kpa 100 kpa 100,1 kpa 2 0,12 m 1000 Pa 100,1 kpa 6,5 3,5 m 300 kj Märk att kolvens tyngd är försumbar jämförd med det tryck som skapas av atmosfären. 13 Problem 4 Silangas, SiH 2, vars molmassa är 22/kmol, används vanligtvis vid tillverkningen av halvledare. Den kritiska temperaturen för silan är 3 C och det kritiska trycket är 47,38 atm. En tank på 1 m 3 innehåller silan vid 2400 kpa och 24 C. Hur många silan finns det i tanken? Silan kan inte antas uppföra sig som en idealgas vid dessa omständigheter. Givet: M = 22 /kmol; T CR = 3 C; p CR = 47,38 atm pvm Styrande förhållanden: Z RT 14 7

15 16 8

p R p p CR Problem 4 Det reducerade trycket beräknas enligt: 2400 kpa 0,5 47,38 atm 101,3 kpa atm Den reducerade temperaturen å sin sida enligt: T R T T CR (24 273) K 1,1 ( 3 273) K Z fås från det generaliserade diagrammet för kompressibilitet. 17 18 9

Problem 4 Från diagrammet fås att Z 0,87.,878,3145 kj 24 273 K kmol K 0,0407 m 22 2400 kpa kmol 0 3 Därmed är massan i tanken: kpa kj m m v V 1m 3 0,0407 m 3 24,6 19 Problem 4 Diskussion kring resultatet: Ifall vi hade antagit att gasen var ideal (Z = 1) skulle vi ha fått en specifik volym som hade varit 15 % för hög. Detta skulle ha lett till att massan hade underestimerats. Det bör även noteras att då vi räknar med p och T bör vi använda absoluta tryck och temperaturer (K). Det enda undantaget är då vi beräknar temperaturskillnader, då ΔT är samma i både absoluta och relativa temperaturer. 20 10

Problem 5 En arktisk upptäcktsresande bygger ett tillfälligt skydd av vindpackad snö. Skyddet är ungefär halvklotformigt med inre radien 1,5 m. Då skyddet är klart tar sig upptäcktsresanden in i det och sluter ingången med ett stycke snö. Antag att skyddet är lufttätt och att värmeledningen genom väggarna är försumbar. Ifall temperaturen är 10 C då skyddet blir klart, hur lång tid tar det innan temperaturen i skyddet når +10 C? 21 Problem 5 Antaganden: 1. Upptäcktsresanden kommer inte att kvävas eller förfrysas till döds under tiden. 2. Upptäcktsresanden avger 300 kj/h värme. 3. Systemet består av luften som finns inuti skyddet. 4. c v = 0,717 kj/ 22 11

23 QU mcvt m pvm RT Problem 5 Från termodynamikens första grundsats får vi: 1 4 3 101 kpa 1,5 m 28,97 2 3 8,314 kj 10 273 kmol K Q Q t mcvt -10 C Luftens massa kan beräknas med idealgaslagen kmol K 10 C 9,46 Den enda värme som tillförs systemet är kroppsvärmen. Väggarna antas vara tjocka och mycket isolerande. Värmeflödet bidrar till den totala värmeöverföringen enligt Q r = 1,5 m 24 12

Vi löser ut tiden: mc t v T Q 2 T 1 Problem 5 9,46 0,71 kj K 10 10 300 kj h 0,45 h 27 min Anmärkning: I verkligheten måste frisk luft få flöda in i skyddet för att hindra kvävning av upptäcktsresanden. Detta gör att uppvärmningen tar längre tid än beräknat. 25 Problem 6 En fluid cirkulerar i ett kraftverk med fyra olika anläggningar, A, B, C och D, enligt figuren intill. För denna process finns det information om massaströmmar ṁ, entalpier h och energiflöden Q (värme) och W (arbete), som anges i tabellen nedan. Beräkna alla de 7 värden som saknas i tabellen. Flow number ṁ (/s) h (J/) Device (W) (W) 1 15 A 150 0 2 13 B 30 3 25 9 C 0 4 D 0 5 5 5 Q W 26 13

Problem 6 Antagande: Ingen värme överförs från linjerna mellan anläggningarna 27 Massans oförstörbarhet m 3 4 D 4 A m 5 m m m 1 25 s 5 s 30 s m 1 m4 30 s m 1 B m 5 m 2 30 s 5 s 25 s 28 14

Energins oförstörbarhet m h 2 Q C C m h 3 25 s 13 J 25 s 9 J 100 J s mh 4 A Q A mh 1 30 s 15 J 150 J s 30 s 10 J 29 Energins oförstörbarhet mh 3 mh 5 D W D mh 4 30 s 10 J 25 s 5 s 9 J 5 J s 14 J m h 1 Q b m h 5 B W B m h 2 30 s 15 J 30 J s 5 s 14 J 25 s 13 J 25 J s 30 15

Problem 6 Trots att detta exempel var rätt så långt kunde det lösas ganska enkelt då principen om massans och energins oförstörbarhet tillämpades på varje anläggning i tur och ordning. 31 Problem 7 En viss volym gas i en behållare, vid tillstånd 0, tar emot Q 1 = 180 kj värme medan dess volym förblir oförändrad vid V = V 0, vilket överför gasen till tillstånd 1. Efter det avger gasen Q 2 = 200 kj värme medan den tar emot W 2 = 50 kj energi i form av arbete, efter vilket den är vid tillstånd 2. Från detta tillstånd återförs gasen till tillstånd 0 genom att utbyta arbete W 3 med en annan process. a. Hur mycket arbete har utförts av systemet under denna processcykel? b. Om systemets inre energi U är lika med U 0 = 0 J vid 0 tillståndet, beräkna de inre energierna U 1 och U 2 vid tillstånden 1 och 2. 32 16

Problem 7 Den cykliska processen återvänder till tillstånd 0 efter varje varv, vilket betyder att vilket här innebär att 0 0 180 kj 50 kj 200 kj 30 kj 33 Problem 7 Processen utför alltså 30 kj arbete mellan tillstånden 2 och 0. Processen tar dock emot 50 kj arbete mellan tillstånden 1 och 2, så under en cykel tillförs 20 kj arbete till processen. 34 17

Problem 7 Vid tillstånd 0 har vi definierat att U 0 = 0. Därmed gäller att 0 180 kj 180 kj 180 kj 50 kj 200 kj 30 kj 35 18