Цикл Карно и анализ закрытых систем | Термодинамика: промежуточный экзамен (Часть 1)

Добро пожаловать на Engineering Hack! Сегодня мы поговорим о цикле Карно. Мы будем пошагово решать промежуточный экзамен 2021 года по термодинамике, который посвящен циклу Карно. Если после просмотра этого видео у вас возникнут трудности или дополнительные вопросы по циклу, дайте мне знать, и мы сможем сделать полноценное видео. Но цель этого экзамена — повторить все темы, которые мы изучали с начала курса, и проверить понимание изменений состояния, необратимости (энтропии), циклов и применения уравнений идеального газа. Здесь нет ничего принципиально нового, и цикл Карно — это скорее предпосылка для повторения предыдущих тем, чем самостоятельный вопрос. Я разделил решение экзамена на два видео, так как одно видео было бы слишком большим. Постановка задачи: Цикл Карно состоит из следующих процессов: 1-2 изотермическое и обратимое подвод тепла; 2-3 адиабатическое и обратимое (изоэнтропическое) расширение; 3-4 изотермическое и обратимое отведение тепла; и 4-1 адиабатическое и обратимое (изоэнтропическое) сжатие. а) Нарисуйте этот цикл на диаграмме P-V, отметив систему нумерации и то, чем она отличается от изученной на занятиях. Цикл работает между высокотемпературным резервуаром при T = 720 кДж и низкотемпературным резервуаром при T = 300 кДж. б) Найдите T1, T2, T3 и T4. В качестве рабочего тела в цикле используется воздух. Предположим, что 𝑅 = 0,287 кДж/кгК и 𝑐p = 1,005 кДж/кгК, и что эти значения постоянны, не зависят от температуры, а воздух ведет себя как идеальный газ. В начале изотермического и обратимого процесса подвода тепла давление воздуха составляет 𝑃1 = 7000 кПа. c) Рассчитайте удельный объем воздуха в состоянии 1, 𝑣1, в м³/кг. В конце изотермического и обратимого процесса подвода тепла удельный объем воздуха удвоился. d) Вычислите удельный объем воздуха в состоянии 2, 𝑣2 в м³/кг. e) Вычислите давление воздуха в состоянии 2, 𝑃2 в кПа. f) Затем вычислите 𝑣3 в м³/кг, 𝑃3 в кПа, 𝑣4 в м³/кг и 𝑃4 в кПа. Внесите эти ответы в таблицу ниже. g) Используя уравнение энергетического баланса для замкнутых систем, рассчитайте 𝑞12 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑤12 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑞23 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑤23 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑞34 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑤34 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔, 𝑞41 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔 и 𝑤41 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔. h) Рассчитайте термический КПД цикла Карно, используя оба подхода: i) Рассчитайте изменение удельной энтропии для каждого процесса, т.е.: s2 - s1 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾, s3-𝑠2 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾, s4-s3 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾 и s1-s4 в 𝑘𝐽/𝑘𝑔𝐾. Ответ: a) Диаграмма в 08:10 b) T1=T2=720 K T3=T4= 300 K c) v1 = 0,02952 м³/кг d) v2 = 0,05904 м³/кг e) P2 = 3500 кПа f) v3 = 0,527 м³/кг P3 = 163,43 кПа v4 = 0,263 м³/кг P4 = 326,96 кПа Таблица в 17:10 g) Q12 = W12 = 143,23 кДж/кг Q23 = 0 W23 = 301,3 кДж/кг Q34 = W34 = -59,84 кДж/кг Q41 = 0 W41 = -301,66 кДж/кг h) e = ~58,2% i) s41 = s23 = 0 s12 = 0,2 кДж/кг·К s34 = -0,2 кДж/кг·К В этом видео: 00:00 Введение 0:19 Анализ цикла Карно 05:24 Построение P-v диаграммы 08:10 Определение температур 08:38 Анализ идеального газа 09:38 Удельный объем состояния 1 10:41 Удельный объем состояния 2 11:11 Давление состояния 2 12:20 Изоэнтропический анализ 13:38 Удельный объем состояния 3 14:32 Давление состояния 3 15:22 Удельный объем состояния 4 16:17 Давление состояния 4 17:10 Оценка ответов Чтобы узнать больше, пожалуйста, посмотрите видео до конца, и если у вас есть вопрос, задайте его в разделе комментариев. Если вам понравилось это видео, пожалуйста, ПОДПИШИТЕСЬ и не забудьте нажать на колокольчик 🔔, поставить 👍лайк, оставить комментарий и поделиться им. --------------------------- ▶️ Пожалуйста, подпишитесь: https://www.youtube.com/channel/UCK_YKMENZhxjuiJuDSoImKg ▶️ Смотрите больше видео: • Турбина и струйный конденсатор: https://www.youtube.com/watch?v=6COAqPxItx8 • Уравнение непрерывности: https://www.youtube.com/watch?v=yunLPGI-4A4 • Введение в удельный объем: https://www.youtube.com/watch?v=kI6F-nYPeeA • P.E. в паровой турбине: https://www.youtube.com/watch?v=Q7JNLYEDt2I #термодинамика #инженерныйуниверситет #решениепроблем #инженерныйлайфхак #удельныйобъем #насыщеннаясмесь #инженерныерешения #инженерноеделоАвстралии #инженерноедело #насыщеннаяжидкость #таблицысвойств #таблицыпара #университет #насыщенныйпар #качественныйгаз #чистоевещество