1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KTCN ĐỖ VĂN QUÂN BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Thái nguyên, 7-2013 2 Chương 1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT LÀM VIỆC (WORKING FLUIDS) I. Các dạng bài tập mẫu có lời giải Bài 1. Xác định thể tích riêng và khối lượng riêng của khí N 2 ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý và điều kiện áp suất dư p d = 0,2bar với nhiệt độ t = 127 o C. Biết áp suất khí quyển 750mmHg. Hướng dẫn giải - Điều kiện tiêu chuẩn vật lý: p o = 760 mmHg; t 0 = 0 o C Ở điều kiện tiêu chuẩn vật lý thể tích riêng v o và khối lượng riêng ρ o của N 2 được xác định từ phương trình trạng thái: - Ở điều kiện p d = 0,2bar nhiệt độ t = 127 o C thể tích riêng v và khối lượng riêng ρ của N 2 cũng được xác định tương tự: Bài 2. Một bình có thể tích 0,5m 3 chứa không khí ở áp suất dư 2 bar, nhiệt độ 20 o C. Lượng không khí cần thoát ra khỏi bình là bao nhiêu để áp suất trong bình có độ chân không 420mmHg trong điều kiện nhiệt độ trong bình coi như không đổi. Biết áp suất khí quyển 768mmHg. Hướng dẫn giải - Lượng không khí thoát ra khỏi bình G: G = G 1 - G 2 - Ở đây: G 1 , G 2 là lượng không khí có trong bình lúc đầu và sau khi lấy không khí ra khỏi bình, được xác định từ phương trình trạng thái Bài 3. Một bình thể tích 200lít chứa 0,2 kg khí N 2 áp suất khí quyển là 1 bar. Xác định chỉ số áp kế gắn trên nắp bình nếu: a. Nhiệt độ trong bình là 7 o C? b. Nhiệt độ trong bình là 127 o C? Hướng dẫn giải 3 Bài 4. Cho hệ thống như hình bên dưới: Manomet chỉ 80 kPa, xác định chênh lệch chiều cao h khi lưu chất trong ống hình chữ U?. Hướng dẫn giải Bài 5. Đo áp suất trong ống dẫn khí bằng chênh lệch chiều cao cột chất lỏng: Lưu chất trong ống là Hg có ρ Hg =13600 kg/m 3 , đầu ống tiếp xúc với khí quyển có áp suất p kq =760mmHg. Hãy xác định: áp suất trong ống? Hướng dẫn giải Áp suất trong ống: p=p kq +p d =760+15=775mmHg 4 Bài 6. Đo áp suất trong ống dẫn khí bằng chênh lệch chiều cao cột nước: Hướng dẫn giải Bài 7. Cho hệ thống thủy lực cân bằng như hình vẽ xác định đường kính D 2 : 5 Bài 8. Cho hệ thống bơm như hình vẽ: Bỏ qua chênh lệch chiều cao, nhiệt độ giữa đầu vào và ra của nước. Xác định hiệu suất truyền động trên trục ?. Hướng dẫn giải: 6 Bài 9. Khí N 2 ban đầu ở trạng thái 600kPa, 300K, thể tích 0,8 m 3 . Khí được nén đẳng nhiệt đến thể tích 0,1 m 3 . Xác định công trao đổi trong quá trình?. Hướng dẫn giải Bài 10. Phòng chứa 60 kg không khí ở trạng thái 120 kPa, 25 o C. Bức xạ mặt trời đi vào trung bình 0,8kJ/s , quạt có công suất 120 W được mở để lưu thông không khí. Xác định nhiệt độ phòng sau 30 phút ?. Hướng dẫn giải 7 Bài 11. Xác định độ biến thiên nội năng của 0,7 kg khí CO 2 khi nhiệt độ thay đổi từ 300 K đến 800 K. Hướng dẫn giải II. Bài tập sinh viên tự làm: Bài 1. Xác định khối lượng riêng và thể tích riêng của không khí ở điều kiện nhiệt độ t = 27 o C, áp suất p =1 bar. Bài 2. Khí CO 2 được bơm vào bình chứa với thể tích V =3m 3 bằng máy nén. Chỉ số áp kế gắn với nắp bình chứa trước và sau khi nén là 0, 3at và 3at nhiệt độ tăng từ 45 o C đến 70 o C. Xác định lượng CO 2 được bơm vào bình biết áp suất khí quyển bằng 700mmHg. Bài 3. Một bình kín thể tích là 100 lít chứa 2kg O 2 ở nhiệt độ 47 o C. Biết áp suất khí quyển p o =1bar. Xác định chỉ số đồng hồ áp kế gắn trên nắp bình. Bài 4. Một hỗn hợp khí gồm H 2 và O 2 . Thành phần khối lượng H 2 là 10%. Xác định hằng số chất khí của hỗn hợp, thể tích riêng của hỗn hợp ở điều kiện tiêu chuẩn. Bài 5.Một kg không khí gồm O 2 và N 2 có thành phần thể tích r O2 =21%, r N2 =79%. Xác định phân tử lượng  của hỗn hợp, hằng số chất khí của hỗn hợp và phân áp suất của O 2 và N 2 trong hỗn hợp khi áp suất của hỗn hợp là 10 bar. Bài 6. Một quả cầu chứa 0,288 (kg) khí hydrô (H 2 ) ở áp suất p d = 1,5 bar và nhiệt độ 27ºC. Nếu áp suất khí quyển là 750 mmHg thì đường kính của quả cầu là bao nhiêu?. Bài 7. Một bình Gas có thể tích 0,866 m 3 chứa khí mêtan (CH 4 ) ở áp suất 18 bar và nhiệt độ 27ºC. Nếu mỗi ngày sử dụng hết 0,5 (kg) để đun nấu thì bình Gas đó sử dụng được bao lâu?. Bài 8. Một bình hình trụ có đường kình 1000m chứa 5 (kg) khí oxy (O 2 ) ở áp suất p d = 2,5 bar và nhiệt độ 65ºC. Nếu áp suất khí quyển là 750 mmHg thì chiều cao của bình chứa khí oxy là bao nhiêu?. Bài 9. Một bình có thể tích 2 m 3 chứa khí Nitơ (N 2 ) ở nhiệt độ 27ºC và có áp suất bằng áp suất khí quyển (750 mmHg). Sau khi sử dụng hết 1kg trong khi nhiệt độ bình không thay đổi thì độ chân không trong bình bằng bao nhiêu?. Bài 10. Một bình chứa 4 (kg) khí Oxy (O 2 ) , sau khi sử dụng hết 900 (g) thì nhiệt độ trong bình là 25ºC còn áp suất trong bình là p d = 0,5 bar. Thể tích của bình chứa là bao nhiêu?. Biết áp suất của khí quyển là 750 mmHg. Bài 11. Một bình chứa khí CO 2 có thể tích là 1,06 m 3 ở áp suất 2,5 bar và nhiệt độ 27ºC. Sau khi được nạp thêm 1,7 kg khí CO 2 thì áp suất trong bình là 3,5 bar. Nhiệt độ của bình khí CO 2 sau khi nạp thêm có giá trị bằng bao nhiêu?. 8 Chương 2. NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG LỰC Bài 1. Gió chuyển động với vận tốc ổn định 8,5(m/s) Hãy xác định năng lượng gió ứng với: a. Mỗi đơn vị khối lượng, kg b. Khối lượng 10 kg c. Lưu lượng G =1154 (kg/s) Hướng dẫn giải Bài 2. Hãy xác định công suất truyền trên trục khi moment xoắn yêu cầu T=200 N.m, quay với vận tốc n=4000 vòng/phút. Hướng dẫn giải Bài 3. Xe hơi có khối lượng 1200 kg chuyển động đều với vận tốc ω=90km/h trên mặt ngang. Xe bắt đầu leo dốc có độ nghiêng 30 o so mặt ngang, giả sử xe vẫn giữ vận tốc ổn định như ban đầu. Hãy xác định công suất động cơ trong quá trình leo dốc?. Hướng dẫn giải Trong quá trình leo dốc giữ nguyên vận tốc nên động năng giữ không đổi, trong trường hợp này động cơ cung cấp năng lượng để tăng thế năng (đã bỏ qua công ma sát), công suất động cơ là năng lượng cungcấp trong một đơn vị thời gian. 9 Bài 4. Xe hơi có khối lượng 900 kg chuyển động trên mặt đường nằm ngang. Xác định công suất động cơ để xe từ trạng thái tĩnh tăng tốc đạt vận tốc 80km/h trong 20 giây. Hướng dẫn giải Trường hợp này công cung cấp làm thay đổi động năng (đã bỏ qua công ma sát), công suất động cơ là năng lượng cung cấp trong một đơn vị thời gian. Bài 5. Một bình kín chứa lưu chất nóng đang tỏa nhiệt, trong quá trình này bình nhận một công truyền từ trục cánh khuấy. Vào lúc ban đầu nội năng của lưu chất trong bình U 1 = 800kJ, nhiệt lượng tỏa ra môi trường qua thành bình là 500 kJ, công nhận từ trục cánh khuấy là 100 kJ. Xác định nội năng của lưu chất ở trạng thái sau, bỏ qua biến đổi năng lượng của cánh khuấy và trục nằm trong hệ thống. Hướng dẫn giải Biến đổi động năng và thế năng của hệ thống bằng 0, biến thiên năng lượng của hệ thống là biến đổi về nội năng. 10 Bài 6. Quạt có công suất 20W dùng để lưu động không khí trong phòng. Sử dụng quạt này để đáp ứng yêu cầu lưu lượng không khí qua quạt G=0,75(kg/s)ở vận tốc đầu ra ω = 8(m/s) được không?. Hướng dẫn giải Motor biến đổi năng lượng điện đầu vào một phần làm quay trục làm tăng động năng dòng không khí, một phần thành nhiệt tỏa ra môi trường do ma sát. Trong trường hợp lý tưởng bỏ qua ma sát, do đó toàn bộ năng lượng điện dùng làm tăng động năng dòng khí, bỏ động năng không khí đầu vào. Vận tốc lý tưởng chỉ đạt 7,3(m/s) nên yêu cầu trên không được đáp ứng. Bài 7. Trong một phòng ban đầu có nhiệt độ bằng nhiệt độ bên ngoài t out =30 o C. Người ta sử dụng quạt lớn có công suất 200W để lưu động gió trong phòng, do quạt hoạt động làm phát sinh chênh lệch nhiệt độ giữa trong phòng và bên ngoài nên có nhiệt lượng trao đổi, nhiệt lượng trao đổi xác định theo biểu thức: Trong đó A= 30m 2 diện tích các vách của phòng t out nhiệt độ ngoài phòng, o C t in nhiệt độ trong phòng, o C K f = 6(W/m 2 K)- hệ số truyền nhiệt qua vách. Hãy xác định nhiệt độ không khí trong phòng khi hệ thống làm việc ở điều kiện ổn định. Hướng dẫn giải [...]... pha hơi? Bài 60 Khi nén đẳng nhiệt 4 kg chất khí có hằng số khí R = 189 J/kg.K từ áp suất 2 at đến 5,4 at, cần thải một lượng nhiệt 378 kJ (coi là khí lý tưởng) Xác định nhiệt độ của quá trình, thể tích cuối cùng của chất khí đó? 30 Chương 4 ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘNG 2 I Các dạng bài tập mẫu có lời giải Bài 1 Bài 2 31 Bài 3 Bài 4 32 Bài 5 33 Bài 6 Bài 7 Bài 8 34 II Phần bài tập sinh viên tự làm Bài 1... chu trình động cơ nhiệt có khả năng sinh công tại đầu ra là 410kJ và năng lượng cấp vào cho động cơ là 1000kJ Hệ thống hoạt động theo chu trình và nhận nhiệt từ nguồn nóng có nhiệt độ 500K và thải nhiệt cho môi trường không khí có nhiệt độ 300K Hỏi rằng cải tiến trên có khả thi hay không? Bài 2 Một chu trình bơm nhiệt được dùng để duy trì nhiệt độ trong ngôi nhà 20oC Ở trạng thái ổn định, bơm nhiệt nhận... có nhiệt độ 10 oC và thải nhiệt vào trong ngôi nhà với năng suất 120000kJ/h Trong khoảng 14 ngày đồng hồ báo chỉ số điện sử dụng cho bơm nhiệt là 1490 kW.h Xác định: a Lượng nhiệt bơm nhiệt nhận được từ nước trong khoảng thời gian 14 ngày b Hệ số làm nóng của bơm nhiệt c Hệ số làm nóng của bơm nhiệt khi nó hoạt động giữa nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh lần lượt là 20oC và 10oC 35 Bài 4 Bài. .. trạng thái cuối c Tổng công tác động lên khối khí d Phần công tác động chống lại lực lò xo Bài 24 1kg nước ở áp suất 1 bar, nhiệt độ 20 oC được đốt nóng đến 200 oC trong điều kiện áp suất không đổi Xác định nhiệt lượng q 1 đốt nóng nước ban đầu đến nhiệt độ sôi, nhiệt lượng q2 biến nước sôi thành hơi bão hoà khô, nhiệt lượng q3 biến hơi bão hoà khô thành hơi quá nhiệt và nhiệt lượng q biến nước ban đầu... Hệ số làm nóng của bơm nhiệt c Hệ số làm nóng của bơm nhiệt khi nó hoạt động giữa nhiệt độ nguồn nóng và nhiệt độ nguồn lạnh lần lượt là 20oC và 10oC 35 Bài 4 Bài 5 Bài 6 Bài 7 Bài 8 Bài 9 Bài 10 36 Bài 11 Bài 12 Bài 13 Bài 14 Bài 15 Bài 16 ... giải 20 Bài 15 Một bình kín có thể tích 80 lít chứa 4 kg R-134a ở áp suất 160 kPa Hãy xác định a Nhiệt độ b Độ khô c Enthalpy d Thể tích của pha hơi Hướng dẫn giải 21 22 II Các bài tập sinh viên tự làm Bài 1 Nước ở dạng băng có phải chất thuần khiết không? Tại sao? Bài 2 Phân biệt sự khác nhau giữa lỏng bão hòa và lỏng chưa sôi? Bài 3 Phân biệt giữa hơi bão hòa và hơi quá nhiệt? Bài 4 Tại sao nhiệt độ... bar từ nhiệt độ 20 oC đến 110oC Tính thể tích cuối, nhiệt lượng, công thay đổi thể tích, lượng thay đổi nội năng và entrôpi Bài 27 Không khí có thể tích 2,48 m3, nhiệt độ 15 oC, áp suất 1 bar, khi bị nén đoạn nhiệt không khí nhận công thay đổi thể tích 471kJ Xác định nhiệt độ cuối, sự thay đổi nội năng và entanpi Bài 28 2 kg khí O2 thực hiện quá trình đa biến với chỉ số mũ đa biến n = 1,2 từ nhiệt độ... oC Hãy xác định nhiệt độ, áp suất của hỗn hợp khi mở van nối hai bình Bài 44 Dòng không khí thứ nhất có lưu lượng G1 = 100kg/s, nhiệt độ 150oC hỗn hợp với dòng không khí thứ hai có lưu lượng G2 = 144000kg/h, nhiệt độ 200 oC Xác định nhiệt độ của hỗn hợp Bài 45 Một dòng không khí có khối lượng G2 = 10kg nhiệt độ t2 = 127 oC được nạp vào bình có thể tích V = 10m3 chứa sẵn một không khí ở nhiệt độ t1 =...11 Bài 8 Hộp truyền động ở điều kiện làm việc ổn định có trao đổi năng lượng như hình bên dưới: Công suất nhận ở trục truyền động đầu vào 60 kW, trong quá trình hoạt động do có chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt hộp truyền động và không khí môi trường nên có trao đổi nhiệt đối lưu: Hãy xác định công suất trên trục ở đầu ra Hướng dẫn giải 12 Bài 9 Chip điện tử có diện tích... Xác định tốc độ lưu động và kích thước cơ bản của ống Bài 50 Hơi nước quá nhiệt ở áp suất và nhiệt độ ban đầu p1 = 30 bar; t1 = 450 oC, lưu động đoạn nhiệt qua ống tăng tốc hỗn hợp vào môi trường có áp suất p2 = 10bar Xác định tốc độ tại cửa ra của ống và lưu lượng nếu biết đường kính tại cửa ra của ống d2= 40mm, xác định tốc độ thực nếu biết hiệu suất của ống tăng tốc ηt = 0,81 Bài 51 Khí hai nguyên . 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC KTCN ĐỖ VĂN QUÂN BÀI TẬP NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC . có giá trị bằng bao nhiêu?. 8 Chương 2. NĂNG LƯỢNG TOÀN PHẦN CỦA HỆ NHIỆT ĐỘNG LỰC Bài 1. Gió chuyển động với vận tốc ổn định 8,5(m/s) Hãy xác định năng lượng gió ứng với: a. Mỗi. đáp ứng. Bài 7. Trong một phòng ban đầu có nhiệt độ bằng nhiệt độ bên ngoài t out =30 o C. Người ta sử dụng quạt lớn có công suất 200W để lưu động gió trong phòng, do quạt hoạt động làm phát