Меню

В цилиндре под поршнем находится воздух под давлением 200 кпа

В цилиндре под поршнем находится воздух при давлении 0,2 МПа

Условие задачи:

В цилиндре под поршнем находится воздух при давлении 0,2 МПа и температуре 27° C. Какой массы груз нужно положить на поршень после нагревания воздуха в цилиндре до 50° C, чтобы объем воздуха был равен первоначальному? Площадь поршня 30 см 2 .

Задача №4.3.31 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

\(p_0=0,2\) МПа, \(t_0=27^\circ\) C, \(t_1=50^\circ\) C, \(S=30\) см 2 , \(V_1=V_0\), \(m-?\)

Решение задачи:

Решающему может показаться, что раз конечный объем равен первоначальному, что имеет место изохорный процесс. Это предположение не верно, поскольку в данном случае объем меняется, и лишь начальное и конечное его значения равны между собой.

На самом деле все намного интереснее, и все действие описывается двумя процессами.

Когда газ начнут нагревать, то этот процесс нагрева является изобарным (\(p=const\)), т.к. вес поршня \(P\) и давление \(p_<атм>S\), оказываемое атмосферой, не меняются.

Далее, когда на поршень поставят груз некоторой массы \(m\), то объем воздуха уменьшится до первоначального. Давайте подумаем, какой это процесс. Он точно не изохорный, поскольку газ сжимается, и не изобарный, так как давление газа будет увеличиваться, пока поршень с грузом не остановится. Но может ли этот процесс быть изотермическим? Давайте обратимся к первому началу термодинамики:

Поршень будет совершать работу над газом, поэтому перепишем выражение в следующем виде (так как \(A=-A_<над>\)):

Нам известно, что теплоту к газу в этом процессе не подводят, т.е. \(Q=0\).

Получается, что внутренняя энергия газа меняется за счет совершения поршнем работы над ним, а значит меняется и температура!

Видимо автор предполагал, что второй процесс будет идти медленно, что температура не будет меняться. Или просто в условии забыли указать об этом явно (кстати, температуру можно держать постоянной, если лишнее тепло отводить). Если решать задачу, исходя из этого предположения (\(T=const\)), тогда мы сможем получить численный ответ, совпадающий с ответом в сборнике.

Процессы, происходящие с газом, и силы, действующие на поршень, можно увидеть на приведенном рисунке.

Запишем силы, действующие на поршень, в самом начале и самом конце:

Вычтем из выражения (2) выражение (1) и выразим массу \(m\):

Запишем объединенный газовый закон (уравнение Клапейрона) для самого начала и самого конца:

Учитывая, что связь между шкалами температур выражается как \(T=t+273\), то:

Подставим полученное выражение в формулу для нахождения массы груза:

Подставим исходные данные в СИ, получим численный ответ:

Ответ: 4,6 кг.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Если Вам понравилась задача и ее решение, то Вы можете поделитесь ею с друзьями с помощью этих кнопок.

Источник

В цилиндре под поршнем находится воздух под давлением 200 кпа

Решение задач по гидравлике запись закреплена

1. Термодинамические параметры

1.1. Слиток свинца, имеющего плотность ρ = 11,3 г/см3, объемом V = 1 дм3 взвешен при помощи пружинных весов на полюсе, где ускорение свободного падения g90º = 9,8324 м/с2. Каков вес свинца, выраженный в ньютонах и в килограмм-силах? Что покажут пружинные весы на экваторе, где g0º = 9,780 м/с2?

1.2. Манометр, установленный в открытой кабине самолета, находящегося на земле, и измеряющий давление масла, показывает 6 кгс/см2 при показаниях барометра 752 мм рт.ст.

Каково абсолютное давление масла, выраженное в ньютонах на квадратный метр, килограмм илах на квадратный сантиметр, мегапаскалях, миллиметрах ртутного столба, миллиметрах водяного столба?
Каковы будут показания манометра в этих же единицах после подъема самолета на некоторую высоту, где атмосферное давление В = 442,5 мм рт.ст., если абсолютное давление остается неизменным?
Ускорение свободного падения [gм = 0,98055 м/с2] считать нормальным и не зависящим от высоты подъема самолета. Плотность ртути и воды принимать соответственно при 0º и 4ºС:

ρНg0ºС = 13,596 · 103 кг/м3; ρНg4ºС = 1,0 · 103 кг/м3.

1.3. В конденсаторе паровой турбины поддерживается абсолютное давление р = 0,004 МПа. Каковы показания вакуумметров, проградуированных в килоньютонах на квадратный метр, миллиметрах ртутного столба и в английских фунтах на квадратный дюйм, если в одном случае показания барометра составляют 735 мм рт.ст., а в другом – 764 мм рт.ст.?

1.4. Цилиндр диаметром d = 200 мм [рис. П.1.1]* плотно закрыт подвешенным на пружине поршнем, условно невесомым и скользящим без трения. В цилиндре образован вакуум, составляющий ω = 90% барометрического давления В = 0,101 МПа. Определить силу F натяжения пружины, если поршень неподвижен.

1.5. Для измерения малых избыточных давлений или небольших разряжений применяются микроманометры. Принципиальная схема прибора представлена на рис. П.1.2. Определить абсолютное давление в воздухопроводе 1, если длина столба l жидкости в трубке микроманометра 2, наклоненной под углом α = 30º, равна 180 мм. Рабочая жидкость – спирт плотностью ρ = 0,8 г/см3. Показание барометра 0,1020 МПа. Давление выразить в мегапаскалях, миллиметрах ртутного столба и в килограмм-силах на квадратный сантиметр.

Читайте также:  Лекарство для лечения повышенного нижнего давления

1.3. В паросборнике находится водяной пар в количестве 300 кг. Определить объем паросборника, если удельный объем пара ν = 20,2 г/см3.

1.7. Объем баллона, содержащего газ под давлением р = 1,2 · 105 Па, составляет V = 6 л. Каким станет давление ρ2 газа в баллоне, если его соединить с другим баллоном объемом V* = 10 л, практически не содержащим газа [температура остается постоянной]?

1.8. В баллон емкостью V = 12 л поместили m1 = 1,5 кг азота при температуре t2 = 327ºС. Какое давление ρ2 будет создавать азот в баллоне при температуре t2 = 50ºС, если 35% азота будет выпущено? Каково будет начальное давление р1?

1.9. На дне сосуда, заполненного воздухом, лежит полный стальной шарик радиусом r = 2 см. Масса шарика mм = 5 г. До какого давления р надо сжать воздух в сосуде, чтобы шарик поднялся вверх? Считать, что воздух при больших давлениях подчиняется уравнению газового состояния. Температура воздуха t = 20ºС = const (сжатия воздуха происходит достаточно медленно).

1.10. При нагревании газа на 1 К при постоянном давлении его объем увеличился на 0,005 первоначального. При какой температуре находился газ?

1.11. Два баллона соединены трубкой с краном. В первом баллоне газ находится под давлением р1 = 2 · 105 Па, во втором – под давлением р2 = 1,2 · 105 Па. Емкость первого баллона V = 2 л, второго V = 6 л. Температура газов в обоих баллонах одинакова. Какое давление установится в баллонах, если открыть кран?

1.12. На какой глубине радиус пузырька воздуха вдвое меньше, чем у поверхности воды, если барометрическое давление у поверхности равно р2?

1.13. Цилиндр с газом разделен на четыре камеры тремя навесными поршнями (рис. П.1.3). В каждой секции находится газ, состояние которого характеризуется параметрами р1V1Т1, р2V2Т2, р3V3Т3. Каковы будут объемы и давления в каждой секции после того, как освободить поршни и дать им возможность свободно двигаться, а температуру изменить до Т2?

1.14. В U-образной трубке, запаянной с одного конца, высота столба воздуха l = 300 мм, а высота столба ртути h0 = 110 мм (рис. П.1.4). В правое колено долили столько ртути, что ее уровень поднялся на Δh0 = 40 мм. Насколько поднялся уровень ртути в левом колене? Атмосферное давление р0 = 1,01 · 105 Па (760 мм рт.ст.).

1.15. После погружения металлической трубки в резервуар с водой оказалось, что уровень воды в трубке поднялся на высоту 0,75 м при длине трубки 0,95 м. Определить глубину погружения трубки в резервуар Н, если барометрическое давление В = 750 мм рт.ст.

2. Законы идеальных газов. Уравнение состояния

2.1. Начальное состояние азота задано параметрами t = 200ºС, ν = 1,9 м3/кг. Азот нагревается при постоянном давлении, причем объем азота увеличивается до 5,7 м3/кг. Определить конечную температуру.

2.2. В цилиндре с подвижным поршнем находится кислород при t = 80ºС и разрежение (вакуум), равном 427 гПа. При постоянной температуре кислород сжимается до избыточного давления ризб = 1,2 МПа. Барометрическое давление В = 993 гПа. Во сколько раз уменьшится объем кислорода?

2.3. Баллон емкостью V, наполненный газом при давлении р и температуре Т взвесили, причем его вес оказался равным Р. Из баллона откачали часть газа, после чего давление упало до р1 при той же температуре. Вес баллона в этом случае оказался равным Р1. Определить плотность газа при нормальных условиях.

2.4. В комнате объемом V1 = 60 м3 температура поднялась с t1 = 17º до t2 = 27ºС. Давление при этом изменилось от р1 = 1,03 · 105 Па до р2 = 1,03 · 105 Па (среднюю массу одного киломоля воздуха принять равной μ = 29 кг/кмоль) На какую величину Δm изменилась масса воздуха в комнате?

2.5. Плотность пара некоторого соединения углерода с водородом равна ρ = 3 кг/м3 при температуре 43ºС и давлении 99 · 103 Па. Какова молекулярная масса этого соединения?

2.6. Определить температуру газа, находящегося в закрытом баллоне, если его давление, увеличилось на 0,4% первоначального при нагревании на ΔТ = 1 К.

2.7. Сколько ртути войдет в стеклянный баллончик объемом V0, нагретый до температуры t0, при его остывании до t1, если плотность ртути при t1 равна ρ (рис. П.1.5)?

2.8. Тонкостенный резиновый шар собственным весом Р = 0,6 Н наполнен неоном и погружен в озеро на глубину h = 120 м. Найти массу неона, если шар находится в положении равновесия. Атмосферное давление р0 = 1,03 · 105 Па температура в глубине озера t = + 4ºC. Натяжением резины пренебречь.

Читайте также:  Рукава высокого давления завод изготовитель

2.9. По газопроводной трубе идет углекислый газ при давлении р = 4,9 · 105 Па и температуре t = 21ºС. Какова скорость ν движения газа в трубе, если за время τ = 10 мин протекает m = 3 кг углекислого газа, а площадь сечения трубы S = 5 см2?

2.10. Стеклянная запаянная с одного конца трубка длиной l = 20 см, содержащая некоторое количество воздуха, погружена в ртуть так, что над поверхностью выступает l1 = 15 см трубки. Уровень ртути в трубке при 0ºС выше уровня ртути в сосуде на h1 = 5 см. На сколько градусов нужно было нагреть воздух в трубке, чтобы он мог занять весь объем трубки? Атмосферное давление р = 105 Па, уровень ртути в сосуде считать неизменным (рис. П.1.6).

2.11. Вертикально расположенный цилиндрический сосуд разделен на две равные части тяжелым теплонепроницаемым поршнем, который может скользить без трения. В верхней половине находится m1 граммов водорода при температуре Т1, нижней части – m2 граммов кислорода при температуре Т2. Сосуд перевернул. Чтобы поршень по-прежнему делил сосуд на две равные части, водород пришлось нагреть до температуры Т3. Температура кислорода осталась прежней. Определить, до какой температуры необходимо было нагреть водород и каково давление водорода в первом и втором случаях если вес поршня – Р, его сечение – S.

2.12. Абсолютное давление азота в сосуде при комнатной температуре (Г = 20º) р = 2,2 МПа. В сосуде азот нагревают, причем известно, что предельное избыточное давление, при котором возможна безопасная работа ризб = 6 МПа. Определить температуру, до которой возможно нагревание азота. Барометрическое давление В = 1000 гПа.

2.13. Определить плотность воздуха и водорода при нормальных условиях.

2.14. Определить для азота и водорода коэффициент изотермического сжатия , если эти газы находятся при параметрах р = 1,2 МПа и t = 430ºС.

2.15. Определить численное значение коэффициента теплового расширения α = и термического коэффициента давления для кислорода и окиси углерода, если эти газы находятся при параметрах р = 1,2 МПа и t = 430ºC.

2.15. Определить удельный объем кислорода при давлении 2,3 МПа и температуре 280ºС. Задачу решить в Международной системе единиц.

2.16. Определить массу воздуха, находящегося в комнате площадью 25 м2 высотой 3,2 м. Принять, что температура воздуха в комнате t = 22ºС, а барометрическое давление В = 986,5 гПа.

2.17. Определить плотность азота при давлении 1 и 6 МПа. Температура азота t = 400ºС.

2.18. Чему равна плотность воздуха при параметрах t = 20ºС и р = 1,5 МПа?

2.19. Давление водяных паров в воздухе комнаты равно 2 кПа. Сколько содержится водяного пара в комнате? Площадь комнаты 25 м2, высота 3 м, температура воздуха 2ºС.

2.20. В комнате площадью 35 м2 и высотой 3,1 м воздух находится при t = 23ºС и барометрическом давлении В = 973 гПа. Какое количество воздуха проникнет с улицы в комнату, если барометрическое давление увеличится до В = 1013 гПа? Температура воздуха остается постоянной.

2.21. При измерении расхода воздуха с помощью дроссельной шайбы было зафиксировано, что при р = 1000 гПа и t = 20ºС расход воздуха равен 24 дм3/мин. Определить массовый расход воздуха в килограммах в минуту и объемный расход в кубических метрах в минуту при нормальных условиях.

2.22. Производительность воздушного компрессора при нормальных условиях Vк = 500 м3/ч. Чем равна массовая производительность компрессора?

2.23. 0,03 м3 кислорода, отнесенного к нормальным условиям находится в сосуде емкостью 650 см3. Определить показания манометра, измеряющего давление в этом сосуде, если температура кислорода t = 200ºС. Атмосферное давление В = 1016 гПа.

2.24. Компрессор подает кислород в резервную емкостью 3 м3, избыточное давление в резервуаре увеличивается при этом от 0,01 до 0,6 МПа а температура газа – от 15º до 30ºС. Определить массу поданного компрессором кислорода. Барометрическое давление В = 993 гПа.

2.25. Масса пустого баллон для аргона емкостью 40 дм3 равна 64 кг. Определить массу баллона с аргоном, если при температуре t = 15ºС баллон наполняют газом до давления р = 15 МПа. Как изменится давление аргона, если баллон внести в помещение с температурой t = 25ºС?

2.26. В сосуде объемом 5 м3 находится воздух при барометрическом давлении В = 0,1 МПа и температуре 300ºС. Затем воздух выкачивается до тех пор, пока в сосуде не образуется вакуум, равный 80 гПа. Температура воздуха после выкачивания остается той же. Сколько воздуха выкачано? Чему будет равно давление в сосуде после выкачивания, если оставшийся воздух охладить до температуры t = 20ºС?

2.27. В большой сосуд с водой опрокинут стеклянный стакан (рис. П.1.7). Уровень воды внутри и вне стакана одинаков. Расстояние от дна стакана до уровня воды равно l. Температура воздуха – Т1, атмосферное давление – р0. На какую высоту изменится уровень воды в стакане при понижении температуры до Т2 и повышении атмосферного давления до р02? Изменением уровня воды в сосуде пренебречь.

Читайте также:  Средства для мойки автомобиля мойкой высокого давления

2.28. Оболочка воздушного шара с массой m и объемом V, на 8/9 наполнена водородом при температуре Т1 и давлении р1. Какая масса водорода выйдет из оболочки и как изменится подъемна сила водорода, наполняющего оболочку, на высоте, где давление и температура равны р2 и Т2 (при подъеме водород может выходить через отверстие в нижней части оболочки)?

2.29. Цилиндрический сосуд с газом разделен поршнем на две камеры. Состояние газа в обеих камерах характеризуется соответственно параметрами р1, V1, Т1 и р2, V2, Т2. При каком давлении поршень будет находиться в равновесии, если его освободить, газ в первой камере нагреть, а во второй – охладить на ΔТ (нагревом поршня пренебречь)?

2.30. Два сосуда, содержащие одинаковые массы одного газа соединены трубкой с краном. В первом сосуде давление р1 = 5 · 103 Н/м2, во втором – р2 = 8 · 103 Н/м2. Какое давление установится после открытия крана, если температура останется неизменной?

2.31. Средняя квадратичная скорость молекул некоторого газа νс.м = 450 м/с. Давление газа р = 7 · 104 Н/м2. Найти плотность газа ρ при этих условиях.

2.32. В сосуде находится V = 2 · 10-3 м3 воды при температуре t = 47ºС. Найти давление внутри сосуда при условии, что силы взаимодействия между молекулами внезапно исчезли.

2.33. В дне сосуда, из которого выкачан воздух до давления р1, проделано малое отверстие. С какой скоростью начнет врываться в сосуд воздух, если атмосферное давление – р0 и плотность воздуха ρ (рис. П.1.8).

2.34. При температуре t = 207ºС масса m = 2,5 кг некоторого газа занимает объем V = 0,3 м3. Определить давление газа, если удельная теплоемкость ср = 519 Дж/(кг · К) и γ = 1,67.

2.35. Некоторый газ при нормальных условиях имеет плотность р = 0,0894 кг/м3. Определить его удельные теплоемкости ср, сν, а также найти, какой это газ?

3. 1-й закон термодинамики

3.1. При испытании двигателей для определения мощности необходимо их тормозить (рис. П.1.9). При этом работа, произведенная двигателем, расходуется на преодоление сил трения и превращается в теплоту, часть которой (примерно 20%) рассеивается в окружающей среде, а остальная часть отводится охлаждающей тормоз водой. Сколько воды необходимо подводить к тормозу за 1 ч, если крутящий момент на валу Мкр = 2000 Дж, частота вращения n = 1500 об/мин, а допустимое повышение температуры воды ΔТ = 35 К? Теплоемкость воды принять равной 4,1868 кДж/(кг · К).

3.2. Проводится испытание двигателя, во время которого двигатель вместо того, чтобы принимать полезную нагрузку, тормозится. На сколько градусов нагреется охлаждающая тормоз вода, если крутящий момент двигателя равен 5 кДж, а частота вращения – 1500 об/мин? Известно, что к колодкам тормоза, подводится 10 т/ч воды при температуре 15ºС. Предполагается, что вся работа двигателя превращается к теплоту трения.

3.3. Какое количество охлаждающей воды следует подавать на колодки испытательного тормоза в 1 ч, если мощность двигателя 55 кВт, температура охлаждающей воды 10ºС, а предельно допустимая температура воды на выходе 80ºС? Часть теплоты трения (20%) рассеивается в окружающей среде.

3.4. При торможении двигателя охлаждающая тормозные колодки вода нагревается на 30 К. Расход воды mв = 1500 кг/ч. Определить мощность двигателя, если 25% теплоты трения рассеивается в окружающей среде.

3.5. Испытание двигателя ведется при помощи присоединенного к нему генератора. Напряжение на клеммах генератора постоянного тока u = 220 В, сила тока l = 50 А, к.п.д. генератора ηг = 0,98. Определить мощность двигателя на валу.

3.6. Определить к.п.д. двигателя автомобиля мощностью 44,0 кВт при расходе топлива 7,4 кг/ч. Теплоту сгорания топлива принять равной 40 МДж/кг.

3.7. Мощность электростанции на выходных шинах составляет 12 МВт. Какое количество топлива В, кг/ч, сжигается в топках котлов электростанции, если все потери энергии на станции составляют 70%, а теплота сгорания топлива = 30 МДж/кг.

3.8. На электростанции мощностью N = 100 МВт сжигается топлива с теплотой сгорания = 30 МДж/кг. Коэффициент полезного действия станция η= = 33,0%. Определить часовой расход топлива В.

3.9. Паровая турбина расходует 0,00110 кг пара на получение 1 кДж электроэнергии. На производство 1 кг пара необходимых параметров затрачивается 3300 кДж. Определить к.п.д. паротурбинной установки.

3.10. Определить термический к.п.д. четырехпроцессного цикла, если работа и теплота, участвующие в каждой процессе равны,

Процесс 1 2 3 4
l, кДж/кг 3 10 -8 0
q, кДж/кг 30 -10 -20 5
3.11. Состояние газа под поршнем цилиндра определяется точкой l на рис. П.1.10. Газ переводится в состояние 2 один раз по пути 1 а 2 и второй – по пути 1 b 2. Определить будут ли отличаться в

Источник

Adblock
detector