Thermodynamik I Klausur 2

Thermodynamik I
Klausur 2
Prof. Dr. G. Wilhelms
Name:
Aufgabenteil / 100 Minuten
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Matr.-Nr.:
Das Aufgabenblatt muss unterschrieben und zusammen mit den (nummerierten und mit Namen versehenen) Lösungsblättern abgegeben werden. Nicht nachvollziehbare Lösungen werden nicht gewertet. Es sind beliebige
persönliche Unterlagen erlaubt.
Unterschrift:
Note:
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Aufgabe 1.12
Lösungsergebnisse in Kap. 10 des Buches
1. Ein gebrochener Stahlträger wird mit Stahllaschen repariert, die mit Gewindebolzen angeschraubt werden.
Die Bolzen bestehen aus Stahl mit 0,3 % Kohlenstoff. Sie haben einen Durchmesser von 50 mm und werden in vorgewärmtem Zustand spannungsfrei eingezogen. Nach dem Abkühlen der Bolzen auf 20 °C soll
die Zugkraft je Bolzen 343 kN betragen.
Träger und Laschen sind starr anzunehmen. Für den Längenausdehnungskoeffizienten kann der Wert zwischen 0 °C und 100 °C eingesetzt werden. Die Durchmesseränderung der Bolzen infolge der Abkühlung ist
zu vernachlässigen.
a) Auf welche Temperatur müssen die Bolzen vorgewärmt werden?
b) Wie groß ist die Zugkraft je Bolzen, wenn die Außentemperatur +5 °C beträgt?
( 3 P) (
)
Wilhelms: Übungsaufgaben Techn. Thermodynamik, 5. Auflage, Aufgabe 1.15
Lösungsergebnisse in Kap. 10 des Buches
2. In einem Behälter befinden sich 10 kmol Erdgas (Zusammensetzung: 85 Vol.-% CH4 und 15 Vol.-% N2) bei
15 °C und 500 kPa. Erdgas soll näherungsweise als ideales Gas angenommen werden. Berechnen Sie:.
a) das Volumen des Gases,
b) die molare Masse,
c) die spezielle Gaskonstante,
d) die Normdichte,
e) die Masse und
f) das Normvolumen.
( 6 P) (
)
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Aufgabe 3.11
Lösungsergebnisse in Kap. 10 des Buches
3. 5 kg Helium expandieren in einem geschlossenen System von 1 MPa, 400 °C reversibel auf 200 kPa,
120 °C. Helium soll näherungsweise als idelaes Gas angenommen werden.
a) Mit welchem Polytropenexponenten verläuft die Expansion?
b) Welche Volumenänderungsarbeit wird verrichtet?
c) Wie viel Wärme wird zu- oder abgeführt?
d) Wie ändern sich innere Energie, Enthalpie und Entropie?
( 6 P) (
)
Bitte wenden!
Thermodynamik I
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Prof. Dr. G. Wilhelms
Aufgabenteil / Blatt 2
Wilhelms: Übungsaufgaben Techn. Thermodynamik, 5. Auflage, Aufgabe 3.26
Lösungsergebnisse in Kap. 10 des Buches
4. Luft durchläuft in einem geschlossenen System folgenden reversiblen Kreisprozess:
1  2: isotherme Kompression bei 20 °C von 0,84 m3/kg auf 0,42 m3/kg
2  3: isochore Wärmeabfuhr bis auf 10 °C ( c p m
t3
t2
 1004,3 J/(kg K) )
3  4: isotherme Expansion bis 0,84 m3/kg
4  1: isochore Wärmezufuhr bis auf 20 °C ( c p m
t4
t1
 1004,3 J/(kg K) )
Luft soll näherungsweise als ideales Gas angenommen werden.
a) Skizzieren Sie den Kreisprozess im p,v- und im T,s-Diagramm.
Liefert der Prozess Arbeit (Begründung erforderlich)?
b) Bestimmen Sie die spezifische Arbeit des Kreisprozesses.
c) Bestimmen Sie die bei der isothermen Expansion zugeführte spez. Wärme.
d) Tragen Sie diese Wärme als Fläche in das T,s-Diagramm ein.
( 12 P) (
)
Thermodynamik I
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Prof. Dr. G. Wilhelms
Name:
Fragenteil / 20 Minuten
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Es sind keine Unterlagen erlaubt. Rechner sind zugelassen.
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Gleichung 1.16
Lösungsergebnis auf letztem Blatt
1. In einem geschlossenen Behälter mit starren Wänden befindet sich 1 kg Luft (ideales Gas) bei 2 bar. Die
Masse der Luft im Behälter wird bei gleich bleibender Temperatur verdoppelt.
Wie groß ist dann der Druck im Behälter?
( 2 P) (
)
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Gleichung 2.30
2. Wie lautet die Definitionsgleichung für die spezifische isobare Wärmekapazität?
( 1 P) (
)
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Gleichung 3.5
Lösungsergebnis auf letztem Blatt
3. Einem Fluid wird bei 20 °C isotherm und reversibel 10 kJ Wärme zugeführt.
Um welchen Wert ändert sich die Entropie?
(
P) (
)
Bitte wenden!
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Prof. Dr. G. Wilhelms
Fragenteil / Blatt 2
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, Gleichung 2.17
4. Wie lautet der erste Hauptsatz der Thermodynamik für offene Systeme?
( 1 P) (
)
Lösungsergebnis auf letztem Blatt
5. Zeichnen Sie folgenden Kreisprozess in ein T,S-Diagramm:
1  2: isotherme Kompression bei 40 °C,
2  3: isochore Wärmezufuhr
3  4: isotherme Expansion bei 600 °C,
4  1: isochore Wärmeabgabe
( 2 P) (
)
Cerbe/Wilhelms: Techn. Thermodynamik, 17. Auflage, entsprechend B 3.39b, Gleichung 3.91
Lösungsergebnisse auf letztem Blatt
6. Zum Vergleich eines Wärmepumpenprozesses wird folgender linkslaufender Carnot Prozess: T1 = 1000,
s1 = 2000 J/(kg K), T3 = 500 K, s3 = 6000 J/(kg K) herangezogen.
Skizzieren Sie den Kreisprozess, die spezifische Arbeit des Kreisprozesses und die abgegebene spezifische
Wärme in einem T,s-Diagamm und berechnen Sie die Bewertungszahl.
( 4 P) (
)
Thermodynamik I
Prof. Dr. G. Wilhelms
1.
p2  4 bar
3.
S 2  S1  34,11 J/K
5.
6.
 WP car  2
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Fragenteil / Lösungsergebnisse