2. Klausur in "Technischer Thermodynamik I" (WiSe2013/14, 30.01
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UNIVERSITÄT STUTTGART INSTITUT FÜR THERMODYNAMIK UND WÄRMETECHNIK Apl. Professor Dr.-Ing. K. Spindler 2. Klausur in "Technischer Thermodynamik I" (WiSe2013/14, 30.01.2014) - VERSION 2 Name:______________________ Fachr.:_____________ Matr.-Nr.:________________ Es sind keine Hilfsmittel zugelassen. Zutreffende Aussagen sind anzukreuzen. Mehrere Antworten sind möglich. Falsche Antworten innerhalb einer Aufgabe führen zu Punktabzug. ------------------------------------------ KURZFRAGEN (8,0 Punkte) -------------------------------------------Aufgabe 1 Bei der adiabaten Drosselung eines idealen Gases a) bleibt das spezifische Volumen gleich. b) bleibt die Enthalpie konstant. c) nimmt das spezifische Volumen ab. d) nimmt das spezifische Volumen zu. e) ändert sich die Enthalpie. Aufgabe 2 Ein ideales Gas durchläuft den folgenden reversiblen Kreisprozess: 1-2 adiabate Expansion von T1, V1 auf das dreifache Volumen V2, 2-3 isochore Erwärmung auf die Ausgangstemperatur, 3-1 isotherme Kompression zurück zum Ausgangspunkt. Die energetische Bewertung des Kreisprozesses als Nutzen zu Aufwand a) ist mit diesen Angaben nicht möglich. b) erfolgt mit dem thermischen Wirkungsgrad ηth. c) kann mit dem Leistungszahl für eine Wärmepumpe εWP erfolgen. d) erfolgt mit dem Gütegrad ηG. e) kann mit der Leistungszahl für eine Kältemaschine εKP erfolgen. Aufgabe 3 Kennzeichnen Sie nachfolgend die Zustandsänderungen eines idealen Gases, bei denen eine Entropieabnahme auftritt: a) reversibel isotherme Kompression b) reversibel adiabate Entspannung c) irreversibel adiabate Entspannung d) reversibel isochore Druckabsenkung e) reversibel isobare Kompression Aufgabe 4 Der thermische Wirkungsgrad eines Kreisprozesses ist umso größer, a) wenn möglichst wenig Wärme zugeführt wird. b) wenn möglichst wenig Wärme abgeführt wird. c) wenn Wärme bei hoher Temperatur zugeführt wird und die Wärmeabfuhr bei niedriger Temperatur erfolgt. d) wenn Wärme bei niedriger Temperatur zugeführt wird und die Wärmeabfuhr bei hoher Temperatur erfolgt. e) wenn die Wärmezu- und die Wärmeabfuhr möglicht bei identischem Temperaturniveau erfolgt. Aufgabe 5 In welchem der nachfolgenden Diagramme ist ein Carnot-Prozess dargestellt a) b) c) d) e) Aufgabe 6 Bei einer isobaren Expansion eines idealen Gases a) nimmt die innere Energie ab. b) nimmt die innere Energie zu. c) bleibt die Gastemperatur konstant. d) erwärmt sich das Gas. e) kühlt sich das Gas ab. Aufgabe 7 Kennzeichnen Sie die richtige(n) Aussage(n): a) Exergie kann in Anergie umgewandelt werden. b) Anergie kann in Exergie umgewandelt werden. c) Innere Energie eines Systems kann vollständig in Exergie umgewandelt werden. d) Wärme kann vollständig in Exergie umgewandelt werden. e) Mechanische Arbeit kann vollständig in Exergie umgewandelt werden. Aufgabe 8 Eine einfache Zustandsänderung eines idealen Gases, die sich im T,s-Diagramm als Parallele zur Entropieachse darstellen lässt, kann durch den Potenzansatz p·vn = const. beschrieben werden mit a) n = κ b) n = 0 c) 1 < n < κ d) n = 1 e) n = ∞ Aufgabe 9 In einem gekühlten, reibungsfrei arbeitenden Verdichter findet die Zustandsänderung 1-2 statt. Durch die Wärmeabgabe verringert sich die Entropie um ∆sa. Wie würde die Zustandsänderung im gekühlten Verdichter verlaufen, wenn bei identischer Wärmeabgabe zusätzlich Irreversibilitäten mit ∆si < |∆sa| auftreten. a) Zustandsänderung 1-7 b) Zustandsänderung 1-6 c) Zustandsänderung 1-5 d) Zustandsänderung 1-4 e) Zustandsänderung 1-3 ------------------------------------------ RECHENTEIL (9,0 Punkte) ---------------------------------------------Aufgabe 10 Ein Drucktopf hat ein Fassungsvermögen von 4 Litern. Er wird bei einer Umgebungstemperatur von 24 °C und einem Umgebungsdruck von 1,013 bar massedicht geschlossen. Die darin ausschließlich befindliche Luft wird auf 140 °C erhitzt. Die Luft soll als ideales Gas mit konstanten Stoffwerten betrachtet werden (cp = 1,004 kJ/(kgK), Ri = 0,2871 kJ/(kgK)). Berechnung: Die Änderung der Entropie ∆S der Luft beträgt a) 0,33 J/K b) 1,11 J/K c) 1,56 J/K d) 0,24 J/K e) 2,92 J/K Aufgabe 11 Ein Turboverdichter komprimiert irreversibel adiabat Umgebungsluft (pam = 1 bar, ϑ am = 22 °C) auf 1,7 bar. Der Gütegrad des Verdichters ηG,V beträgt 75 %. Die Luft kann als ideales Gas (cp = 1005 J/(kgK), κ = 1,4) betrachtet werden. Es treten keine Änderungen von kinetischen und potentiellen Energien auf. Welcher Massenstrom wird durch den Turboverdichter gefördert, wenn dessen Antriebsleistung 1,5 kW beträgt? Berechnung: a) 0,259 kg/s b) 0,018 kg/s c) -0,032 kg/s d) 0,091 kg/s e) 0,023 kg/s Aufgabenstellung zu den Aufgaben 12 und 13 1 mol Ammoniak (M = 17 kg/kmol, κ = 1,3) durchläuft folgenden reversiblen Kreisprozess: 1-2 adiabate Expansion von T1 = 389 K, V1 = 10 l auf das dreifache Volumen V2, 2-3 isochore Erwärmung auf die Ausgangstemperatur, 3-1 isotherme Kompression zurück zum Ausgangspunkt. Aufgabe 12 Wie groß sind Druck, Temperatur und Volumen in den Zustandspunkten 1, 2 und 3? Berechnung: p [bar] Zustand a) b) c) d) e) T [K] V [l] 1 2 3 1 2 3 1 2 3 3,23 3,23 1,90 3,23 1,90 0,78 0,78 0,46 0,78 0,46 1,08 1,08 0,63 1,08 0,63 389 389 389 389 389 389 280 389 280 280 280 389 280 389 389 10 10 10 10 10 30 30 30 30 30 30 30 30 10 30 Aufgabe 13 Wie groß ist die insgesamt beim Durchlaufen des Kreisprozesses (vgl. 12) zu- bzw. abgeführte Wärmemenge QKP? Berechnung: a) 31,31 kJ (zugeführt) d) -0,65 kJ (abgeführt) b) -0,53 kJ (abgeführt) e) 0,57 kJ (zugeführt) c) -21,99 kJ (abgeführt) Aufgabe 14 Eine Wärmekraftmaschine arbeitet bei einer Umgebungstemperatur von 7°C mit Wasserdampf bei 1 bar und 120°C. Welchen maximalen thermischen Wirkungsgrad ηth besitzt die Maschine? Berechnung: a) 0,484 b) 0,713 c) 0,342 d) 0,942 e) 0,287 Formelzusammenstellung - 1. Hauptsatz: geschlossenes System mit offenes System mit potentielle Energie kinetische Energie , - Ideale Gase: ; ; reversibel adiabate Zustandsänderung: reversibel isotherme Zustandsänderung: reversibel isochore Zustandsänderung: - Umrechnung: ;
