Logo
Logo

Бинарные термодинамические циклы

A1  0.70 Выразите отведённое от газа за цикл количество теплоты $Q_-$ через $T_1$, $T_2$, $T_4$, $R$, количество вещества газа $\nu$ и показатель адиабаты $\gamma$.

Решение в $TS$ координатах.

На рисунке представлена качественная диаграмма рассматриваемого цикла в $TS$ координатах.
\usetikzlibrary{babel} %tikz \usepackage{tikz} \usepackage{circuitikz} \usetikzlibrary{math} \usetikzlibrary{circuits} \usetikzlibrary{arrows} \usetikzlibrary{decorations} \usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing,calc} \usetikzlibrary{patterns, patterns.meta} \usepackage{pgfplots} \makeatletter \newcommand{\gettikzxy}[3]{% \tikz@scan@one@point\pgfutil@firstofone#1\relax \edef#2{\the\pgf@x}% \edef#3{\the\pgf@y}% } \makeatother \tikzset{ clip even odd rule/.code={\pgfseteorule}, % Credit to Andrew Stacey invclip/.style={ clip,insert path= [clip even odd rule]{ [reset cm](-\maxdimen,-\maxdimen)rectangle(\maxdimen,\maxdimen) } } } \tikzstyle arrowstyle=[scale=1] \tikzstyle directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .55 with {\arrow[arrowstyle]{stealth}}}}] \tikzstyle reverse directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .45 with {\arrowreversed[arrowstyle]{stealth};}}}] \newcommand{\specialcell}[2][l]{% \begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}} \newcommand{\task}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{lp{15cm}l} \textbf{#1} & #2 & \textbf{[#3 балл]} \\ \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\answer}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{|l|p{16cm}|l|} \hline \textbf{#1} & \begin{tabular}{p{16cm}} #2 \end{tabular} & \textbf{[#3]} \\ \hline \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\dist}[5]{ \begin{scope} \draw[shift={#1},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \draw[shift={#2},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \path[shift={#1},rotate=#3] (.5,0) coordinate(aDist); \path[shift={#2},rotate=#3] (.5,0) coordinate(bDist); \draw[ultra thin,<->] (aDist) -- (bDist) node[pos=0.5,#4] {#5}; \end{scope} } \newcommand{\lightSource}[1]{ \begin{scope}[shift={#1}] \foreach \i in {0,30,...,359} \draw[ultra thin,rotate=\i] (0,0) -- (0.15,0); \draw[fill=white] (0,0) circle (0.05); \end{scope} } \graphicspath{{img/}} \definecolor{titleColor} {HTML} {5A0001} \definecolor{refColor} {HTML} {F13030} \definecolor{urlColor} {HTML} {F45B69} \hypersetup{ pdfstartview=FitH, urlcolor = urlColor, linkcolor = refColor, colorlinks=true} \begin{document} \begin{figure}[h] \centering \begin{subfigure}[t]{0.48\textwidth} \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ width=9cm, axis lines = center, xmin=0,ymin=0,xmax=5,ymax=1.25, xticklabels={,,}, yticklabels={,,}, xlabel={$S$}, ylabel={$T$}, %grid=both, %minor grid style={dashed}, %minor tick num=1, %legend style={anchor=north east}, %every x tick label/.append style={/pgf/number format/.cd,fixed,precision=2}, ] \addplot [domain=1:3.5,red,thick,directed] {0.5*2^((x-1)/2.5)}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(3.5, 1) (3.5,0.2)}; \addplot [domain=3.5:1,red,thick,directed] {0.2}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(1, 0.2) (1,0.5)}; \fill(axis cs:3.5, 1) circle (0.025cm) node [above right] {$1$}; \fill(axis cs:3.5,0.2) circle (0.025cm) node [below right] {$2$}; \fill(axis cs:1,0.2) circle (0.025cm) node [below left] {$3$}; \fill(axis cs:1,0.5) circle (0.025cm) node [above left] {$4$}; \end{axis} \end{tikzpicture} \end{subfigure} \end{figure} \end{document}

Тепло отводится от газа в изотермическом процессе, поэтому для $Q_-$ получим:
$$Q_-=T_2(S_2-S_3)
$$
где $S_2$ и $S_3$ - энтропия газа в точках $2$ и $3$ соответственно.
Поскольку изменение энтропии в адиабатических процессах равно нулю:
$$S_2-S_3=S_1-S_4=\int\limits_{T_4}^{T_1}\cfrac{\nu C_pdT}{T}=\cfrac{\gamma\nu R}{\gamma-1}\ln\cfrac{T_1}{T_4}
$$
откуда находим

Ответ: $$Q_-=\cfrac{\gamma \nu RT_2}{\gamma-1}\ln\cfrac{T_1}{T_4}
$$

Решение в $pV$ или $pT$ координатах.

На диаграмме представлен качественный график процесса в координатах $pV$.
\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа % report, book \usepackage{geometry} \geometry{a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=1cm,rmargin=1cm} % Русский язык \usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка \usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста \usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы \usepackage{multirow} \usepackage{multicol} % Списки \usepackage[shortlabels]{enumitem} % Математика \usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools} \usepackage{multicol,caption} \usepackage{lipsum} \newenvironment{Figure} {\par\medskip\noindent\minipage{\linewidth}} {\endminipage\par\medskip} \usepackage{verbatim} \usepackage{physics} \usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm, mathtools} \usepackage{wasysym, dsfont, dashrule} \usepackage{graphicx} \usepackage{float} \usepackage{wrapfig} \usepackage{xcolor} \usepackage{hyperref} \usepackage{subcaption} \usepackage{cleveref} \usepackage{wasysym} \usepackage[siunitx]{circuitikz} \usetikzlibrary{babel} %tikz \usepackage{tikz} \usepackage{circuitikz} \usetikzlibrary{math} \usetikzlibrary{circuits} \usetikzlibrary{arrows} \usetikzlibrary{decorations} \usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing,calc} \usetikzlibrary{patterns, patterns.meta} \usepackage{pgfplots} \makeatletter \newcommand{\gettikzxy}[3]{% \tikz@scan@one@point\pgfutil@firstofone#1\relax \edef#2{\the\pgf@x}% \edef#3{\the\pgf@y}% } \makeatother \tikzset{ clip even odd rule/.code={\pgfseteorule}, % Credit to Andrew Stacey invclip/.style={ clip,insert path= [clip even odd rule]{ [reset cm](-\maxdimen,-\maxdimen)rectangle(\maxdimen,\maxdimen) } } } \tikzstyle arrowstyle=[scale=1] \tikzstyle directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .55 with {\arrow[arrowstyle]{stealth}}}}] \tikzstyle reverse directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .45 with {\arrowreversed[arrowstyle]{stealth};}}}] \newcommand{\specialcell}[2][l]{% \begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}} \newcommand{\task}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{lp{15cm}l} \textbf{#1} & #2 & \textbf{[#3 балл]} \\ \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\answer}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{|l|p{16cm}|l|} \hline \textbf{#1} & \begin{tabular}{p{16cm}} #2 \end{tabular} & \textbf{[#3]} \\ \hline \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\dist}[5]{ \begin{scope} \draw[shift={#1},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \draw[shift={#2},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \path[shift={#1},rotate=#3] (.5,0) coordinate(aDist); \path[shift={#2},rotate=#3] (.5,0) coordinate(bDist); \draw[ultra thin,<->] (aDist) -- (bDist) node[pos=0.5,#4] {#5}; \end{scope} } \newcommand{\lightSource}[1]{ \begin{scope}[shift={#1}] \foreach \i in {0,30,...,359} \draw[ultra thin,rotate=\i] (0,0) -- (0.15,0); \draw[fill=white] (0,0) circle (0.05); \end{scope} } \graphicspath{{img/}} \definecolor{titleColor} {HTML} {5A0001} \definecolor{refColor} {HTML} {F13030} \definecolor{urlColor} {HTML} {F45B69} \hypersetup{ pdfstartview=FitH, urlcolor = urlColor, linkcolor = refColor, colorlinks=true} \begin{document} \begin{figure}[h] \centering \begin{subfigure}[t]{0.48\textwidth} \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ width=9cm, axis lines = center, xmin=0,ymin=0,xmax=5,ymax=1.25, xticklabels={,,}, yticklabels={,,}, xlabel={$V$}, ylabel={$p$}, %grid=both, %minor grid style={dashed}, %minor tick num=1, %legend style={anchor=north east}, %every x tick label/.append style={/pgf/number format/.cd,fixed,precision=2}, ] \addplot [domain=2:4,red,thick,directed] {8/(x)^3}; \addplot [domain=sqrt(2):1,red,thick,directed] {1/(x)^3}; \addplot [domain=4:sqrt(2),red,thick,directed] {0.5/(x)}; %\addplot [red,thick,directed] coordinates {(3.5, 1) (3.5,0.2)}; \addplot [domain=1:2,red,thick,directed] {1}; %\addplot [red,thick,directed] coordinates {(1, 0.2) (1,0.5)}; \fill(axis cs:2, 1) circle (0.025cm) node [above right] {$1$}; \fill(axis cs:4,0.125) circle (0.025cm) node [below right] {$2$}; \fill(axis cs: {sqrt(2)}, {sqrt(8)^(-1)}) circle (0.025cm) node [below left] {$3$}; \fill(axis cs:1,1) circle (0.025cm) node [above left] {$4$}; \end{axis} \end{tikzpicture} \end{subfigure} \end{figure} \end{document}

Используем уравнение Менделеева-Клапейрона:
$$pV=\nu RT
$$
Тепло отводится от газа в изотермическом процессе, в котором $\delta{Q}=\delta{A}$, поэтому:
$$\delta{Q}=pdV=\cfrac{\nu RTdV}{V}\Rightarrow Q_-=\nu RT_2\int\limits_{V_3}^{V_2}\cfrac{dV}{V}=\nu RT_2\ln\cfrac{V_2}{V_3}
$$
Поскольку процесс $23$ изотермический — $V_2/V_3=p_3/p_2$. Перепишем выражение для $Q_-$:
$$Q_-=\nu RT\ln\cfrac{p_3}{p_2}
$$
Для идеального газа в квазистатическом адиабатическом процессе верно уравнение Пуассона:
$$p\sim{T^{\gamma/(\gamma-1)}}
$$
поэтому:
$$\begin{cases}
\cfrac{p_1}{p_2}=\left(\cfrac{T_1}{T_2}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}\\
\cfrac{p_4}{p_3}=\left(\cfrac{T_4}{T_3}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}
\end{cases}
\implies{\cfrac{p_3}{p_2}=\left(\cfrac{T_1}{T_4}\right)^{\gamma/(\gamma-1)}}
$$
Поскольку $T_3=T_2$ и $p_4=p_1$.
Окончательно:

Ответ: $$Q_-=\cfrac{\gamma \nu RT_2}{\gamma-1}\ln\cfrac{T_1}{T_4}
$$

A2  0.80 Выразите отношение $T_1/T_4$ через $\alpha$, $\beta$ и $\gamma$.

Запишем уравнение адиабаты для процесса $1-2$ в координатах $pT$:
$$p^{1-\gamma}T^\gamma=const\Rightarrow{\cfrac{T_1}{T_2}=\left(\cfrac{p_1}{p_2}\right)^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}}
$$
Поскольку $p_1=p_4$
$$\cfrac{T_1}{T_2}=\beta^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}
$$
Также, поскольку $T_2=T_4/\alpha$:

Ответ: $$\cfrac{T_1}{T_4}=\cfrac{\beta^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}}{\alpha}
$$

A3  0.50 Получите выражение для КПД цикла $\eta_1$. Ответ выразите через $\alpha$, $\beta$ и $\gamma$.
Найдите численное значение $\eta_1$ при $p_2=15~\text{кПа}$, $p_4=60~\text{кПа}$, $T_2=340~\text{К}$ и $T_4=400~\text{К}$.

Поскольку $Q_+=C_p(T_1-T_4)$, имеем:
$$\eta_1=1-\cfrac{C_pT_2\ln(T_1/T_4)}{C_p(T_1-T_4)}
$$
откуда

Ответ: $$\eta_1=1-\cfrac{\ln\left(\beta^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}/\alpha\right)}{\beta^{\frac{\gamma-1}{\gamma}}-\alpha}
$$

Для $\alpha$ и $\beta$ имеем:
$$\alpha=\cfrac{20}{17}\qquad \beta=4
$$
откуда:

Ответ: $$\eta_1=0{,}226
$$

B1  0.50 Найдите отношение масс ртути и воды $m_\text{(р)}/m_\text{(в)}$, участвующих в цикле.

Решение в $TS$ координатах.

На рисунке представлены качественные диаграммы рассматриваемых циклов в $TS$ координатах.
\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа % report, book \usepackage{geometry} \geometry{a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=1cm,rmargin=1cm} % Русский язык \usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка \usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста \usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы \usepackage{multirow} \usepackage{multicol} % Списки \usepackage[shortlabels]{enumitem} % Математика \usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools} \usepackage{multicol,caption} \usepackage{lipsum} \newenvironment{Figure} {\par\medskip\noindent\minipage{\linewidth}} {\endminipage\par\medskip} \usepackage{verbatim} \usepackage{physics} \usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm, mathtools} \usepackage{wasysym, dsfont, dashrule} \usepackage{graphicx} \usepackage{float} \usepackage{wrapfig} \usepackage{xcolor} \usepackage{hyperref} \usepackage{subcaption} \usepackage{cleveref} \usepackage{wasysym} \usepackage[siunitx]{circuitikz} \usetikzlibrary{babel} %tikz \usepackage{tikz} \usepackage{circuitikz} \usetikzlibrary{math} \usetikzlibrary{circuits} \usetikzlibrary{arrows} \usetikzlibrary{decorations} \usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing,calc} \usetikzlibrary{patterns, patterns.meta} \usepackage{pgfplots} \makeatletter \newcommand{\gettikzxy}[3]{% \tikz@scan@one@point\pgfutil@firstofone#1\relax \edef#2{\the\pgf@x}% \edef#3{\the\pgf@y}% } \makeatother \tikzset{ clip even odd rule/.code={\pgfseteorule}, % Credit to Andrew Stacey invclip/.style={ clip,insert path= [clip even odd rule]{ [reset cm](-\maxdimen,-\maxdimen)rectangle(\maxdimen,\maxdimen) } } } \tikzstyle arrowstyle=[scale=1] \tikzstyle directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .55 with {\arrow[arrowstyle]{stealth}}}}] \tikzstyle reverse directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .45 with {\arrowreversed[arrowstyle]{stealth};}}}] \newcommand{\specialcell}[2][l]{% \begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}} \newcommand{\task}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{lp{15cm}l} \textbf{#1} & #2 & \textbf{[#3 балл]} \\ \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\answer}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{|l|p{16cm}|l|} \hline \textbf{#1} & \begin{tabular}{p{16cm}} #2 \end{tabular} & \textbf{[#3]} \\ \hline \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\dist}[5]{ \begin{scope} \draw[shift={#1},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \draw[shift={#2},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \path[shift={#1},rotate=#3] (.5,0) coordinate(aDist); \path[shift={#2},rotate=#3] (.5,0) coordinate(bDist); \draw[ultra thin,<->] (aDist) -- (bDist) node[pos=0.5,#4] {#5}; \end{scope} } \newcommand{\lightSource}[1]{ \begin{scope}[shift={#1}] \foreach \i in {0,30,...,359} \draw[ultra thin,rotate=\i] (0,0) -- (0.15,0); \draw[fill=white] (0,0) circle (0.05); \end{scope} } \graphicspath{{img/}} \definecolor{titleColor} {HTML} {5A0001} \definecolor{refColor} {HTML} {F13030} \definecolor{urlColor} {HTML} {F45B69} \hypersetup{ pdfstartview=FitH, urlcolor = urlColor, linkcolor = refColor, colorlinks=true} \begin{document} \begin{figure}[h] \centering \begin{subfigure}[t]{0.48\textwidth} \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ width=9cm, axis lines = center, xmin=0,ymin=0,xmax=4,ymax=1.25, xticklabels={,,}, yticklabels={,,}, xlabel={$S$}, ylabel={$T$}, ] \addplot [domain=1:3.5,red,thick,directed] {0.4*2^((x-1)/2.5)}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(3.5, 0.8) (3.5,0.2)}; \addplot [domain=3.5:1,red,thick,directed] {0.2}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(1, 0.2) (1,0.4)}; \addplot [domain=3.5:1,blue,thick,directed] {0.4*2^((x-1)/2.5)+0.02}; \addplot [blue,thick,directed] coordinates {(3.5, 1) (3.5,0.82)}; \addplot [domain=1:3.5,blue,thick,directed] {1}; \addplot [blue,thick,directed] coordinates {(1, 0.42) (1,1)}; \fill(axis cs:3.5, 0.8) circle (0.025cm) node [below right] {$a_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:3.5,.2) circle (0.025cm) node [below] {$b_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:1,0.2) circle (0.025cm) node [below] {$c_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:1,0.4) circle (0.025cm) node [below left] {$d_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:3.5, 1) circle (0.025cm) node [above] {$a_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:3.5,.82) circle (0.025cm) node [above right] {$b_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:1,0.42) circle (0.025cm) node [left] {$c_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:1,1) circle (0.025cm) node [above] {$d_\text{(р)}$}; \end{axis} \end{tikzpicture} \end{subfigure} \end{figure} \end{document}

Поскольку количества теплоты, полученные и отданные водяным и ртутным парами соответственно в изобарных политропных процессах одинаковы при одинаковых изменениях температурах - теплоёмкости в изобарных процессах также одинаковы:
$$C_{p\text{(в)}}=\cfrac{m_\text{(в)}\gamma_\text{(в)}R}{\mu_\text{(в)}(\gamma_\text{(в)}-1)}=\cfrac{m_\text{(р)}\gamma_\text{(р)}R}{\mu_\text{(р)}(\gamma_\text{(р)}-1)}=C_{p\text{(р)}}
$$
откуда:

Ответ: $$\cfrac{m_\text{(р)}}{m_\text{(в)}}=\cfrac{\mu_\text{(р)}}{\mu_\text{(в)}}\cfrac{\gamma_\text{(р)}-1}{\gamma_\text{(р)}}\cfrac{\gamma_\text{(в)}}{\gamma_\text{(в)}-1}=17{,}81
$$

B2  0.40 Используя графики зависимости давления насыщенных паров ртути и воды от температуры, оцените значения давлений $p_{c\text{(р)}}$ и $p_{c\text{(в)}}$.

Искомые давления равны давлениям насыщенных паров при температурах $t_4$ для ртути и $t_2$ для воды. Из графиков находим:

Ответ: $$p_{c\text{(р)}}=6~\text{кПа}
$$
Ответ: $$p_{c\text{(в)}}\approx{7-8~\text{кПа}}
$$

B3  0.80 Найдите КПД ртутного и водяного цикла $\eta_\text{(р)}$ и $\eta_\text{(в)}$ соответственно.

Примечание: во всех пунктах далее подразумевается, что $T_i=t_i+T_0$, где $T_0=273~\text{К}$.

Изменение энтропии в изотермических и изобарных процессах одинаковы, поэтому: $$\Delta{S}=\int\limits_{T_4}^{T_3}\cfrac{C_pdT}{T}=C_p\ln\cfrac{T_3}{T_4} $$ Количество теплоты, полученное ртутью в изотермическом процессе, равно: $$Q_{+\text{(р)}}=T_1\Delta{S} $$ Количество теплоты, отданное водяным паром в изотермическом процессе, равно: $$Q_{-\text{(в)}}=T_2\Delta{S} $$ В изобарном процессе водяной пар получает а ртуть отдаёт количество теплоты $Q_p$, равное: $$Q_p=C_p(T_3-T_4) $$ поэтому ответы для $\eta_\text{(р)}$ и $\eta_\text{(в)}$ следующие:

Ответ: $$\eta_\text{(р)}=1-\cfrac{T_3-T_4}{T_1\ln(T_3/T_4)}=0{,}326
$$
Ответ: $$\eta_\text{(в)}=1-\cfrac{T_2\ln(T_3/T_4)}{T_3-T_4}=0{,}491
$$

B4  0.80 Найдите КПД $\eta_\text{гп}$ бинарного газово-пароводяного цикла. Сравните его с $\eta_\text{(р)}$ и $\eta_\text{(в)}$.

Решение в $TS$ координатах.

Поскольку в изобарном процессе газы обмениваются теплом друг с другом - к системе, участвующей в бинарном цикле, извне подводится тепло только в ртутном изотермическом процессе. Тогда КПД бинарного цикла такой же, как и у цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат с температурами $T_1$ и $T_2$:
$$\eta_\text{Карно}=1-\cfrac{T_\text{х}}{T_\text{н}}
$$
Окончательно:

Ответ: $$\eta_\text{гп}=1-\cfrac{T_2}{T_1}=0{,}657>\eta_\text{(р)}{,}\eta_\text{(в)}
$$

C1  0.40 Найдите температуры системы в точках $2$, $3$, $4$, $5$ и $6$.

Поскольку процесс $23$ изотермический, а изменением температуры на участке $34$ по условию можно пренебречь - температуры $t_2$, $t_3$ и $t_4$ равны температуре насыщенного пара при давлении $p_3=16~\text{кПа}$, т. е:

Ответ: $$t_2=t_3=t_4=t'_1=55^{\circ}\mathrm{C}
$$

Температуры системы в точках $5$ и $6$ соответствуют температуре насыщенного пара при давлении $p_4=2{,}8~\text{МПа}$, т. е:

Ответ: $$t_5=t_6=t'_2=230^{\circ}\mathrm{C}
$$

C2  0.60 Найдите количество теплоты $Q_+$, подведённое к системе за цикл.

На рисунке представлена качественная диаграмма рассматриваемого цикла в $TS$ координатах.
\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа % report, book \usepackage{geometry} \geometry{a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=1cm,rmargin=1cm} % Русский язык \usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка \usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста \usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы \usepackage{multirow} \usepackage{multicol} % Списки \usepackage[shortlabels]{enumitem} % Математика \usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools} \usepackage{multicol,caption} \usepackage{lipsum} \newenvironment{Figure} {\par\medskip\noindent\minipage{\linewidth}} {\endminipage\par\medskip} \usepackage{verbatim} \usepackage{physics} \usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm, mathtools} \usepackage{wasysym, dsfont, dashrule} \usepackage{graphicx} \usepackage{float} \usepackage{wrapfig} \usepackage{xcolor} \usepackage{hyperref} \usepackage{subcaption} \usepackage{cleveref} \usepackage{wasysym} \usepackage[siunitx]{circuitikz} \usetikzlibrary{babel} %tikz \usepackage{tikz} \usepackage{circuitikz} \usetikzlibrary{math} \usetikzlibrary{circuits} \usetikzlibrary{arrows} \usetikzlibrary{decorations} \usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing,calc} \usetikzlibrary{patterns, patterns.meta} \usepackage{pgfplots} \makeatletter \newcommand{\gettikzxy}[3]{% \tikz@scan@one@point\pgfutil@firstofone#1\relax \edef#2{\the\pgf@x}% \edef#3{\the\pgf@y}% } \makeatother \tikzset{ clip even odd rule/.code={\pgfseteorule}, % Credit to Andrew Stacey invclip/.style={ clip,insert path= [clip even odd rule]{ [reset cm](-\maxdimen,-\maxdimen)rectangle(\maxdimen,\maxdimen) } } } \tikzstyle arrowstyle=[scale=1] \tikzstyle directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .55 with {\arrow[arrowstyle]{stealth}}}}] \tikzstyle reverse directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .45 with {\arrowreversed[arrowstyle]{stealth};}}}] \newcommand{\specialcell}[2][l]{% \begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}} \newcommand{\task}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{lp{15cm}l} \textbf{#1} & #2 & \textbf{[#3 балл]} \\ \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\answer}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{|l|p{16cm}|l|} \hline \textbf{#1} & \begin{tabular}{p{16cm}} #2 \end{tabular} & \textbf{[#3]} \\ \hline \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\dist}[5]{ \begin{scope} \draw[shift={#1},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \draw[shift={#2},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \path[shift={#1},rotate=#3] (.5,0) coordinate(aDist); \path[shift={#2},rotate=#3] (.5,0) coordinate(bDist); \draw[ultra thin,<->] (aDist) -- (bDist) node[pos=0.5,#4] {#5}; \end{scope} } \newcommand{\lightSource}[1]{ \begin{scope}[shift={#1}] \foreach \i in {0,30,...,359} \draw[ultra thin,rotate=\i] (0,0) -- (0.15,0); \draw[fill=white] (0,0) circle (0.05); \end{scope} } \graphicspath{{img/}} \definecolor{titleColor} {HTML} {5A0001} \definecolor{refColor} {HTML} {F13030} \definecolor{urlColor} {HTML} {F45B69} \hypersetup{ pdfstartview=FitH, urlcolor = urlColor, linkcolor = refColor, colorlinks=true} \begin{document} \begin{figure}[h] \centering \begin{subfigure}[t]{0.48\textwidth} \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ width=9cm, axis lines = center, xmin=0,ymin=0,xmax=5,ymax=1.25, xticklabels={,,}, yticklabels={,,}, xlabel={$S$}, ylabel={$T$}, %grid=both, %minor grid style={dashed}, %minor tick num=1, %legend style={anchor=north east}, %every x tick label/.append style={/pgf/number format/.cd,fixed,precision=2}, ] \addplot [domain=1:2,red,thick,directed] {0.2 *4^((x-1))}; \addplot [domain=3.5:4,red,thick,directed] {0.8 *1.5^(2*(x-3.5))}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(4, 1.2) (4,0.2)}; \addplot [domain=4:1,red,thick,directed] {0.2}; \addplot [domain=2:3.5,red,thick,directed] {0.8}; \fill(axis cs:4, 1.2) circle (0.025cm) node [right] {$1$}; \fill(axis cs:4,0.2) circle (0.025cm) node [below right] {$2$}; \fill(axis cs:1,0.2) circle (0.025cm) node [below] {$3$} node [left] {$4$}; \fill(axis cs:2,0.8) circle (0.025cm) node [above left] {$5$}; \fill(axis cs:3.5,0.8) circle (0.025cm) node [below] {$6$}; \end{axis} \end{tikzpicture} \end{subfigure} \end{figure} \end{document}

На участке $4-5$ жидкость нагревается, на участке $5-6$ - испаряется, а участок $6-1$ соответствует перегреванию водяного пара. Тогда для $Q_+$ имеем:
$$Q_+=cm(t_5-t_4)+L(t_5)m+\cfrac{\gamma_\text{(в)}mR(t_1-t_6)}{\mu_{\text{(в)}}(\gamma_\text{(в)}-1)}
$$
Поскольку $t_6>180^{\circ}\mathrm{C}$ - показатель адиабаты водяного пара равен $9/7$.
Подставляя численные значения, находим:

Ответ: $$Q_+=57{,}35~\text{МДж}
$$

C3  0.80 Найдите количество теплоты $Q_-$, отведённое от системы за цикл.

Количество теплоты, отданное за цикл в изотермическом процессе, равняется:
$$Q_-=T_2(S_2-S_3)
$$
Найдём изменение энтропии другим способом, учитывая, что процессы $1-2$ и $3-4$ являются адиабатными:
$$S_2-S_3=S_5-S_4+S_6-S_5+S_1-S_6=m\left(c\ln\cfrac{T_5}{T_4}+\cfrac{L(t_5)}{T_5}+\cfrac{\gamma_\text{(в)}R}{\mu_\text{(в)}(\gamma_\text{(в)}-1)}\ln\cfrac{T_1}{T_6}\right)
$$
Таким образом:
$$Q_-=mT_2\left(c\ln\cfrac{T_5}{T_4}+\cfrac{L(t_5)}{T_5}+\cfrac{\gamma_\text{(в)}R}{\mu_\text{(в)}(\gamma_\text{(в)}-1)}\ln\cfrac{T_1}{T_6}\right)
$$
Подставляя численные значение, находим:

Ответ: $$Q_-=36{,}83~\text{МДж}
$$

C4  0.20 Найдите работу газа $A$ за цикл и его КПД $\eta_2$.

Воспользуемся законом сохранения энергии:
$$A=Q_+-Q_-
$$
откуда:

Ответ: $$A=20{,}52~\text{МДж}
$$

По определению:
$$\eta_2=\cfrac{A}{Q_+}=1-\cfrac{Q_-}{Q_+}
$$
откуда:

Ответ: $$\eta_2=0{,}358
$$

D1  0.20 Найдите температуры в точках $b_\text{в}$, $c_\text{в}$, $d_\text{в}$, $e_\text{в}$, $f_\text{в}$ водяного цикла.

Температуры в точках $b_{(\text{в})}$, $c_{(\text{в})}$ и $d_{(\text{в})}$ одинаковы и равны температуре насыщенного пара воды при давлении $p_{c(\text{в})}$:

Ответ: $$t_{b(\text{в})}=t_{c(\text{в})}=t_{d(\text{в})}=t_1=96^{\circ}\mathrm{C}
$$

Температуры в точках $e_{(\text{в})}$ и $f_{(\text{в})}$ одинаковы и равны температуре насыщенного пара воды при давлении $p_{e(\text{в})}$:

Ответ: $$t_{e(\text{в})}=t_{f(\text{в})}=t_2=188^{\circ}\mathrm{C}
$$

D2  1.00 Найдите температуру в точке $a_\text{в}$ водяного цикла.

На рисунке представлены качественные диаграммы рассматриваемых циклов в $TS$ координатах.
\documentclass[a4paper,12pt]{article} % тип документа % report, book \usepackage{geometry} \geometry{a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=1cm,rmargin=1cm} % Русский язык \usepackage[T2A]{fontenc} % кодировка \usepackage[utf8]{inputenc} % кодировка исходного текста \usepackage[english,russian]{babel} % локализация и переносы \usepackage{multirow} \usepackage{multicol} % Списки \usepackage[shortlabels]{enumitem} % Математика \usepackage{amsmath,amsfonts,amssymb,amsthm,mathtools} \usepackage{multicol,caption} \usepackage{lipsum} \newenvironment{Figure} {\par\medskip\noindent\minipage{\linewidth}} {\endminipage\par\medskip} \usepackage{verbatim} \usepackage{physics} \usepackage{amsmath, amsfonts, amssymb, amsthm, mathtools} \usepackage{wasysym, dsfont, dashrule} \usepackage{graphicx} \usepackage{float} \usepackage{wrapfig} \usepackage{xcolor} \usepackage{hyperref} \usepackage{subcaption} \usepackage{cleveref} \usepackage{wasysym} \usepackage[siunitx]{circuitikz} \usetikzlibrary{babel} %tikz \usepackage{tikz} \usepackage{circuitikz} \usetikzlibrary{math} \usetikzlibrary{circuits} \usetikzlibrary{arrows} \usetikzlibrary{decorations} \usetikzlibrary{decorations.pathreplacing} \usetikzlibrary{decorations.pathmorphing,calc} \usetikzlibrary{patterns, patterns.meta} \usepackage{pgfplots} \makeatletter \newcommand{\gettikzxy}[3]{% \tikz@scan@one@point\pgfutil@firstofone#1\relax \edef#2{\the\pgf@x}% \edef#3{\the\pgf@y}% } \makeatother \tikzset{ clip even odd rule/.code={\pgfseteorule}, % Credit to Andrew Stacey invclip/.style={ clip,insert path= [clip even odd rule]{ [reset cm](-\maxdimen,-\maxdimen)rectangle(\maxdimen,\maxdimen) } } } \tikzstyle arrowstyle=[scale=1] \tikzstyle directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .55 with {\arrow[arrowstyle]{stealth}}}}] \tikzstyle reverse directed=[postaction={decorate,decoration={markings, mark=at position .45 with {\arrowreversed[arrowstyle]{stealth};}}}] \newcommand{\specialcell}[2][l]{% \begin{tabular}[#1]{@{}l@{}}#2\end{tabular}} \newcommand{\task}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{lp{15cm}l} \textbf{#1} & #2 & \textbf{[#3 балл]} \\ \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\answer}[3]{ \begin{center} \begin{tabular}{|l|p{16cm}|l|} \hline \textbf{#1} & \begin{tabular}{p{16cm}} #2 \end{tabular} & \textbf{[#3]} \\ \hline \end{tabular} \end{center} } \newcommand{\dist}[5]{ \begin{scope} \draw[shift={#1},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \draw[shift={#2},rotate=#3,ultra thin] (0,0) --++ (0.6,0); \path[shift={#1},rotate=#3] (.5,0) coordinate(aDist); \path[shift={#2},rotate=#3] (.5,0) coordinate(bDist); \draw[ultra thin,<->] (aDist) -- (bDist) node[pos=0.5,#4] {#5}; \end{scope} } \newcommand{\lightSource}[1]{ \begin{scope}[shift={#1}] \foreach \i in {0,30,...,359} \draw[ultra thin,rotate=\i] (0,0) -- (0.15,0); \draw[fill=white] (0,0) circle (0.05); \end{scope} } \graphicspath{{img/}} \definecolor{titleColor} {HTML} {5A0001} \definecolor{refColor} {HTML} {F13030} \definecolor{urlColor} {HTML} {F45B69} \hypersetup{ pdfstartview=FitH, urlcolor = urlColor, linkcolor = refColor, colorlinks=true} \begin{document} \begin{figure}[h] \centering \begin{subfigure}[t]{0.48\textwidth} \centering \begin{tikzpicture} \begin{axis}[ width=9cm, axis lines = center, xmin=0,ymin=0,xmax=5,ymax=1.25, xticklabels={,,}, yticklabels={,,}, xlabel={$S$}, ylabel={$T$}, %grid=both, %minor grid style={dashed}, %minor tick num=1, %legend style={anchor=north east}, %every x tick label/.append style={/pgf/number format/.cd,fixed,precision=2}, ] \addplot [domain=1:1.5,red,thick,directed] {0.2 *3^(2*(x-1))}; \addplot [domain=3.5:4,red,thick,directed] {0.6 *2^(2*(x-3.5))}; \addplot [red,thick,directed] coordinates {(4, 1.2) (4,0.2)}; \addplot [domain=4:1,red,thick,directed] {0.2}; \addplot [domain=1.5:3.5,red,thick,directed] {0.6}; \fill(axis cs:4, 1.2) circle (0.025cm) node [right] {$a_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:4,0.2) circle (0.025cm) node [below right] {$b_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:1,0.2) circle (0.025cm) node [below right] {$c_\text{(в)}$} node [left] {$d_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:1.5,0.6) circle (0.025cm) node [below right] {$e_\text{(в)}$}; \fill(axis cs:3.5,0.6) circle (0.025cm) node [below] {$f_\text{(в)}$}; \addplot [domain=1.5:2.5,blue,thick,directed] {0.6 *(10.8/6)^((x-1.5))+0.02}; \addplot [blue,thick,directed] coordinates {(3.5, 1.1) (3.5,0.62)}; \addplot [domain=2.5:3.5,blue,thick,directed] {1.1}; \addplot [domain=3.5:1.5,blue,thick,directed] {0.62}; \fill(axis cs:3.5, 1.1) circle (0.025cm) node [above] {$a_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:3.5,0.62) circle (0.025cm) node [above left] {$b_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:1.5,0.62) circle (0.025cm) node [below left] {$c_\text{(р)}$} node [above left] {$d_\text{(р)}$}; \fill(axis cs:2.5,1.1) circle (0.025cm) node [above] {$e_\text{(р)}$}; \end{axis} \end{tikzpicture} \end{subfigure} \end{figure} \end{document}

Поскольку процессы $a_\text{в}-b_\text{в}$ и $c_\text{в}-d_\text{в}$ являются адиабатическими - изменение энтропии на участках $d_\text{в}-e_\text{в}-f_\text{в}-a_\text{в}$ равно изменению энтропии на участке $c_\text{в}-b_\text{в}$:
$$S_{b\text{(в)}}-S_{c\text{(в)}}=S_{e\text{(в)}}-S_{d\text{(в)}}+S_{f\text{(в)}}-S_{e\text{(в)}}+S_{a\text{(в)}}-S_{f\text{(в)}}
$$
Для изменении энтропии воды на участках $d_\text{в}-e_\text{в}-f_\text{в}-a_\text{в}$ имеем:
$$S_{a\text{(в)}}-S_{d\text{(в)}}=m_\text{в}\left(c_\text{в}\ln\cfrac{T_2}{T_1}+\cfrac{L_\text{в}(T_2)}{T_2}+\cfrac{\gamma_\text{в}R}{\mu_\text{в}(\gamma_\text{в}-1)}\ln\cfrac{T_{a\text{(в)}}}{T_2}\right)
$$
Для изменения энтропии на участке $c_\text{в}-b_\text{в}$ имеем:
$$S_{b\text{(в)}}-S_{c\text{(в)}}=\cfrac{m_\text{в}L_\text{в}(T_1)}{T_1}+\cfrac{A_\text{пар}}{T_1}
$$
где $A_\text{пар}$ - работа водяного пара при расширении. Найдём её:
$$A_\text{пар}=\int\limits_{V_0}^{V_\text{к}}pdV=\nu RT\int\limits_{V_0}^{V_\text{к}}\cfrac{dV}{V}=\nu RT\ln\cfrac{V_\text{к}}{V_0}
$$
Поскольку пар расширяется по изотерме:
$$\cfrac{V_\text{к}}{V_0}=\cfrac{p_0}{p_\text{к}}=\cfrac{p_{c\text{(в)}}}{p_{b\text{(в)}}}
$$
Мы получили уравнение, содержащее $T_a$:
$$\cfrac{L_\text{в}(T_1)}{T_1}+\cfrac{R}{\mu_\text{в}}\ln\cfrac{p_{c\text{(в)}}}{p_{b\text{(в)}}}=c_\text{в}\ln\cfrac{T_2}{T_1}+\cfrac{L_\text{в}(T_2)}{T_2}+\cfrac{\gamma_\text{в}R}{\mu_\text{в}(\gamma_\text{в}-1)}\ln\cfrac{T_{a\text{(в)}}}{T_2}
$$
Найдём численные $L_\text{в}(T_1)$ и $L_\text{в}(T_2)$:
$$L_\text{в}(T_1)=2{,}27~\text{МДж}\qquad L_\text{в}(T_2)=1{,}98~\text{МДж}
$$
Окончательно получим:

Ответ: $$t_{a\text{(в)}}\approx{677^{\circ}\mathrm{C}}
$$

D3  1.30 Найдите давление ртути на участке $d_\text{р}-e_\text{р}-a_\text{р}$.

Обозначим температуру в точке $e_\text{р}$ за $T_4$. Тогда для изменения энтропии на участке $d_\text{р}-e_\text{р}-a_\text{р}$ имеем:
$$S_{a\text{(р)}}-S_{d\text{(р)}}=m_\text{р}\left(c_\text{р}\ln\cfrac{T_4}{T_2}+\cfrac{L_\text{р}(T_4)}{T_4}\right)
$$
С другой стороны, это же изменение энтропии равно изменению энтропии на участке $c_\text{р}-b_\text{р}$, которое, в свою очередь, равно изменению энтропии воды на участке $e_\text{в}-f_\text{в}$:
$$S_{f\text{(в)}}-S_{f\text{(в)}}=\cfrac{m_\text{в}L_\text{в}(T_2)}{T_2}
$$
Приравнивая, получим зависимость $L_\text{р}(T_4)$:
$$L_\text{р}(T_4)=\cfrac{m_\text{в}L_\text{в}(T_2)T_4}{m_\text{р}T_2}-c_\text{р}T_4\ln\cfrac{T_2}{T_4}
$$
Построим данную функцию на границе зависимости $L_\text{р}(t)$ и найдём решение:
$$t_4\approx 610^{\circ}\mathrm{C}
$$
Сразу определим $L_\text{р}(t_4)$:
$$L_\text{р}(t_4)\approx 288~\text{кДж}/\text{кг}
$$
Давление ртути на искомом участке равно давлению насыщенного пара ртути при данной температуре.
Окончательно имеем:

Ответ: $$p_{e\text{(р)}}\approx 2{,}6~\text{МПа}
$$

D4  1.00 Найдите КПД бинарного цикла Ренкина с ртутью и водой $\eta_3$.

Ртуть на участке $b_\text{р}-c_\text{р}$ обменивается теплом с водой на участке $e_\text{в}-f_\text{в}$, поэтому извне подводится тепло к ртути на участке $d_\text{р}-e_\text{р}-a_\text{р}$, а также к воде на участках $d_\text{в}-e_\text{в}$ и $f_\text{в}-a_\text{в}$.
Тогда для подведённого количества теплоты на единицу массы воды $Q_{+3}/m_\text{в}$ получим:
$$\cfrac{Q_{+3}}{m_\text{в}}=\left(c_\text{в}(t_2-t_1)+\cfrac{\gamma_\text{в}R(t_3-t_2)}{\mu_\text{в}(\gamma_\text{в}-1)}\right)+\cfrac{m_\text{р}}{m_\text{в}}\left(c_\text{р}(t_4-t_2)+L_\text{р}(t_4)\right)\approx{4{,}976~\cfrac{\text{МДж}}{\text{кг}}}
$$
Тепло в системе отводится только от воды на участке $b_\text{в}-c_\text{в}$, поэтому для отведённого количества теплоты на единицу массы воды $Q_{-3}/m_\text{в}$ имеем:
$$\cfrac{Q_{-3}}{m_\text{в}}=\cfrac{T_1(S_{b\text{(в)}}-S_{c\text{(в)}})}{m_\text{в}}
$$
Из результатов пункта $\mathrm{D2}$:
$$\cfrac{S_{b\text{в}}-S_{c\text{в}}}{m_\text{в}}=\left(c_\text{в}\ln\cfrac{T_2}{T_1}+\cfrac{L_\text{в}(T_2)}{T_2}+\cfrac{\gamma_\text{в}R}{\mu_\text{в}(\gamma_\text{в}-1)}\ln\cfrac{T_{a\text{(в)}}}{T_2}\right)
$$
Откуда:
$$\cfrac{Q_{-3}}{m_\text{в}}=T_1\left(c_\text{в}\ln\cfrac{T_2}{T_1}+\cfrac{L_\text{в}(T_2)}{T_2}+\cfrac{\gamma_\text{в}R}{\mu_\text{в}(\gamma_\text{в}-1)}\ln\cfrac{T_{a\text{(в)}}}{T_2}\right)\approx{2{,}484~\cfrac{\text{МДж}}{Кг}}
$$
Окончательно:

Ответ: $$\eta_3\approx{0{,}50}
$$