2.1 Общие указания

Перед выполнением лабораторной работы изучите настоящие методические указания, соответствующие разделы [3, 4], подготовьте ответы на контрольные вопросы и заготовьте бланк отчета.

В теплотехнике при расчете количества теплоты в процессе изменения состояния тела необходимо знать его теплоемкость. Теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу, чтобы в данном процессе при данных параметрах изменить его температуру на 1К. В практических расчетах используют удельные значения теплоемкости. В зависимости от количественной единицы, к которой ее относят, различают: массовую С_m (кДж / (кг · К); объемную С_v, (кДж /(м³· К)) и молярную С_µ (кДж/(кмоль · К)) удельные теплоемкости.

Таким образом, удельная теплоемкость зависит от количественной единицы, к которой ее относят, природы тела, характера процесса изменения состояния и параметров состояния тела. Для газа теплоемкость может рассматриваться в данном процессе как функция температуры и давления. Теплоемкость идеальных газов не зависит от давления, для многих реальных газов вдали от линии насыщения она также считается только функцией от температуры. Это относится к азоту, кислороду, воздуху и другим газам при условиях, близких к нормальным.

Под истинной теплоемкостью понимают ее значение, соответствующее определенной температуре. Истинная удельная массовая теплоемкость - это отношение удельной теплоты при бесконечно малом изменении состояния в данном процессе (dq) к изменению температуры (dT)

(2.1)

где C_х,C _р, C _v - соответственно теплоемкости в произвольном, изо­барном и изохорном процессах.

В конечном процессе отношение теплоты к изменению температур

ΔТ = Т₂ - Т₁ называют средней теплоемкостью _, среднюю теплоемкость в интервале температур Т₁ ÷ Т₂ определяют по формуле:

, (2.2)

- определяют по таблицам соответственно по температурах Т₂ и Т₁ .

Величина теплоемкости зависит от характера процесса. При термодинамическом анализе и теплотехнических расчетах особое место занимают изобарная C _р и изохорная C _v теплоемкости. Для идеальных газов их значения достаточно для определения внутренней энергии и энтальпии.

Изменение внутренней энергии определяется по формуле

ΔU = U₂ - U₁ = C_v (T₂ - T₁). (2.3)

Изменение энтальпии

Δі = і₂ - і₁ = C_р(T₂ - T₁). (2.4)

Свіязь между C_р и C_v устанавливается по закону Майера

C_р = C_v + R,

C_v = C_р - R,

C_р - C_v = R,

где R – газовая постоянная.

Значения C_р и C_v для идеальных газов определяются молекулярно-кинетической теорией, болем точно оно определяется с помощью спектроскопических методов, основанных на применении квантовой физики.

2.2 Методика проведения эксперимента

В данной работе для определения изобарной теплоемкости воздуха используется метод проточного калориметрирования. Через проточный калориметр пропускают воздух который нагревается расположенным внутри электронагревателем. В стационарном режиме измеряют подведенную к воздуху от нагревателя теплоту, температуры воздуха на входе и выходе из калориметра и его расход. Теплоемкость рассчитывают на основании уравнения первого закона термодинамики. Для потока, записанного для входного и выходного сечений калориметра

(2.6)

где удельная теплота, отнесенная к 1 кг воздуха:

q - подведенная к воздуху в калориметре;

q_3JI - подведенная к воздуху от нагревателя;

q_тп - тепловые потери калориметра в окружающую среду.

Разность скоростей ω₁ и ω₂ ,и высот х, и х₂ мала, техническая работа не совершается ( L_т), тепловые потери в калориметре самоулавливаются ( q_тп = 0 ) тогда уравнение (2.6) принимает вид

(2.7)

Так как q_3n связано с электрической мощностью нагревателя W и массовым расходом воздуха через калориметр, то

(2.8)

Объединяя формулы (2.7) и (2.8), получаем формулу для определения средней изобарной теплоемкости

(2.9)

Перед выполнением лабораторной работы изучите схему опытной установки, которая приведена на рисунке 2.1.

Основная часть установки, изображенной на рисунке, - проточный электро-

калориметр 5, представляющий собой многоходовой стеклянный теплообменник На оси размещен нагреватель б из нихромовой спирали сопротивлением около

90 Ом. Поток воздуха на внешних каналов подходит к нагревателю, обеспечивая тем самым самоулавливание тепловых потерь из центральной нагретой зоны подходящим холодным воздухом.

Температура воздуха на входе и выходе из калориметра измеряется хромель-алюмелевыми термопарами. Для определения средней по сечению потока температуры нагретого воздуха термопара на входе размещена на медной решетке, перпендикулярной к оси потока. Термопары подключены к многоканальному цифровому прибору 10 для измерения температуры типа А - 565.

1 – выключатель; 2 – лампа; 3 – автотрансформатор; 4 – ваттметр;

5 – проточный электрокалориметр; 6 – нагреватель; 7 – вентиль;

8 – ротаметр; 9 – компрессор; 10 – многоканальный цифровой прибор для измерения температуры.

Рисунок 2.1 – Схема установки

Температуры t₁ и t₂ соответственно на входе и выходе в градусах Цельсия индицируются на табло прибора при нажатии клавиши соответствующего канала. Воздух подается компрессором 9. Расход воздуха регулируется с помощью игольчатого вентиля 7. Объемный расход измеряется по показаниям ротаметра 8 и его градуировочному графику для воздуха (см. рис. 2.2 ).

Электрическая мощность нагревателя 6 регулируется лабораторным автотрансформатором 3 и измеряется ваттметром 4. Давление воздуха в калориметре определяется по показанию барометра в помещении лаборатории. После изучения схемы опытной установки приступить к выполнению работы

1 Выключателем 1 подать напряжение на установку, при этом должна загореться лампочка 2.

2 Вентилем 7 ротаметра 8 установить и поддерживать требуемый расход воздуха Значение расхода считывают на шкале ротаметра по верхней точке шарика - поплавка и определяют по градуировочному графику- (рисунок 2.2).

3 С помощью автотрансформатора установить требуемое значение мощности на нагревателе 6. (Контролируют по ваттметру).

4 Выход установки на стационарный режим определить по температуре t₂ воздуха после калориметра, для чего значение t₂ с интервалом 3 минуты зафиксировать и занести в отдельную таблицу (максимальное время выхода на режим 30 минут). Когда значение t₂ установится (максимальная температура воздуха на выходе из калориметра не более 60 °С), определить показания ваттметра, ротаметра, барометра, температуры t₁ и t₂ по цифровому прибору и занести их в таблицу.

5 После согласования с преподавателем полученных результатов провести 2-3 опыта при других режимах. Рекомендуемые значения расхода: 40, 60, 80, 90 делений по шкале ротаметра и соответственно мощности 1; 1,5; 2,0; 2,5 Вт, но не более 6 Вт.

6 После окончания опытов ручку автотрансформатора установить в нулевое положение, выключить выключатель 1, через минуту закрыть вентиль 7, а сотрудник лаборатории отключает компрессор 9.

2.3 Обработка опытных данных

Среднюю изобарную теплоемкость определить по формуле (2.9). Мощность нагревателя (W) определить по ваттметру. Принимая состав воздуха 21 % О₂ и 79 % N₂ определить среднюю молекулярную массу по формуле

( 2.10)

Газовую постоянную воздуха по формуле

(2.11)

Удельный объем воздуха определить из уравнения состояния идеаль­- ного газа

(2.12)

где T₁ - температура воздуха на входе в калориметр;

P₁ - атмосферное давление по показанию барометра. Действительный расход воздуха определите по формуле

(2.13)

где Р и Т - параметры тарировки ротаметра ( Р = 760 мм.рт.ст; Т = 293 К);

V - расход воздуха по тарировочному графику ротаметра (м³/ч).

Maccoвый секундный расход воздуха

(2.14)

Сравните полученные данные с табличными значениями изобарной теплоемкости из [4]. Результаты опытов занесите в таблицу 2.1

2.4 Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1Титульный лист установленной формы.

2 Название и цель работы.

3 Краткую теоретическую часть.

4 Схему опытной установки и краткое ее описание.

5 Основные расчетные формулы, результаты измерений и расчетных данных

( сводную таблицу ).

6. Выводы о работе.

Контрольные вопросы

1 Что называется теплоемкостью?

2 Что такое удельная массовая, объемная и мольная теплоемкости ?

3 Что такое истинная теплоемкость?

4 Как определяется средняя теплоемкость в интервале температур T₁ и T₂?

5 Напишите уравнение количества теплоты через среднюю теплоемкость.

6 Какая связь между изобарной и изохорной теплоемкостями, газовой постоянной и показателем адиабаты?

7. Почему теплоемкость газа при постоянном давлении всегда больше теплоемкости при постоянном объеме?

8. Как определяется массовая, объемная и мольная теплоемкости для газовых смесей?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТа 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ ВОЗДУХА

Цель — экспериментально определить показатель адиабатного процесса для одного из наиболее распространенных рабочих -тел— воз духа и срав­нить экспериментальные данные с расчетными.