Модуль 1 техническая термодинамика
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
2 Часа Исследование объемной изобарной теплоемкости воздуха
Цель работы
Изучение физической сущности теплоемкости воздуха и факторов, влияющих на нее.
Задачи работы
1 Освоить экспериментальный метод определения теплоемкости воздуха.
2 Знать порядок определения теплоемкости по справочной литературе.
Обеспечивающие средства
Экспериментальная установка, методика проведения эксперимента, порядок обработки измеряемых величин.
Задание
Провести лабораторные исследования по определению изобарной объемной теплоемкости воздуха и сравнить их с литературными справочными данными (приложение В).
Требования к содержанию отчета
Результаты лабораторной работы представить в виде аналитического расчета.
Порядок выполнения работы
1 Изучить теоретический материал согласно заданию на самостоятельную подготовку.
2 Изучить порядок выполнения лабораторной работы.
3 Произвести замеры и обработать результаты опытов в виде аналитического расчета.
Главной частью установки (рисунок 1) является проточный калориметр. Протекание воздуха через калориметр (1) обеспечивается вентилятором (2). В калориметре имеется нагреватель (3) (электрическое сопротивление нагревателя Rнагр= 0,12 кОм). К нагревателю подводится переменный ток. Регулировка мощности осуществляется реостатом (4). Мощность нагревателя измеряется в электрической схеме амперметром (5) и вольтметром (6) (электрическое сопротивление вольтметра Rвольт=11 кОм). Температура воздуха на входе а калориметр измеряется с помощью термометра (7) на выходе – термометром (8). Динамический напор воздуха измеряется с помощью дифференциального микроманометра (9). Исследуемый воздух засасывается вентилятором из помещения лаборатория, проходит калориметр и выбрасывается наружу.
1.1 Последовательность выполнения работы
Включаются вентилятор и электронагреватель. Измерения проводятся после достижения стационарного теплового режима, о наступлении которого судят по постоянству температур t2 и t1. Температура воздуха измеряется до нагревателя t1 и после нагревателя t2, электрическое напряжение U и сила тока в цепи нагревателя I, а также показания микроманометра H. Барометрическое давление измеряется по барометру, установленному в лаборатории В, мм. рт. ст. Результаты измерений вносят в таблицу 1.1.
1 – калориметр; 2 – вентилятор; 3 – нагреватель; 4 – реостат;
5 – амперметр; 6 – вольтметр; 7, 8 – термометры; 9 – микроманометр
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки
Таблица 1.1 – Протокол результатов измерений
t1, oC |
T1, K |
t2, °C |
T2, K |
I, A |
U, B |
H, м |
В, мм. рт. ст. |
|
|
|
|
|
|
|
|
1.2 Обработка результатов измерений
Во всех расчетах берут средние значения величин, полученных за время работы.
Количество теплоты, аккумулированное воздухом за секунду Q, кВт, находят по формуле
, (1.1)
где
–
объемный
расход воздуха, приведенный к нормальным
условиям, нм3/с;
– объемная изобарная
теплоемкость воздуха, кДж/(нм3·К);
– температура
воздуха до и после нагревателя, К.
Искомая величина
–
изобарная
объемная теплоемкость воздуха
выражается
из формулы
(1.1)
. (1.2)
Количество теплоты, подведенное к воздуху от электрического нагревателя за секунду определяется из состояния
, (1.3)
где
–
тепло,
выделяющееся нагревателем в 1 с, кВт;
– напряжение в
нагревателе, В;
– сила тока,
протекающего через нагреватель, А.
Силу тока, протекающего через нагреватель, рассчитывают с учетом того, что измеренный амперметром ток не полностью протекает через нагреватель; часть его идет через вольтметр (рисунок 1). Поэтому сила тока, протекающего в цепи нагревателя, А, будет равна
, (1.4)
где
–
сила тока, непосредственно измеренная
амперметром, А;
–
сопротивление
соответственно нагревателя и вольтметра,
Ом (п. 1.7).
Расход воздуха в секунду, приведенный к нормальным условиям, нм3/с, определяется по формуле
, (1.5)
где
–
барометрическое
давление, мм. рт. ст.;
– объемный
расход воздуха в секунду, м3/с.
, (1.6)
где
–
поперечное сечение трубы, равное
,
м;
– средняя скорость
воздуха в трубе, м/с;
– диаметр
трубы, м (d=100
мм);
Средняя скорость воздуха в трубе , м/с, определяется по скорости воздуха по оси трубы из соотношения
, (1.7)
где
–
скоростной
коэффициент, равный 0,85, характеризующий
неравномерность скорости воздуха по
сечению трубы.
Осевая скорость
определяется по динамическому напору
, (1.8)
где
–
динамический напор, Н/м2;
– плотность
воздуха, кг/м3.
Динамический напор, Н/м2, определяется по формуле
, (1.9)
где
–
ускорение силы тяжести, м/с2
(
= 9,81 м/с2);
–
высота столба
жидкости, уравновешивающей динамический
напор, м;
– плотность
манометрической жидкости, (
=
1000 кг/м3);
– плотность воздуха, кг/м3;
,
.
Тепловые потери исключаются из расчета, так как измерения проводятся в стационарном режиме. С учетом всего объемная изобарная теплоемкость воздуха будет вычисляться по формуле 1.2.
Рассчитанное по формуле (1.2) значение позволяет рассчитать массовую теплоемкость, кДж/(кг·К)
, (1.10)
где
–
масса моля воздуха, кг/кмоль (
= 28,96
кг/кмоль).
Кроме изобарной
теплоемкости, следует рассчитать
массовую изохорную теплоемкость
по уравнению Майера
,
так как воздух
в данном состоянии близок к идеальному
газу. Газовая постоянная воздуха,
кДж/(кг·К), находится по формуле
.
Полученные величины
и
,
сравнивают с
табличными значениями (приложение В) и
сопоставляют величину их расхождения
с максимально возможной ошибкой
экспериментальных данных. Ошибка
экспериментальных данных рассчитывается
по выражением
, (1.11)
, (1.12)
где индекс "экс" – значение средней теплоемкости, полученное в результате эксперимента; индекс "табл" – табличное значение средней теплоемкости.
Далее вычисляют
показатель адиабаты воздуха
и сравнивают
с табличным значением [1].
Экспериментальное исследование теплоемкости газа дает возможность вычислять энтальпию, кДж/кг, и внутреннюю энергию, кДж/кг [1]
, (1.13)
. (1.14)
1.3 Оценка погрешности измерений
Максимально возможная относительная ошибка средней объемной теплоемкости воздуха при постоянном давлении определяется по формуле
, (1.15)
где
– абсолютные
ошибки измерения величины.
1.4 Контрольные вопросы
1) Дать определение удельной теплоемкости.
2) Что называется удельной объемной; массовой и мольной теплоемкостями?
3) Дать определение средней теплоемкости.
4) Что называется истинной теплоемкостью?
5) Написать уравнение количества теплоты через среднюю теплоемкость.
6) Перечислить факторы, влияющие на теплоемкость.
7) Как называется метод, использованный в данной лабораторной работе, для определения средней теплоемкости воздуха?
8) Какие численные значения термических параметров имеет вещество при нормальных условиях?
9) Как называется прибор, измеряющий расход воздуха? Объясните принцип его работы.
10) Как связаны между собой объемная, мольная и массовая теплоемкости?
11) Объясните смысл всех величин, входящих в уравнение Майера.
12) Почему теплоемкость газа при постоянном давлении всегда больше теплоемкости при постоянном объеме?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2