§1.4. Порядок защиты лабораторных работ

В большинстве случаев материал для выставления оценки за лабораторную работу накапливается преподавателем в ходе выполнения ими этих работ, по результатам наблюдения за работой обучаемых.

Цель защиты лабораторной работы заключается в оценке не только практических навыков и умений студентов, но и в проверке их теоретических знаний по данному разделу дисциплины, в оценке их умения анализировать результаты исследований и делать на их основе правильные выводы.

Для подготовки к защите студенты должны ознакомиться с вопросами по данной работе, самостоятельно найти на них ответы, оформить отчет о работе. Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы приводятся в методических указаниях по проведению работы и в данном учебном пособии.

Защита, как правило, осуществляется на следующей лабораторной работе. За проведенную работу, оформленный отчет и по результатам опроса преподаватель выставляет дифференцированную оценку, с указанием замечаний.

§1.5. Рекомендуемая литература для подготовки к

лабораторным работам и их защиты

а) основная литература

1. Теплотехника / Под ред. М.Г. Шатрова. М.: Академия, 2012.

2. Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснякин С.Ю., Михайлов Т.В. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2009.

б) дополнительная

1. Теплотехника: Учеб. для вузов/В.И. Луканин, М.П. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. — 2-е изд., перераб. — М.: Высш. шк., 2000. — 671 с: ил.

2. Ляшков В. И. Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие. 2-е изд., стер. - М.: Изд-во Машиностроение-1, 2005. - 260 с.

3. Баскаков А.П. Теплотехника. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 244 с.

4. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1969. – 376 с.

Раздел 2. Методические указания по выполнению

лабораторного практикума

Глава 1. Лабораторная работа «Расчет основных

термодинамических параметров состояния рабочего тела»

§2.1.1. Цель работы

Лабораторная работа выполняется на основе теоретических положений теплотехники и термодинамики с использованием табличного процессора Microsoft EXCEL в среде Windows 9*/NT/2000/ХР или с помощью инженерного калькулятора.

Цель работы:

изучить термодинамическими параметрами состояния системы, основные законы и уравнения состояния идеальных газов;

получение умения и навыков:

в определении параметров и энергетических составляющих газов и их смесей в различных термодинамических процессах;

в применении основных законов термодинамики при производстве инженерных расчетов.

§2.1.2. Термодинамические параметры состояния системы.

Основные законы и уравнения состояния идеальных

газов

К термодинамическим параметрам состояния системы относят абсолютное давление (р), удельный объем (v) и абсолютную температуру (Т).

Термодинамические параметры входят в уравнение состояния вида F(p,v,T) =0 и могут быть непосредственно измерены.

Абсолютное давление. Давление – величина, определяемая отношением силы (ее нормальной составляющей), действующей на поверхность, к площади этой поверхности

где p – давление, Па; F_н – сила, Н; А – площадь, м².

В расчетах используют величины, кратные одному паскалю:

1 кПа=10³ Па; 1 МПа =10⁶ Па; 1 ГПа = 10⁹ Па;

1 бар = 10⁵ Па = 100 кПа,

где обозначения единиц измерения давления читают следующим образом: кПа – килопаскаль; МПа – мегапаскаль; ГПа – гигапаскаль.

В технике для измерения давления применяют техническую атмосферу, равную силе в 1 кгс, действующей на 1 см² площади.

1 ат = 1 кгс/см².

Для измерения малых давлений используют высоту столба жидкости (вода, ртуть, спирт и т.д.). Столб жидкости своим весом производит на основание давление: p = ρgh,

откуда следует, что h = p/(ρg),

где р – давление, Па; ρ - плотность жидкости, кг/м³; g = 9,80665 ≈ 9,81 м/с² - ускорение свободного падения. Например, для воды (ρ_H2O = 1000 кг/м³) 1 Па равен

= 0,102 мм в. ст.,

где обозначения единиц измерения давления читают следующим образом: м вод. ст. - метры водяного столба; мм в. ст. - миллиметры водяного столба.

При определении давления р или перепада давлений Δр надо учитывать зависимость плотности вещества от температуры и приводить высоту столба жидкости к температуре 0 °С по формуле

h₀=h(1- βt),

где h₀ - показания прибора, приведенные к 0 °С, м или мм; h - высота столба жидкости при данной температуре, м или мм; β - коэффициент объемного расширения жидкости. К^-1 (для ртути β = 0,000172 К^-1); t - температура жидкости, °С.

В термодинамических расчетах различают атмосферное давление, избыточное (манометрическое) давление, разрежение (вакуум) и абсолютное давление. При этом за нормальное атмосферное давление принимают давление воздуха на уровне моря при температуре t=0°С, которое равно 760 мм рт. ст..

Перевод единиц измерения давления приведен в табл. 2.1.1

Таблица 2.1.1

Перевод единиц измерения давления

Единица	Бар	Паскаль, Па (H/м2)	Физическая атмосфера, атм	Техническая атмосфера, ат (кгс/см2)	Миллиметры ртутного столба, мм рт. ст.	Миллиметры водяного столба, мм вод. ст.
1 бар	1	105	0,987	1,02	750	10200
1 Па	10-5	1	–	–	–	0,102
1 атм	1,013	101300	1	1,033	760	10330
1 ат	0,981	98100	0,968	1	735,6	10000
1 мм рт. ст.	0,00133	133,3	0,001316	0,00136	1	13,6
1 мм вод. ст.	9,81∙10-5	9,81	9,68∙10-5	10-4	0,0736	1

Термодинамическим параметром состояния служит абсолютное давление р, Па.

Используемые в технике приборы, как правило, измеряют не абсолютное давление, а разность давлений давления в сосуде и давления атмосферного воздуха.

При давлении в сосуде больше атмосферного, абсолютное давление рассчитывают по формуле

Р = В + р_м,

где В - барометрическое давление; р_м - манометрическое давление или избыточное давление.

Аналогично, при давлении в сосуде меньше атмосферного измеряют вакуум или разрежение и в этом случае абсолютное давление равно

Р = В-р_в,

где р_в - вакуумметрическое давление или разрежение.

Абсолютная температура

Температура характеризует степень нагретости тела. В настоящее время в практике инженерных расчетов широкое распространение получили две температурные шкалы:

1. Термодинамическая шкала температур, которая имеет одну реперную точку - тройную точку воды (вода находится одновременно в трех фазовых состояниях) при t = 0.01 °С (Т= 273.16 К) и р = 610 Па. Температуру измеряют по шкале Кельвина. К. Начало отсчета

Т = 0 К = - 273.15 °С.

2. Международная практическая шкала температур (МПШТ) имеет две реперные точки: первая точка - точка таяния льда при t₁ = 0°С и р=760 мм рт. ст.; вторая точка - точка кипения воды при t₂ = 100 °С и р = 760 мм рт.ст. МПШТ для измерения температуры использует градусы Цельсия, °С.

Перевод температуры из термодинамической шкалы температур в практическую шкалу температур и наоборот выполняют по формулам:

T = t + 273.15K:

t = Т - 273.15°С.

Термодинамический параметр — абсолютная температура, выражаемая в Кельвинах. К.

Удельный объем

Удельный объем равен объему единицы массы вещества

где v - удельный объем, м³/кг; V - объем, м³; m - масса вещества, кг.

Плотность равна массе вещества, содержащегося в единице объема

где ρ - плотность вещества, кг/м³ : m - масса вещества, кг; V - объем, м³.

Соотношение между удельным объемом и плотностью вещества

ρv = l.

Удельный вес рассчитывают по формуле, Н/м³

γ = g∙ρ.

В XIX веке экспериментально были установлены следующие соотношения между термодинамическими параметрами для газов, близких по своим свойствам к идеальному газу:

для изобарного процесса р = const, v/T= const — закон Гей-Люссака;

для изохорного процесса v = const, p/T = const - закон Шарля;

для изотермического процесса Т = const, р/ρ = const или р∙v = const с учетом соотношения р∙v = 1 — закон Бойля - Мариотта.

В 1834 году французский ученый Клапейрон объединил эти законы и получил характеристическое уравнение, связывающее между собой все три термических параметра p, v и Т. Данное уравнение называют термодинамическия уравнением состояния идеального газа.

Для 1 кг газа уравнение состояния идеального газа имеет вид

pv = RT,

где р - абсолютное давление, Па; v - удельный объем, м³/кг; Т - абсолютная температура, К; R - постоянная данного газа или газовая постоянная. Дж /(кг∙К).

Умножив левую и правую части данного уравнения на массу газа, получим уравнение состояния хля газа массой m:

р∙m∙v = m∙R∙Т или р∙V = m∙R∙Т.

где V = m∙v - ооьем газа, м³.

В системе СИ количество вещества измеряют в молях и киломолях: 1 кмоль = 10³ моль.

Кмоль газа (вещества) равен количеству газа (вещества), масса которого в килограммах, равна молярной (относительной молекулярной) массе.

Молярная масса газа μ — это масса газа (вещества) в килограммах, взятого в количестве 1 кмоль.

Например, у азота (N₂) 1 кмоль равен 28 кг и молярная масса равна μ_N2 =28 кг/кмоль. Молярные массы газов представлены в табл. 2.1.2.

Масса газа m выраженная через число киломолей. равна

m = n∙μ.

где m - масса газа, кг; μ - молярная масса, кг/кмоль; n - число киломолей, кмоль.

Кроме приведенных выше законов, газы подчиняются и закону Авогадро, который устанавливает, что все газы при одинаковых температурах и давлениях содержат в одинаковых объемах одно и то же количество молекул. Откуда следует, что плотность газа прямо пропорциональна его молярной массе:

или. учитывая соотношение р∙v = 1. получим

откуда следует соотношение

где V_μ - объем киломоля, м³/кмоль.

Таблица 2.1.2

Молярные массы газов

Газ		μ, кг/кмоль
Водород	H2	2.016
Азот	N2	28.03
Кислород	О2	32.00
Воздух 21% О2+79% N2		28.96
Метан	СН4	16.03
Окись углерода	СО	28.01
Углекислый газ	СО2	44.01
Гелий	Не	4.003
Аргон	Аг	39.94

Итак, для всех идеальных газов при одинаковых температурах Т и давлениях р объем одного киломоля одинаков.

При нормальных условиях (р₀ = 760 мм. рт. ст. = 101,3 кПа и Т₀=273.15 К) объем 1 кмоля любого газа равен V_μ0 =22.4146 м³/кмоль.

Д. И. Менделеев в 1874 г. для μ кг идеального газа (для 1 киломоля) получил универсальное уравнение состояния:

р∙μ∙v =μ∙R∙Т или р∙V_μ = R_μ Т,

где V_μ = μ∙v — объем 1 кмоля, м³/кмоль:

R_μ =μ∙R = 8314.3 Дж/ (кмоль К) — универсальная или молярная газовая постоянная.