2. Основные теоретические положения

Теплоемкостью тела называется количество теплоты, необходимое для нагревания тела на один градус.

Если теплоемкость отнесена к какой-либо количественной единице вещества, то ее называют удельной.

Различают три вида удельных теплоемкостей:

с – массовая теплоемкость (количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1кг вещества на один градус), кДж/(кгК);

c – мольная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1кмоля (киломоля) вещества на один градус), кДж/(кмольК);

c – объемная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы объема вещества на один градус), кДж/(м³К).

Обычно за объемную теплоемкость в нормативных расчетах [2] принимают количество теплоты, необходимое для изменения температуры на один градус такого количества вещества, которое при нормальных физических условиях (t=0 ^оC, р=760 мм рт.ст.) занимает объем в 1 м³, c_н – в кДж/(нм³К).

Существуют соотношения между всеми удельными теплоемкостями:

, (2.1)

, (2.2)

где _н – плотность воздуха при нормальных условиях,

V_н =22,4 – объем 1 киломоля при нормальных условиях, м³/кмоль.

Теплоемкость – функция процесса.

Для практических целей важно знать величину теплоемкости при постоянном давлении с_р и при постоянном объеме с_v.

Между собой изобарные и изохорные теплоемкости связаны законом Майера:

, (2.3)

, (2.4)

, (2.5)

где R_=8314 Дж/(кмольК) – универсальная газовая постоянная;

–газовая постоянная, Дж/(кгК).

Теплоемкость реального газа зависит от давления и от температуры. Зависимость теплоемкости газа от давления выражена очень слабо. В зависимости от температуры теплоемкость реального газа подразделяют на истинную и среднюю.

Средней теплоемкостью газа называется отношение количества теплоты q₁₂ данного процесса к разности температур этого процесса:

. (2.6)

Истинной теплоемкостью газа называется предел, к которому стремится средняя теплоемкость в данном интервале изменения температур, если этот интервал стремится к нулю:

. (2.7)

В данной работе опытным путем определяется средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха в конкретном температурном интервале.

3. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка и схема ее рабочего участка представлены на рис. 1 и 2. Данные, представленные на мониторе ноутбука, подключенного к стенду, показаны на рис. 3.

Обозначения элементов установки

1 – кнопка включения установки; 2 – кнопка включения компрессора; 3 – кнопка включения электронагревателя; 4 – регулятор напряжения на электронагревателе; 5 – цифровой прибор 2ТПМО, показывающий значения температур, подключенных к нему термопар; 6 – тумблер включения прибора 2ТПМО; 7 – мультиметр; 8 – регулятор расхода воздуха (находится внутри корпуса стенда); 9 – соединительные провода мультиметра и установки; 10 – тумблер переключения измерения напряжений на образцовом сопротивлении U_o и на электронагревателе U_н; 11 – ротаметр; 12 – ноутбук, подключенный к установке; 13 – компрессор; 14 – термопара, измеряющая температуру t₁ на входе в нагревательную камеру; 15 – вакуумная оболочка нагревательной камеры; 16 – нагревательная камера; 17 – электронагреватель; 18 – термопара, измеряющая температуру t₂ на выходе из нагревательной камеры; 19 – образцовое сопротивление R_o; 20 –источник электропитания нагревателя.

Принцип работы установки

Воздух из помещения лаборатории компрессором 13 подается через ротаметр 11 в проточную нагревательную камеру 16, теплоизолированную вакуумной оболочкой 15. В нагревательной камере 16 находится нихромовый электронагреватель 17, к которому последовательно подключено образцовое сопротивление 19 (R_o=0,1 Ом). Проходя через камеру 16, воздух нагревается и удаляется в помещение лаборатории. Электронагреватель 17 подсоединен к источнику постоянного тока 20. Напряжение на электронагревателе 17 (U_н) и напряжение на образцовом сопротивлении 19 (U_o) измеряются мультиметром 8. Температуры воздуха на входе в камеру 16 t₁ и на выходе из нее t₂ измеряются с помощью термопар 14 и 18, подключенных к цифровому прибору 6 (2ТПМО).

Описание данных, представленных на экране монитора ЭВМ и работа с ними

Для подключения ноутбука к экспериментальной установке, активизируется файл на рабочем столе монитора «Измерение Ср.xls». Появляется страничка «экселевского» файла (рис. 3), на которой представлены две таблицы и график. Верхняя таблица отражает данные текущего опыта, а нижняя – данные предыдущих опытов. На графике представлена зависимость изменения удельной теплоты, подведенной к воздуху в нагревательной камере, от увеличения температуры воздуха. Данный график строится по результатам нескольких опытов, проведенных при постоянных расходах воздуха.

Для активизации верхней таблицы надо нажать кнопку «Подключить приборы». В результате этих действий в таблице появляются цифры, имеющие отношение к текущему опыту. В данной таблице все приведенные величины подразделяются на три вида:

1-ый – устанавливаются автоматически и соответствуют показаниям прибора, измеряющего температуры t₁, t₂;

2-ой – вводится в таблицу вручную «кнопками вверх или вниз» в соответствии с их значениями, отражаемыми на измерительных приборах стенда: N – число делений, соответствующее уровню поплавка ротаметра 10, напряжения на нагревателе U_н и образцовом сопротивлении U_о;

3-ий – автоматически рассчитывает программа: тепловая мощность электронагревателя Q, разность температур воздуха на выходе и входе в камеру нагрева t, объемный расход воздуха через установку V, массовый расход воздуха G, удельная теплота выделенная нагревателем на 1 кг воздуха Q/G, средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха с_р.

После ввода исходных данных в верхнюю таблицу и установления стабилизации температур нажимается кнопка «Записать результат измерения». После этого данные текущего опыта копируются в таблицу «Результаты измерений». Эти данные заносятся в журнал наблюдений.

Далее можно устанавливать на стенде новый режим для следующего опыта и выполнить в таблице ЭВМ заново все выше приведенные действия.