ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТОПЛИННИЯ КАПАЦИТЕТ НА ВЪЗДУХА

Препис

1 Министерство на образованието и науката на Руската федерация Федерална агенция за образование Саратовски държавен технически университет ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТОПЛИННИЯ КАПАЦИТЕТ НА ВЪЗДУХА Методически указания за лабораторна работа по курса "Топлотехника", "Техническа термодинамика и топлотехника" "Хидравлика и топлотехника "за студенти по специалности, специалности, Разпространение Одобрено от Редакционно-издателския съвет на Саратовския държавен технически университет Саратов 2006

2 Цел на работата: задълбочаване на знанията в областта на експерименталното определяне на топлинния капацитет на веществата, запознаване с основните методи за провеждане на калориметричен експеримент. В резултат на работата трябва да се научи следното: 1. Физическата същност на топлинния капацитет и факторите, които го влияят. 2. Устройството на калориметъра. 3. Привеждане на обемния дебит на въздуха към нормални условия с помощта на уравнението на Менделеев-Клапейрон. 4. Уравнение на баланса в проточен калориметър. Задача: 1. Определете стойността на средния топлинен капацитет в температурния диапазон от стайна температура до 30-40C. 2. Сравнете получените резултати с литературните данни. 3. Направете доклад за извършената лабораторна работа. ОСНОВНИ КОНЦЕПЦИИ Определянето на количеството топлина, което дадено вещество получава или отделя в процеса на нагряване или охлаждане, е от голямо значение при изчисленията на топлотехниката. Количеството топлина, предадено на газ или пара в различни термодинамични процеси, може да бъде изчислено, като се използва понятието "топлинен капацитет". Специфичният топлинен капацитет е числено равен на количеството топлина, което трябва да се приведе към единицата количество на веществото, за да се промени температурата му с 1 градус в даден термодинамичен процес на промяна на състоянието му. Специфичната топлина зависи от: а). върху физичните свойства на веществото и главно върху атомността: колкото по-висока е атомността на даден газ, толкова по-голям е неговият топлинен капацитет; б). относно естеството на термодинамичния процес на нагряване или охлаждане: при една и съща температурна промяна в процесите на изобарно или изохорно нагряване на газ се изисква различно количество топлина; в). върху температурата на газа, и за реални газове и върху налягането. Като се има предвид естеството на процеса, първоначалното и крайното състояние на веществото в различните части на този процес, е необходимо неравномерно количество топлина за нагряване на газа с една степен. В тази връзка в техническата термодинамика се разграничават средните и истинските топлинни мощности. Средният топлинен капацитет е съотношението на топлината, предадена на газа в процеса, към промяната в неговата температура, при условие че температурната разлика е крайна стойност. 2

3 Истинският топлинен капацитет е съотношението на топлината, предадена на газа в процеса, към промяната в неговата температура, при условие че температурната разлика е изчезващо малка. От дефинициите следва, че специфичното количество топлина, предадено на газа в определен термодинамичен процес, може да бъде определено по формулите: qqctt 2 m t2 t1, (1) 1 t 2 c dt t 1, където ct 2 m е среден топлинен капацитет на газа в разглеждания процес при промяна на температурата му от t 1 на t 2; t1 s е истинският топлинен капацитет на газа. В тази лабораторна работа средният топлинен капацитет на въздуха се определя по време на изобарно нагряване в температурния диапазон от t 1 до t 2. За определяне на топлинния капацитет на въздуха се използва методът на поточната калориметрия. Въздухът тече непрекъснато и с постоянен дебит през калориметъра, в който се намира електрическият нагревател. На входа на калориметъра температурата на въздуха е t 1. В калориметъра той получава топлина от електрическия нагревател, а на изхода има температура t 2. В стационарен режим на работа на инсталацията въздушният поток скорост за единица време, неговата температура на входа и изхода на калориметъра и количеството топлина, подавана във въздуха, остават постоянни. Следователно можем да напишем: Qp Vn с t 2 t 1, (2) където Q p е количеството топлина, подавана във въздуха в калориметъра, равно на Q p = IU, W; V n обемна въздушна струя през калориметъра, намалена до нормални условия, m 3/s; t 1 и t 2 температура на въздуха, съответно, на входа и изхода на калориметъра, C; със средната обемна топлинна мощност на въздуха при нормални условия, J/(m 3 C). Полученият израз (2) ви позволява да определите средния изобарен топлинен капацитет на въздуха за температурния диапазон от t 1 до t 2,3

4 Решаване (2) по отношение на с получаваме, kJ/(m 3 С): Qp с. (3) V t t n Телата в газообразно състояние, достатъчно далеч от състоянието на насищане, могат да се считат за идеални газове. Връзката между параметрите p, V и T се определя от уравнението на Клапейрон-Менделеев: pt Vt pn Vn, (4) Tt Tn, където p t е атмосферното въздушно налягане по време на експеримента, mm Hg; V t - обемният въздушен поток при налягане p t и температура на въздуха на входа на калориметъра T t, m 3/s; p n = 760 mm Hg; T n = 273.15 K; T t = t 1 + T n. Решавайки (4) по отношение на V n, получаваме: V p T t n n Vt. (5) рн Tt Стойността на средната обемна топлинна мощност при постоянно налягане, изчислена съгласно (3), дава възможност да се определят стойностите на средната маса и моларните топлинни мощности за същия температурен диапазон. Средният моларен топлинен капацитет, kJ/(kmolk), с изобарно нагряване на въздуха се намира от израза: c c 22.4, (6) където е молекулното тегло, равно на 28.96 kg/kmol за въздух. Средният масов топлинен капацитет (kJ/(kggrad) се определя по формулите: cc c, c, (7) където 0 е плътността на въздуха при нормални условия, 0 = 1.293 kg/m 3. След това можете да изчислите средната топлина капацитет на въздуха при постоянен обем (изохорно нагряване) за същия температурен диапазон

5 За идеален газ връзката между изобарен и изохорен топлинен капацитет се изразява чрез формулата на Mayer: c cvm R, (8) където R е газова константа, равна на 287 J/(kgK) за въздуха. ОПИСАНИЕ НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНАТА НАСТРОЙКА Експерименталната настройка (Фиг. 1) се състои от проточен калориметър 1, в който е разположен електрически нагревател 3. Корпусът на калориметъра 2 е направен от две стъклени тръби. Въздухът, преминаващ през калориметъра, получава топлина от калориметъра. За да се намалят топлинните загуби от нагревателя към околната среда, въздухът се движи в калориметъра по подходящите „пътеки“. Първо въздухът преминава през цялото пръстеновидно пространство и след това навлиза във вътрешната тръба. Температурата на въздуха t 1 на входа на калориметъра се измерва с термометър 7, разположен на панела на стойката. Температура на въздуха t 2 на изхода с термометър, монтиран в изходната камера на калориметъра. Въздухът се изпомпва през калориметъра от вентилатор 9. Фиг.1. Схема за експериментална настройка: 1 - проточен калориметър; 2 калориметров корпус; 3 - електрически нагревател; 4 автотрансформатор; Шайба с 5 дросела; 6 - манометър за диференциално налягане; 7 термометър; 8 скоба; 9 вентилатор; 10, 11 - превключватели 5

6 Мощността на нагревателя се регулира от автотрансформатор 4. Напрежението и токът в веригата на нагревателя се измерват с волтметър и амперметър. Въздушният поток в калориметъра се измерва с разходомер, състоящ се от дроселна плоча 5 и диференциален манометър 6. Разликата в налягането, създадена от дроселната плоча, се определя от манометър за диференциално налягане. Тъй като спадът на налягането е пропорционален на скоростта на движение на въздуха, а скоростта на движение на обемния дебит, това ви позволява да калибрирате показанията на манометъра на диференциалното налягане в единици на обемния дебит. Връзката между показанията на манометъра за диференциално налягане m, mm и обемния въздушен поток V10 3, m 3/s е представена под формата на графика на стойката на инсталацията. Консумацията на въздух се регулира от скобата 8. ПРОЦЕДУРА И ПРОЦЕДУРА НА ОБРАБОТКА НА ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ Първоначално е необходимо да се изготви протокол за записване на наблюдения съгласно приложения формуляр. Формата на протокола на експеримента средно t 1 t 2 I U Q p m V t V n C C A V W - m 3/s m 3/s Включете вентилатора. След две минути включете електрическия нагревател. Наблюдавайте внимателно повишаването на температурата на въздуха на изхода на калориметъра. Не позволявайте тази температура да надвишава 45 ° C. За да намалите температурата, намалете мощността на нагревателя и, ако е възможно, увеличете въздушния поток. Показанията на инструментите се отчитат при стабилно състояние на работа на инсталацията. В този режим обемният въздушен поток за единица време през калориметъра на потока трябва да бъде постоянен, а температурната разлика между изхода и входа на въздуха не трябва да се променя с течение на времето. Чрез регулиране на мощността на нагревателя, постигнете такъв режим, че повишаването на температурата на въздуха в калориметъра да е (15-20) C. Режимът в стационарно състояние може да се счита за постигнат, ако с течение на времето разликата (t 2 -t 1) не се промени. След достигане на стабилно състояние 6

7 режима на експеримента трябва да се провеждат за 8 минути на всеки 2 минути. Запишете показанията на температурите на въздуха на входа и изхода на калориметъра, волтметъра, амперметъра в протокола за наблюдение. Определете обемния въздушен поток, като използвате показанията на манометъра за диференциално налягане и графиката, налична на стойката, определете атмосферното въздушно налягане с помощта на барометъра, разположен в лабораторията. При по-нататъшни изчисления се използват средните стойности на параметрите за времето на експеримента, определени като средно аритметично на записаните показания на това устройство. Според стойностите, измерени в експеримента, е необходимо да се изчисли средната изобарна топлинна мощност на въздуха за температурния диапазон от t 1 до t 2 съгласно (3). Средните моларни и масови топлинни мощности по време на изобарно нагряване на атмосферния въздух се намират съгласно (6) и (7). Използвайки (8), определете масовия топлинен капацитет на въздуха по време на изохорно отопление в същия температурен диапазон. Сравнете получения резултат с табличните стойности на топлинния капацитет: c c ex stabl, s c 100 ex, s, където индексът "ex" е стойността на средната топлинна мощност, получена в резултат на експеримента; индекс "таблица" - табличната стойност на средния топлинен капацитет. Максимално възможната относителна грешка на средната обемна топлинна мощност на въздуха поради продължителността на експеримента се определя според теорията за адаптация от един експеримент: IUV tt с n с TIU Vn tt с T (9) 2 1 където I/I, U/U, V n/V n - относителни грешки при измерване на величини,%. 1 s Терминът T s T се нарича грешка при присвояване. p Значението на тази грешка е следното. Необходимата стойност трябва да се изчисли с определени параметри. И тъй като самите параметри се измерват с определена грешка, това води до грешка в заданието. От предварителните измервания е известно, че когато температурата на въздуха се измерва в диапазона от 0 до 100 ° С, средният топлинен капацитет се променя незначително. стр. 7

8 Възможно е да се приемат: 1 s s T p T 8 0, Според условията, приети в тази работа, в (9) грешката при задаване на налягането не се взема предвид. Нека определим относителните грешки на стойностите,%, директно измерени в експеримента: IU Vн I 100, U 100, V 100, IUV и накрая получаваме: t1 t 2 tt 100, 2 1 t 2 t1 s с IUV tt T 100 (11) 2 1 с T p При лабораторна работа се монтират амперметър и волтметър с клас на точност 1,5. Токът и напрежението се поддържат постоянни по време на експеримента с точност от 0,1%. Барометър с клас на точност 0,05. Въздушният поток през блока се определя с помощта на мембрана на дросела с точност до 1%. Консистенцията на потока се поддържа с точност до 0,8%. Температурата на въздуха на входа се измерва с точност 0,5C, а на изхода на калориметъра с точност 0,1C. На изхода от калориметъра на потока температурата на въздуха се поддържа постоянна с точност до 0,08 ° С. Изчислете според (11) стойността на максимално възможната математическа грешка в проценти. След това, използвайки същата формула, максимално възможната обща грешка, т.е. сумата от систематични и случайни. ДОКЛАД ЗА РАБОТА Докладът за извършената лабораторна работа трябва да съдържа следното: 1. Кратко описание на работата. 2. Схематична схема на инсталацията. 3. Протокол за записване на показанията на измервателните уреди. 4. Обработка на резултатите от експеримента. 5. Сравнение на получените резултати от експеримента с литературните данни. 6. Изчисляване на относителната грешка. н

9 КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Дайте определението за специфична топлина. 2. Какво се нарича специфична обемна, масова и моларна топлинна мощност? 3. Дайте дефиниция на средния топлинен капацитет. 4. Какво се нарича истински топлинен капацитет? 5. Напишете уравнението за количеството топлина по отношение на средния топлинен капацитет. 6. В какви единици се измерват топлинните мощности? 7. Избройте факторите, влияещи върху топлинния капацитет. 8. Как се нарича методът, използван в тази лабораторна работа за определяне на средния топлинен капацитет на въздуха? 9. Какви са числовите стойности на термодинамичните параметри на веществото при нормални условия? 10. Вземете формулите за привеждане на обемния въздушен поток в нормални условия. 11. Какво е името на устройството, което измерва въздушния поток? Обяснете как работи. 12. Как са свързани обемът, масата и моларният топлинен капацитет? 13. Обяснете значението на всички количества, включени в уравнението на Майер. 14. Защо топлинният капацитет на газ при постоянно налягане винаги е по-голям от топлинния капацитет при постоянен обем? 15. Защо измерванията на температурата трябва да се извършват в стабилно състояние? ЛИТЕРАТУРА 1. В. В. Нащокин. Техническа термодинамика и топлообмен: Учебник за университети/В.В. Нашчокин. 3-то издание, преработено. и добавете. М: Висше училище, С. Зубарев В.Н. Практикум по техническа термодинамика: Учебник за университети/В.Н. Зубарев, А.А. Александров, В.С. Охотин. 3-то издание, Rev. M: Energy S Топлотехника: учебник за университети/Изд. А.П. Баскаков. М: Енергоатомиздат, стр. девет