Некоммерческое

Некоммерческое акционерное общество

ОБЩАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Методические указания по выполнению лабораторных работ для

студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление

Алматы 2017

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра тепловых

энергетических установок

СОСТАВИТЕЛИ: М.И. Пак, Т.М. Ем. Общая теплотехника.

Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление.

- Алматы: АУЭС, 2017. - 26 с.

В методических указаниях освещаются: цели и содержание лабораторных работ по курсу «Общая теплотехника», порядок их выполнения, а также дан перечень рекомендуемой литературы. Лабораторные работы имеют своей целью углубление и закрепление теоретических знаний студентов, полученных ими при изучении лекционного материала.

Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов всех форм обучения специальности 5В070200 – Автоматизация и управление.

Ил. 6, табл. 7, библиогр.- 12 назв.

Рецензент: Абильдинова С.К. доцент кафедры ТЭУ

Печатается по дополнительному плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2017 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2017 г.

Содержание

Введение ……….. 4

1 Правила техники безопасности ……….... 4

2 Лабораторная работа №1. Определение коэффициента теплопроводности тела методом цилиндрического слоя………. 5

2.1 Задание ………... 5

2.2 Сущность метода ……….. 5

2.3 Порядок выполнения и обработки результатов эксперимента …………. 6

3 Лабораторная работа №2. Определение температурной зависимости коэффициента температуропроводности тела динамическим методом …… 7

3.1 Задание ………... 7

3.2 Теория метода ……… 8

3.3 Методика проведения и обработки результатов эксперимента………... 9

4 Лабораторная работа №3. Определение удельной теплоемкости воздуха в струйном калориметре ……….. 10

4.1 Теоретическое введение ……….. 11

4.2 Экспериментальная установка и проведение опытов ……….. 12

4.3 Обработка результатов и оценка погрешности опыта ………. 13

5 Лабораторная работа №4. Определение удельной теплоемкости воды калориметрическим методом ………. 14

5.1 Теоретическое введение ……….. 14

5.2 Экспериментальная установка и порядок проведения опыта …………. 15

5.3 Обработка результатов и оценка погрешности опыта ………. 16

5.4 Содержание отчета по работе ………. 17

6 Лабораторная работа № 5. Определение удельной теплоты парообразования воды ……… 17

6.1 Теоретическое введение ……….. 18

6.2 Экспериментальная установка и порядок проведения опыта …………. 19

6.3 Обработка данных и оценка погрешности опыта ………. 20

6.4 Содержание отчета ……….. 20

7 Лабораторная работа №6.Изучение теплоотдачи при вынужденном обтекании пластины ……… 20

7.1 Задание ……….. 21

7.2 Исходные понятия и теоретическая предпосылка к работе ……… 21

7.3 Описание лабораторной установки и методики измерений ………..….. 22

7.4 Проведение и обработка результатов опыта ……….…… 22

Список литературы ………. 24

Введение

Курс «Общая теплотехника» дает студентам обширные знания об основных положениях и законах термодинамики, современных методах анализа и расчета процессов тепломассобмена, о фундаментальных законах и методах анализа и расчета процессов тепломассообмена, выработать практические навыки определения характеристик тепломассобменных процессов теплоэнергетических и теплотехнологических установок и систем.

В результате изучения курса студент должен

- уметь: использовать основные положения и законы термодинамики для анализа физико-химических процессов; пользоваться таблицами и диаграммами состояния веществ, при анализе процессов и циклов;

рассчитывать тепловые потоки, температурные поля и термические сопротивления при стационной и нестационной теплопроводности;

определять коэффициент теплоотдачи при естественном и вынужденном обтекании тел и течении в трубах и каналах, а также при фазовых переходах;

рассчитывать теплообмен излучением и теплоотдачу при сложном теплообмене; рассчитывать процессы массобмена; рассчитывать теплопередачу и определять тепловые потери различных элементов теплообменных аппаратов;

- владеть: методами расчета термических и калорических параметров состояния, тепла и работы в термодинамических процессах идеального, реального газов, во влажном паре и воздухе; методами расчета процессов истечения, сжатия в компрессоре, дросселирования, смешения и струйных аппаратов; методами расчета термического КПД циклов, анализа потерь работы в основных элементах цикла; термодинамическими методами анализа физико-химических процессов; методами эксперементального исследования процессов теплопроводности, конвективного тепломассообмена, излучения и обработки результатов эксперимента; методами интесификации тепломассообмена.

Программа курса «Общая теплотехника» предусматривает выполнение шести лабораторных работ. Лабораторные работы имеют своей целью углубление и закрепление теоретических знаний студентов, полученных ими при изучении лекционного материала и получение навыков эксперимента.

1 Правила техники безопасности

Перед выполнением лабораторных работ студент обязан прочитать правила техники безопасности и пожарной безопасности, действующие в лаборатории, и расписаться в журнале о прохождении вводного и первичного инструктажа на рабочем месте.

Прежде чем приступить к работе, необходимо внимательно ознакомиться с лабораторной установкой, правилами безопасного ведения

работы. В случае неисправности приборов и механизмов или других замеченных недостатках необходимо сообщить руководителю работ.

Запрещается включать и выключать рубильники, приборы, установки без разрешения руководителя работ. По окончании работ место привести в порядок: выключить установку, приборы.

В случае возникновения пожара прекратить доступ воздуха к горящему предмету. Применяются огнетушитель, песок.

При несчастном случае пострадавшему нужно оказать первую помощь и отправить в первый ближайший медицинский пункт для оказания квалифицированной медицинской помощи.

2 Лабораторная работа №1. Определение коэффициента теплопроводности тела методом цилиндрического слоя

Цель работы: изучение сущности и получение навыков опытного определения коэффициента теплопроводности исследуемого материала.

Содержание: определение коэффициента теплопроводности тела методом цилиндрического слоя с учетом дифференциального уравнения теплопроводности для стационарного режима или уравнения закона Фурье для цилиндрической стенки и геометрических характеристик образца, проведение сравнительного анализа относительной погрешности определения коэффициента теплопроводности тела.

2.1 Задание

1. Найти значение коэффициента теплопроводности алебастра для заданного его состояния и сопоставить с известными данными.

2.*Найти значение коэффициента теплопроводности алебастра в зависимости от его средней температуры.

2.2 Сущность метода

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром и зависит в основном от температуры, рода и структуры вещества. Он численно равен плотности теплоты при единичном температурном градиенте (В2).

Значение коэффициента теплопроводности определяется по решению дифференциального уравнения теплопроводности для стационарного режима или уравнения закона Фурье, в данной работе для цилиндрической стенки:

, ) ,

( 2

) / ln(

2 1

1 2

мΚ Вт t

t l

d d Q

 

 

где Q - тепловой поток, Вт;

- температуры изотермических внутренней и внешней поверхностей цилиндрической стенки с диаметрами d1 и d2 (рисунок 2.1).

1 - алебастр; 2 -теплоизоляция; 3 - медная трубка; 4 - термопары;

5 - мультиметр; 6 – ЛАТр; 7 - вольтметр; 8 – амперметр; 9 - эектронагреватель.

Рисунок 2.1 - Схема лабораторной установки по определению коэффициента теплопроводности тепла методом цилиндрического слоя

Исследуемый образец выполнен из строительного алебастра со средней

пористостью около 40 % в виде цилиндрического слоя 1 с размерами d₁ = 0,018 м, d₂ = 0,037 м, l = 1,06 м (∆l= 0,01 м). Для выполнения

одномерности задачи длина образца выбрана намного больше его диаметра (l » d) и концы его теплоизолированы 2. Для улучшения выравнивания температурного профиля по длине образца осевой электронагреватель 9 помещен в медную трубку 3.

Для измерения температурного напора на цилиндрическом слое t1-t2

используются хромель-алюмелевые термопары 4 с диаметрами электродов 0,5 мм и спая около 1 мм. На внутренней и внешней поверхностях образца расположены по 5 термопар с точностью ∆d₁=∆d₂=0.5мм (по радиусу) и размещены по спирали симметрично, относительно середины образца на расстояниях 0, 0,23, 0,41 м. Внутренние термопары зачеканены в медную трубку, а внешние - закреплены раствором на поверхности слоя алебастра. С целью повышения точности измерения температуры определенный участок термоэлектронной проволоки у спая термопары расположен по изотерме.

2.3 Порядок выполнения и обработки результатов эксперимента Проверить правильность включения измерительных приборов 5 - 8 и установить задаваемое значение напряжения на электронагревателе (от 50 до 110 В!). Когда установится стационарный тепловой режим, о чем можно судить по постоянству показаний любой из термопар во времени, записать в протокол все необходимые данные (таблица 2.1).

В случае отсутствия тепловых потерь на торцах образца тепловой поток через его контрольные поверхности при стационарном режиме равняется мощности электронагревателя:

Q = IU, Вт, (2.2) где I и U -сила тока (А) и падение напряжения на электронагревателе (В).

С учетом (2.2) и геометрических характеристик образца (2.1) запишем в следующем расчетном виде:

), 108 (

, 0

2 1 t t

IU

 

  .

) (мК

Bm (2.3)

Относительная погрешность определения коэффициента теплопроводности тела согласно (2.1) имеет вид:

^.

d Ind

1 2 2 1

2 2 1 1 2

1 2 1

l l d

d

d d d d t

t t t U

U I

I 

 



 







 



 





 (2.4)

Температура его отнесения:

t

 t

 t

 t

, К (

С ) .

U, В

I, A

№№

термопар

) (

, ⁰

2

1 t К С

t  t₁t₂ ,К(⁰С)

мК , Вт

 



 tотн

K(o C)

(1.3) (1.4) (1.5) Контрольные вопросы.

1. Для чего теплоизолируют торцы образца, а не исключают просто из расчета показания крайних термопар, воспринимающих тепловые потери непосредственно?

2. Зачем нужна стационарность режима?

3 Лабораторная работа №2. Определение температурной зависимости коэффициента температуропроводности тела динамическим методом

Цель работы: изучение теории и метода и получение навыков но опытному определению температурной зависимости коэффициента температуропроводности тела динамическим методом.

Содержание: определение времени запаздывания ∆τ, по истечении которого устанавливается в некоторой точке тела значение температуры другой его точки; коэффициента температуропроводности тела цилиндрической формы для различных значений его средней температуры, построение температурной зависимости a(tcp).

3.1 Задание

1.Определить и сравнить с литературными данными значения и температурную зависимость коэффициента температуропроводности опытного тела динамическим методом и построить график зависимости a(tc_P).

2.* Выполнить то же, но на более высоком уровне средней температуры тела и сопоставить результаты с известными данными.

3.2 Теория метода

Если цилиндрический стержень неограниченной длины с радиусом R нагревается постоянным тепловым потоком, действующим на поверхности тела с q_c = пост, Вт/м² (граничное условие второго рода), то его дифференциальное уравнение теплопроводности и условия однозначности запишутся в виде:

R;

0 1 ,

2

2   

 







 



 



 r

r r

t r

а t t t

(3.1)

. 0 r ,

, t ) 0 , (r

t 0 0



 



 



 rR r

r q t t 



(3.2)

Решение (3.1) при (3.2), полученное в сложном виде, в условиях регулярного теплового режима (РТР) второго рода

tR = to + bτ (3.3)

(с точностью 0,1% при Fo* > 0,5 [2]) имеет следующий простой вид 13]:

(1 2 ) . 4

1 t 2

- ) r,

( ₂

2

0 2 



 



  

 R

r R

a

t qR 

  (3.4)

Из (3.4) видно, что при РТР 2-го рода, температура в каждой точке тела по времени изменяется по линейному закону так же, как и на его поверхности (3.3)

пост.

2

2   

 

 b

R c

q R

qa t

 р



 (3.5) Время ∆τ, по истечению которого устанавливается в некоторой точке тела значение температуры другой его точки, называется временем запаздывания.

Если записать t2 и t1 по (3.4) и приравнять полученные выражения друг к

другу (как t1= t2 в соответствии с определением времени запаздывания

∆τ = τ2 – τ1), то время запаздывания можно определить в следующем виде:

. ), а(

4

1 2

1 2

2 r с

r 





(3.6)

В соответствии с аналогичными решениями данной задачи для пластины (k = 1), цилиндра (k = 2) и шара (k = 3) запишем (3.6) в общем виде:

).

2 (

1 2

1 2

2 r

ka r 





(3.7)

Таким образом, значения коэффициента температуропроводности тела цилиндрической формы для различных значений его средней температуры t^cрi (опосредовано через Дт), определяют согласно (3.6) в РТР 2-го рода по формуле:

. ), 4 (

1 2 ²

1 2 2

1 c

r м r

a

i

 

  (3.8) 3.3 Методика проведения и обработки результатов эксперимента Исследуемое тело (речной песок) 1 помещено в цилиндрический корпус протяженной длины 2 и обернут электрическим нагревателем 3. Мощность

установки задается с помощью ЛАТра 5. Установка теплоизолирована 4 (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Схемы установки по определению температурной зависимости коэффициента температуропроводности сыпучих материалов динамическим методом и временного распределения

температуры в трех расчетных точках

Температуры внутри тела измеряются с помощью хромель-алюмелевых термопар автоматическим потенциометром (или мультиметром) 6 в трех точках по радиусу r₁ = 0 (ось тела), rср = R/2^1/2 (среднетемпературный по поперечному сечению радиус), r₂ = R (наружная поверхность тела). На диаграммной ленте изображаются кривые зависимости температур от времени в указанных расчетных точках (или они строятся по данным, замеренным через определенное время с помощью мультиметра).

Из графика находятся значения времени запаздывания (3.6) (в с) для 4÷5 значений средней температуры тела t_cp (отсчитываемых по кривой для точки

rср в масштабе К(°С)) для каждого интервала времени от τ₁ до τ2 и определяются значения коэффициента температуропроводности опытного тела по (3.8), где и r1 = 0 и r2 = R = 0,0255 м, затем строится температурная зависимость a(tcp).

Погрешность определения значений коэффициента температуропроводности оценивается (согласно (3.8)) по формуле:

^{2 .}

) (

r r а

а 





 _



 

(3,9) где δr = 0,5 мм, 2δr/r = 2·0,5·100% ÷25,5 ≈ 4%.

Все исходные и расчетные данные заносятся в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Результаты данных эксперимента и их обработки

tcp, К(°С) ∆τ, с а, м²/с δа/а

По графику рисунка 3.1 По графику рисунка 3.1 (3.8) (3.9) Контрольные вопросы.

1. Что такое коэффициент температуропроводности?

2. Что такое время запаздывания?

3. Сущность метода регулярного теплового режима (РТР) второго рода.

4. Как изменится время запаздывания для процессов нагревания и охлаждения, если коэффициент температуропроводности увеличивается с ростом температуры?

5. Сравните между собой методы РТР первого и второго рода (см.

параграф 4.5).

6. Обоснуйте расчетную формулу (3 8).

7. Обоснуйте расчетную формулу (3.9).

8. Для чего теплоизолированы торцы цилиндра?

9. Для чего теплоизолирован весь корпус цилиндра?

10. Почему рассмотрены точки на оси и поверхности опытного образца в качестве расчетных?

11. Какой должна быть продолжительность опыта, чтобы обеспечить 4 + 5 значений интервалов времени запаздывания в области РТР второго рода?

12. Что характеризуют граничные условия первого и второго рода дифференциального уравнения теплопроводности?

13. Поясните математическую формулировку (3.1) - (3.2).

14. Поясните условие (3.3).

15. Что характеризует (3.4)?

16. В чем физический смысл (3.5)?

17. Почему при получении (3.9), как производной (3.8), не учтен множитель 1/4 (3.8)?

4 Лабораторная работа №3. Определение удельной теплоемкости воздуха в струйном калориметре.

Цель работы: экспериментальное определение изобарной теплоемкости воздуха при атмосферном давлении, освоение метода проточного калориметра.

Содержание работы: определение объемной изобарной теплоемкости воздуха 

Ср в 3-5 режимах проточного калориметра, расчетное определение теплоемкостей: удельной С_р, удельной изохорной Сv, мольной μС_р; оценка погрешности эксперимента, проведение сравнительного анализа полученных результатов.

4.1 Теоретическое введение

Теплоемкостью термодинамической системы (ТДС) называется количество тепла, необходимое для нагрева (охлаждения) ее на 1 градус в процессе х = const, где х – параметр состояния ТДС. На практике используют

изобарную теплоемкость С_р (х = р = const), изохорную теплоемкость С_v (х = v = const). Эти теплоемкости являются функциями состояния.

Различают следующие теплоемкости:

- удельные

К кг

кДж m

с С m

с_р С^р _v ^v

 

 , , ;

- объемные

^{м К} кДж V

с С V

с_р С^р _v ^v

 

 



, 3

, ;

- мольные

К кмоль

кДж M

с С M

с_p С^p _v ^v

 

 , ,

 ,

где m – масса, кг; V – объем, м³;

М – число молей ТДС, а также истинные и средние теплоемкости:

- истинная, например, удельная равна:

;

co n st p

p T

c q





 







  (4.1) - средняя в интервале температур Т1 и Т2 равна:

;

1 2

2

2 1

1 p const

T T

p T T

c q^ _

  (4.2) - связь между ними:

 

1 2 2

2 1

1 T T

Т dT с с

Т Т

р Т

р Т  



, (4.3) где q- удельное количество тепла, кДж/кг.

Удельные теплоемкости с_р и сv для идеального газа связаны между собой уравнением Майера:

ср – сv = R, (4.4) где R – газовая постоянная.

4.2 Экспериментальная установка и проведение опытов

1-проточный калориметр; 2- нагреватель электрический; 3- вентилятор (пылесос); измерительная диафрагма; 5- дифференциальный U- образный манометр.

Рисунок 4.1 -Схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка (рисунок 4.1) состоит из проточного калориметра 1 с расположенным в нем электрическим нагревателем 2.

Принудительное движение воздуха обеспечивается работой вентилятора (пылесоса) 3. Мощность нагревателя и производительность вентилятора регулируются лабораторными автотрансформаторами ЛАТР- 1, ЛАТР- 2.

Расход воздуха при температуре t₂ определяется с помощью измерительной диафрагмы 4, перепад давления на которой измеряется U- образным манометром 5. Для измерения разности температур (t₂- t1) используются термопары гр. ХА, которые включены по дифференциальной схеме, так что величина термоэдс, мВ, пропорциональна разности температур (t2- t1).

Работа выполняется в следующем порядке:

- включить тумблер электрической сети;

- включить в сеть электродвигатель вентилятора (выключатель К1 в положение «ВКЛ»);

- изменяя напряжение на выходе из ЛАТР-1, установить на манометре перепад давления 160 –180 мм вод.ст.;

- включить в сеть нагреватель (К2 перевести в положение «ВКЛ») и установить с помощью ЛАТР- 2 рекомендуемую мощность нагревателя;

- измеряя с интервалом 2 минуты временную зависимость t(τ), дождаться наступления стационарного режима, при котором t не будет изменяться со временем t = const;

- в стационарном режиме провести три измерения: перепада давления на измерительной диафрагме h, мм вод. ст.; тока в цепи нагревателя I, А;

напряжения U, В и одновременно найти значения барометрического давления В, бар, температуры воздуха в помещении t1, ºС, по показаниям приборов в лаборатории;

- в таком же порядке провести измерения в трех различных стационарных режимах работы калориметра.

Таблица 4.1 – Результаты экспериментов

№

Измерений Дh, мм вод.

ст.

I, А

U, В

Дt, мВ

V, м³/с

V_н,

нм³/с W Вт

2 1 t р t

c  , С нм

кДж





3

2 1 t р t

c

% 1

2 3

4.3 Обработка результатов и оценка погрешности опыта

Для обработки результатов используют среднеарифметические значения прямых измерений в каждом стационарном режиме.

Расчетные формулы обработки результатов и определения приборной погрешности:

- мощность нагревателя:

W= I · U, Вт; (4.5) - расход воздуха V, м³/с, находятся по тарировочной кривой по величине Δh;

- расход воздуха Vн, нм³/с, приведенный к нормальным условиям ,

2 o н o

B T

B V T

V  (4.6) где В_о = 101 325 Па, Т_о = 273,15 К, Т₂ = 273,15 + t₁ +Δt;

- объемная средняя изобарная теплоемкость воздуха ²

1 t р t

С  , кДж/нм³·К, в режиме:

₂ /2,

1 V t

t A C W

н t

p t 





 

 (4.7) где А- постоянная установки, учитывающая потери тепла в окружающую среду калориметром.

Она определяется предварительными опытами и А = 0,93, Вт/К;

- по соотношению (4.4) находится средняя удельная изохорная теплоемкость ²

1 t v t

C .

Приборная погрешность определения теплоемкости определяется:

- относительная:

2 1 t р t

С  = (h)I U (t) ;

 

h h

 

 4

 ;

,

I I  I

 ,

100

I Iн

I  K 

 КI – класс точности амперметра;

100 ,

, K^U U^н

U U

U U 



 

  К_U – класс точности вольтметра;

 

t t



 

 2 0,16

 , где Δt выражено в мВ.

Контрольные вопросы.

1. Что называется теплоемкостью?

2. Виды удельных теплоемкостей. Связь между ними.

3. Изобарная и изохорная теплоемкости. Связь между ними.

4. Истинная и средняя теплоемкости и связь между ними.

5. Уравнение Майера.

5 Лабораторная работа №4. Определение удельной теплоемкости воды калориметрическим методом

Цель работы: экспериментальное определение удельной изобарной теплоемкости воды, освоение метода адиабатного калориметра, получение навыков проведения теплотехнического эксперимента.

Содержание работы: экспериментальное определение изобарной теплоемкости термодинамической системы (ТДС), расчетное определение теплоемкостей воды: удельной с_{р ,} с_v, объемной 

ср , мольной μс_р, а также удельной энтальпии h и внутренней энергии u; расчет погрешности эксперимента и проведение сравнительного анализа полученных результатов.

5.1 Теоретическое введение

Определение теплоемкостей, связь между истинной и средней теплоемкостью приведены в описании к лабораторной работе № 1. Для реального газа удельная истинная изобарная теплоемкость с_р и изохорная сv

связаны соотношением:

_.

p v

р v

T v T T p с

с 



 







 



 







 

 (5.1) Поскольку с_р и с_v являются функциями состояния, то зависимость теплоемкостей от параметров состояния определяются соотношениями:

       













 

 



 







 

 ²

1

2

1

, ,

,

, 2

2 1

1 2

р р

р

р p

p р

р р

р dp

T Т v

Т p c р dp

Т с р с Т р

с (5.2)

       













 

 



 







 

 ²

1

2

1

. ,

,

, 2

2 1

1 2

v v

v

v v

v T

v v

v dv

T T p

T v c v dv

T c с v

Т

с v (5.3)

Из-за малой сжимаемости воды в технических расчетах можно принять, что с_р и сv одинаковы.

Для воды и водяного пара принято, что внутренняя энергия u_тр.т в главной тройной точке (t = 0,01С, р = 610,8 Па) равна нулю. Тогда энтальпия в тройной точке будет равна h_тр.т = u_тр.т + pv = 0,611 Дж/кг (v_тр.т = 1,0002 см³/кг).

Используя уравнение I начала термодинамики и соотношения связи между истинной и средней теплоемкостями в интервале температур t_нⁱ , t_кⁱ , можно получить формулы определения энтальпии и внутренней энергии как функций состояния:

^t _кⁱ

;

p t

i

c t

h





i

.

к t v t

i

c t

u





Рисунок 5.1-Схема экспериментальной установки

Установка состоит из термоса из нержавеющей стали 1 (адиабатный калориметр), в который налита вода массой m, г. Калориметр снабжен электрическим нагревателем 2, подключенный к сети переменного тока через ваттметр W, лабораторный автотрансформатор ЛАТР с выключателем сети К.

Для измерения температуры используется хромель- копелевая термопара (гр. ХК), горячий спай которой находится в воде 3, а свободный спай – в сосуде Дьюара с тающим льдом 4. Термоэдс термопары измеряется цифровым милливольтметром мВ.

Работа выполняется в следующем порядке:

– измерить начальную температуру воды в калориметре t_нⁱ , С;

– включить нагреватель в сеть ( выключатель К перевести в положение

«ВКЛ»);

– с помощью ЛАТР установить мощность нагревателя 150-170 Вт, одновременно включить секундомер;

– при неизменной мощности нагреватель оставить включенным около 5 минут (τ = 5 мин);

– выключить нагреватель ( К в положение «ВЫКЛ»);

– с интервалом 2 минуты проводить измерение температуры воды в калориметре до наступления стационарного режима.

Последующие 2-3 режима проводятся в аналогичном порядке.

Таблица 5.1 – Результаты экспериментов

№ измере

ний

W, Вт

нi

t

кi

t

t



˚С

кi нi t p t

с , Дж/кг

·К

hi, Дж/кг

ui, Дж/кг

iк iн t р t

с ,

%

 , с 1

2 3

В связи с колебанием напряжения в сети в период работы нагревателя через 1 минуту нужно измерять мощность нагревателя. В расчете использовать среднеарифметическое значение мощности.

5.3 Обработка результатов и оценка погрешности опыта

Количество тепла, отданное нагревателем в i-том стационарном режиме определяется соотношением:

Q_i = W_i · τ_i , Дж.

Средняя удельная изобарная теплоемкость равна:

кi нi t p t

с

i i

t m

Q



 Дж/кг К, где i

i н к

i

t t

t  



Разность (с_р- с_v) в зависимости от температуры воды выражается, кДж/кг К:

Дt,˚С 0 10 20 30 40 50 60 70 80

(с_р- сv) 0 0,004 0,030 0,058 0,100 0,151 0,201 0,260 0,318 По формулам (5.5), (5.6) находятся значения удельной энтальпии и внутренней энергии.

Поскольку с_р воды в интервале температур 20˚С - 70˚С практически постоянная, оценку погрешности опыта можно провести двумя способами:

- оценка приборной погрешности:

с_р Qm

 

- оценка среднеквадратичной погрешности измерения:

 





;

2 .

.



 



 

n n

с с с

г де

с с с

i р а

рс р

р р



.а.

срс - среднеарифметическое значение теплоемкостей трех режимов;

iр

с - значение теплоемкости в каждом стационарном режиме.

5.4 Содержание отчета по работе

Отчет должен содержать краткий конспект описания, схему экспериментальной установки, таблицу результатов эксперимента и обработки данных, оценку погрешности измерений, значения с_Р, с_v, 

ср , μс_р, h, u, а также краткие выводы по работе.

Контрольные вопросы.

1. Что называется теплоемкостью?

2. Получите уравнение Майера для идеального газа и поясните, почему оно неприменимо для воды.

3. Что такое постоянная калориметра?

4. Каковы источники погрешности эксперимента?

5. Почему теплоемкости с_р и сv примерно равны?

6 Лабораторная работа № 5. Определение удельной теплоты парообразования воды

Цель работы: экспериментальное определение степени сухости влажного пара, расчетное определение параметров влажного пара.

Содержание работы: определить методом адиабатного калориметра степень сухости влажного пара, рассчитать величины удельной энтальпии, энтропии, внутренней энергии, удельного объема влажного пара, оценить погрешность эксперимента.

6.1 Теоретическое введение

Влажный пар содержит молекулы пара и капельки воды различных диаметров. Степенью сухости называем массовое содержание пара во влажном паре

,

Gп Gж х Gп

  (6.1) где Gж- масса воды, кг;

Gп- масса пара, кг.

В процессе фазового перехода «вода-пар» по линии насыщения ( p = const, t = const ), Х меняется от 0 на левой пограничной кривой до 1 на

правой пограничной кривой. Поэтому степень сухости пара используется для однозначного задания состояния влажного пара, т. к. в этой области для чистого вещества по правилу Гиббса число независимых параметров, однозначно определяющих равновесное состояние системы, равно 1:

vx = v' (1- x) + v" x ;

hx = h' (1- x) + h" x ; (6.2) ux = u' (1- x) + u" x ;

sx = s' (1- x) + s" x ;

где h, u, s, v- удельные энтальпия, внутренняя энергия, энтропия, объем;

индексы (') и (") соответствуют параметрам рабочего тела в состоянии сухого насыщенного пара и кипящей жидкости.

Значения параметров v',…s' и v",…s" находятся по таблице термодинамических свойств по давлению или температуре.

Если в эксперименте определить, например, значение hx, то x равно:

, r

h h h h

h

x h^x  ^x  

 



 

 (6.3) где r hh-теплота фазового перехода.

В двухфазной области:

С^дф_р   ;

. 0

;

0  



 



 



 



 ^дф

р дф

т дv

дt дv

дp

6.2 Экспериментальная установка и порядок проведения опыта

Рисунок 6.1 -Схема установки для определения степени сухости влажного пара.

Установка состоит из термоса 1, в который налита m, кг, воды, электронных весов, электрического парогенератора 3, нагреватель которого подключен к сети через ЛАТР и выключатель К, сосуда Дьюара Д, милливольтметра МВ, трехходового вентиля В. В термосе (адиабатном калориметре) в воде находится горячий спай термопары гр. ХК, свободный спай которой находится в сосуде Дьюара с тающим льдом. Пар из парогенератора через вентиль В подается в дырчатую трубку, дырки которой находятся в воде. барботируя через слой воды, пар конденсируется. На крышке термоса имеется сквозное отверстие для поддержания в термосе атмосферного давления в период проведения опыта.

Работа проводится в следующем порядке:

- включить весы, взвесить термос без воды;