close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1757 bondar e.v tehnicheskaya termodinamika osnovi teplosnabjeniya. metodicheskie ukazaniya e.v.bondar

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Кафедра теплоэнергетики
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов теплоэнергетических специальностей
по дисциплине «Основы теплоснабжения»
для студентов электроэнергетических специальностей
очная и заочная формы обучения
Павлодар
УДК 621.1.016
ББК 31.31
Т 38
Реком ендовано уч ен ы м советом И ГУ им. С. Т орай гы рова
Рецензент:
кандидат технических наук, доцент Баубеков К.Т.
Бондарь Е.В.
Техническая
термодинамика,
М етодические указания. - Павлодар, 2004
основы
теплоснабжения.
М етодические
указания
предназначены
для
студентов
теплотехнических специальностей по дисциплине «Техническая
термодинамика» и студентов электроэнергетических специальностей по
дисциплине
«Основы
теплоснабжения»
с
целью
проведения
лабораторны х работ М етодические указания вклю чаю т в себя названия
четырех лабораторны х работ, цели работ, теоретические введения,
методику расчета и обработки результатов, содержание отчетов о
работах..
М етодические указание разработано в соответствии с (типовой
программой, ГО С О и т.д.)
С. Торвйгыров атындаг^
1 П авлодар м ем яекегп к
унмв<зрс;гг«т1Н1Н
ГЫЯ'ЬР/У ; \ - r r x ::-кс * nl
.» £ ;■* * ~/3
Л ал до*.* Р ^ - • — ~:Рт
r.n'iwi
им,
i •& -
-у.
■.* т а
г * 1*
Бондарь Е.В., 2004
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, 2004
Содержание
I А Лабораторная работа №1
Определение газовой постоянной воздуха
\у'2 Лабораторная работа №2
Первый закон термодинамики
3 Лабораторная работа №3
Определение средней изобарной теплоемкости
4 Лабораторная работа №4
Определение параметров водяного пара
Лабораторная работа №1
О пределение газовой постоянной воздуха
1 Ц ель работы
Ознакомление с методикой экспериментального определения
газовой постоянной воздуха, изучения термических параметров и
уравнение состояние идеального газа.
2 Теоретическое введение
2.1 Термические параметры. Уравнение состояние.
К числу основных термических параметров относятся удельный
объем, давление и температура.
2.1.1 Удельный объем. Удельный объем однородного вещества
- физическая величина, равная отношению его объема к массе
v = V/ m.
Единица удельного объема СИ: И = [к]/[т] —1 м 3/кг, кубический
метр на килограмм равен удельному объему однородного вещества,
объем, которого при массе 1кг равен 1м3.
Величину, равную отношению массы тела к его объему,
называют плотностью, т.е. величину, обратную удельному объему
р = m /V = l/v .
Единица плотности СИ: 1 кг/м3. Килограмм на кубический метр
равен плотности однородного вещества, масса которого при объеме 1
м 3 равен 1 кг.
2.1.2 Давление. Давлением называется физическая величина,
равная
отношению
силы,
действующей
перпендикулярно
поверхности, к площади этой поверхности
Р =F IА .
Единица давления СИ: [P] = [f ]/[a ] = 1 Н/м2 = 1 Па. Этой
единице давления СИ присвоено специальное наименование паскаль
(Па), в честь французского математика Блеза Паскаля (1623 - 1662).
Паскаль равен давлению, вызываемому силой 1 Н , равномерно
распределенной по поверхности площадью 1 м 2, расположенной
4
перпендикулярно силе. В системе МКГСС единицей давления
является техническая атмосфера: 1 ат. = 1 кгс/см2. Существует
внесистемные единицы давления: атмосфера физическая (атм.), бар, а
также мм вод. ст. и мм рт. ст., с помощью которых измеренное
давление сравнивают с давлением столба жидкости (воды, ртути).
Давление в 1 Па очень маленькая величина: 1 Па = 0,102 мм вод.
ст.
Поэтому для
практического
пользования
используется
внесистемная единица бар: 1 бар = 1 0 Н /см2 = 105 Па.
Связь между различными единицами давления следующая:
1 кгс/см2 = 1 ат = 0,98* 10s Па = 736 мм рт. ст. 10 м вод. ст.;
1 атм. = 101325 Па = 760 мм рт. ст. - 1,033 кгс/см2 = 10,33м вод. ст.;
1мм вод. ст. = 9,81 Па; 1 мм рт. ст. = 133,322 Па.
Различают барометрическое или атмосферное давление Pg=P=B
(замеряется барометром), абсолютное давление Р (для давления
жидкости или газа, находящихся в сосуде или окружающей среде,
следует применять не полный термин “абсолютное давление”, а
усеченное давление), избыточное давление Рш (замеряется
манометром) и разрежение Рр или вакуум (следует использовать
термин разряжение, а не “вакуум”).
Избыточным давлением называется разность между давлением
газа в сосуде и атмосферным давлением: Риз~Р - Р0.
Когда давление газа в сосуде меньше атмосферного, то их
разность
называется
разрежением:
Рр= Р0- Р
Максимальное
разрежение, равное численно атмосферному давлению, будет, ко- л
давление газа в сосуде станет равно нулю и минимальное разрежение,
равное нулю, когда давление в сосуде равно атмосферному.
Если точное значение атмосферного давления не известно (нет
барометра), то его принимают равным примерно 1 бар = 100 кПа (до
1980 г. примерно 1 ат ).
Для давления компонента смеси следует применять термин
парциальное давление, а не “упругость”.
Неправильно
называть
давление
напором
(линейной
величиной), выражаемым в единицах длины, например, правильно
“давление воды 0,3 МПа” и неправильно “напор воды 0,3 МПа”,
правильно “напор воды 30 м” и неправильно “давление воды 30 м”.
Связь между напором Н и давлением
H = P !pg,
[ //1 - 1
м.
Согласно кинетической теории газов давление пропорционально
кинетической энергии молекул, заключенных в единицу объему.
5
2.1.3
Температура. Температура не является непосредственно
измеряемой величиной, ее значение определяют по изменение какоголибо удобного для измерения физического свойства, например:
теплового расширения, электрического сопротивления, теплового
излучения и т.д.
К определению понятия температуры можно прийти на
основании следующих соображений. Приведем тело в тепловое
равновесие с тающим льдом, припишем телу в это случае температуру
О °С и определим значение объема тела У0. Затем приведем то же тело
в тепловое равновесие с кипящей температуры, равное 100 °С, и
определим соответствующий объем Vm . Принимая, что объем
изменяется с температурой линейно, состоянию, в котором
термометрическое тело имеет объем V, следует приписать
температуру
Установленная таким образом шкала называется шкалой
Цельсия;
Согласно закону Гей-Люссака при неизменном объеме давление
данной массы газа меняется линейно с температурой.
P = P 0fl+ p t) ,
(2 . 1)
где р — 1/273,15 1/к - температурный
коэффициент
изменения
давления
при
постоянном объеме.
На диаграмме P -t (рисунок 2.1) все
изохоры пересекают ось t в одной и той же
точке, определяемой из условия
Рисунок 2.1
1+ р t= 0,
откуда t = - \/р = -273,15 °С,
Сместив начало отсчета температур в эту точку, мы перейдем от
шкалы температур по Цельсию к шкале Кельвина. Таким образом,
шкалы Кельвина и Цельсия просто смешены друг относительно друга
Т= / + 273, 15.
6
(2.2)
В настоящее время не применяют выражения: шкапа Цельсия,
стоградусная температурная шкала, шкала Кельвина, температура по
Кельвину или по Цельсию. В соответствии с положением Международной практической температурной шкале 1968 г. (МПТШ)
можно
применять
только
две
температурные
шкя ~ч;
термодинамическую, основанную на втором начале термодинамики, и
Международную практическую 1968 г., основанную на одиннадцати
реперных точек, с градуировкой этих шкал либо в кельвинах ([7]=1К),
либо градусах Цельсия ([/]=1°С). Температурный интервал может
выражаться как в кельвинах, так и градусах Цельсия:
[Д7]=[Д/]= 1К= 1°С. Нельзя использовать старые обозначения “град”
или ...°С в качестве обозначения единиц температуры или разности
температур (вместо К или °С).
Термодинамическая температурная шкала не зависит от свойств
рабочего тела, т.к. отношение двух температур здесь определяется как
отношение теплот в цикле Карно. Однако практически реализовать
цикл Карно очень трудно. Поэтому на практике используется
международная температурная шкала, которая в пределах
современной погрешности измерении близка термодинам ячеек ч
температурной шкале.
Согласно кинетической теории газов температура характеризует
среднюю кинетическую энергию отдельных молекул.
2.1.4
Уравнение состояния идеального газа. Связь между
термическими параметрами идеального газа выражается уравнением
состояния, которое для единичной массы газа имеет вид
Pv = RT,
(2.3)
P V = mRT
(2.4)
или для массы газа т
(эти уравнения известны как уравнения Клайперона, хотя раньше о,-и
были описаны Сади Карно).
Коэффициент пропорциональности R называется удельной
газовой постоянной (или газовой постоянной). Величина удельной
газовой постоянной зависит от природы газа (характеризует
кинетическую энергию всех молекул газа, содержащихся в 1 кг, при
температуре 1 К) и определяется по формуле: R=R-m/M= 8314
Дж/(кмоль К)/М, [/?] = Дж/(кг-К) где R„ = 8314 Дж/(кмольК) -
7
универсальная газовая постоянная (характеризует кинетическую
энергию молекул газа, содержащихся в 1 кмоле, при температуре 1 К);
М - молярная масса, кг/кмоль (численно равна относительной
массе молекул).
Удельная газовая постоянная для смеси газов находится так
(2.5)
R cu^R JM cu,
где М ш - кажущаяся молярная масса смеси, равная
Л/см = 2 > ,
(2.5а)
где хсм=Пк/Псм - молярная доля k-го компонента смеси (молярные
доли равны объемным долям; для воздуха хог=0.21, Х|«=0.79), равная
отношению количества вещества “k-го” - компонента к количеству
вещества смеси;
Мк - молярная масса k-го компонента смеси.
3
М етодика определения
воздуха эксперим ентальны м путем
удельной
газовой
постоянной
В основу определения удельной газовой постоянной положено
выражение (2.4), из которого получаем
R = РУ/тТ.
(3.6)
Масса воздуха в сосуде определяется следующим путем. Пусть
в сосуде емкостью V находится воздух с начальной массой то при
комнатной температуре Го и атмосферном давление Р0.
Уравнение состояния в этом случае имеет вид
Р (У ~ тцЯТо ,
(3.7)
в результате чего давление в сосуде повысится на величину Р т и
станет равным
Р = Ро + Р ш\ температура воздуха в результате
охлаждения через некоторое время станет прежней То, а масса воздуха
в сосуде станет равной т = то + Ат. Уравнение состояния в этом
случае имеет вид
P V = mRT0.
(3.8)
Из уравнений (3.7) и (3.8) получим
Р(/Р - т//т
или Рг/(Рп + Рщ) = тп//(Щ + Ат),
откуда находим начальную массу воздуха в.сосуде
т0= Ро* Ат/Ри,-
(3 9)
4 Описание лабораторной установки
Мерный сосуд 1 (рисунок 2.2) емкостью V (емкость сосуда
указана на схеме установки в лаборатории) с помощью трубок
присоединен к насосу 2 и манометру 3. Кран 4 служит для
отключения мерного сосуда (после нагнетания в него воздуха) перед
взвешиванием его на весах атмосферное давление замеряется
барометром 6, а температура воздуха термометром 7.
5 Порядок выполнения работы
5.1 Ознакомится с приборами и схемой лабораторной установки.
5.2 Под руководством преподавателя или лаборанта взвесить
мерный сосуд при открытом кране 4.
5.3 Сосуд 1 присоединить к установке и насосом повысить
давление на 0,8-0,9 шкалы манометра с номинальным значением
шкалы 1,6 а т , т.е. повысить давление примерно на 1 а т , для
уменьшения утечек воздуха следить за плотностью прилегания
запорного конуса крана к его корпусу (открывать и закрыв.1гь кг ч
двумя руками, прижимая конус к корпусу).
9
5.4 Записать показания манометра Рю, ат.; барометра P q , м м рт
ст., термометра Т, °С; вместимость мерной емкости У, мл.
5.5 Закрыть кран 4, отсоединить осторожно мерный сосуд и
установить его на весы, где установлены разновесы от предыдущего
взвешивания сосуда; добавляя разновесы, уравновесить весы.
5.6 Записать увеличение массы сосуда с воздухом Д/я, мг
равное массе добавленных разновесок.
5.7 Обработать результаты измерений, при этом вычислить:
5.7.1 Перевести все числовые значение величин в
соответствие с единицами СИ;
5.7.2 По формуле (2.9) определить начальную массу воздуха
т0, кг.
5.7.3 По формуле (2.6) определить газовую постоянную
воздуха R.
5.7.4 Определить плотность воздуха р (кг/м3) после
нагнетания, а также плотность воздуха при нормальных физических
условиях (Р„ = 101325 Па = 760 мм рт. ст. и
Т„ = 273 К = 0 °С)
-— .
/? = ---Л#
R xTH
5.7.5 Кажущуюся молярную массу воздуха по формуле
(2.5а) М т .
5.7.6 Расчетное значение газовой постоянной Л ' по формуле
(2.5) и сравнить с опытным значением R.
5.8 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.1.
Таблица 5.1 - Результаты измерений и расчетов
Наименование величины
№ опыта
Ед. изм.
1 2 3
Вместимость сосуда, V
мл
м3
Атмосферное давление, Рй мм рт. ст
Па
Температура воздуха, Г,
°С
К
Масса добавленного
воздуха, Ат
Начальная масса воздуха,
т
мг
кг
мг
кг
10
4
Среднее
значение
Окончание таблицы 5.1- Результаты измерений и расчетов
Среднее
Наименование величины
№ опыта
Ед. изм.
1 2 3 4 значение
Опытное значение удель­
Дж/кг-К
ной газовой постоянной
воздуха, R
Расчетное значение удель­
ной газовой постоянной
воздуха, R '
Дж/кг-К
Плотность воздуха, р
Плотность воздуха, приве­
денная к нормальным
физическим условиям, рн
кг/м3
кг/м3
Предельная относительная
%
погрешность еп
5.9 Вычислить предельную относительную
определения удельной газовой постоянной по формуле
En(R)
=
погрешность
(AV/V+ АР/Рт + А777+ AmVАт ) * 100%,
где А У, АР, АТ и А т ’ - абсолютные предельные погр:шн<х и
измерения объема, давление, температуры, массы воздуха.
6 Отчет о работе
Отчет о работе должен содержать наименование и цель работы,
краткое описание методики экспериментального определение газовой
постоянной воздуха, схему лабораторной установки, таблицу и
расчеты.
7 Контрольные вопросы
7.1 Написать уравнение состояния для полного и удельного
объемов.
7.2 Виды давлений и их определение.
7.3 Температурные шкалы.
7.4 Методика экспериментального определение газовой
постоянной воздуха.
7.5 Плотность, удельный объем.
7.6 Выразить давление 5 атмосфер в паскалях, барах, мм вод. ст.
11
Лабораторная работа №2
П ервы й закон термодинамики
1 Ц ель работы
Изучение
первого
закона
термодинамики
практического применения к изобарному процессу.
путём
его
2 Теоретическое введение
Со времён Клаузиуса, впервые записавшего в 1850 году
уравнение первого закона термодинамики в виде
(1)
dU = dQ+dL‘,
до наших дней первый закон термодинамики рассматривается как
самостоятельный эмпирический закон, выражающий баланс энергий:
изменение внутренней энергии (d U ) равно сумме энергии тепловой
(dQ ) и механической (dL'), или иначе "всякое тело имеет внутреннюю
энергию, которую можно увеличить двумя путями — произведя над
телом работу и подводя к телу тепло".
Применяя законы механики Ньютона к микрочастицам
вещества, под которыми мы будем в основном понимать молекулы
(атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы), можно
показать, что первый закон термодинамики является законом
изменения кинетической энергии микрочастиц вещества: изменение
кинетической энергии микрочастиц вещества равно сумме работ,
совершаемых силами, действующими на микрочастицы
dEK = ^ d L = d L ' ^ +dL'_
.
(2)
Эти работы по методу их расчета можно разделить на два вида:
работу макроперемещений ( d L
которую можно рассчитать по
конечному
перемещению
границ
системы,
и
работу
микроперемещений
( dL'лпкр„),
когда
происходит
лишь
микроскопическое перемещение границ системы, не приводящее к
макроперемещениям границ (работа при взаимодействии микрочастиц
вещества с микрочастицами стенки, совершающими, колебательное
движение на границах системы, либо при столкновении внутри
12
системы с • микрочастицами, испускаемыми стенкой, например,
фотонами).
Работа макроперемещений легко определяется как работа
внешних сил F (рисунок 2.1), действующих на границах системы и
перемещающих эти границы. Согласно третьему закону Ньютона
внешние силы
dx
Рисунок 2.1
равны внутренним и противоположны им по направлению.
Внутренние силы определяются давлением внутри системы, которое
складывается из давления Р, обусловленного силами инерции,
возникающими при торможении молекул на стенках, и давления Рм ,
обусловленного действием межмолекулярных сил притяжения и
отталкивания.
Если подвижной границей является поршень площадью А, то
внешняя сила будет равна
F =-(P + P ^)A .
Знак минус, т. к. силы противоположны по направлению. Рабт я
внешней силы при перемещении поршня на dx равна
d L ' ^ = HP + Л*. М & = HP +Ри„ )dv,
где dv — изменение объёма газа в цилиндре.
Работу микроперемещений,так просто, рассчитать через силу и
перемещение dr (рисунок 2.1) не удаётся, и она исторически
определялась как количество теплоты dQ , то есть
d L '^ d Q .
13
1
Таким образом, под понятием теплоты следует понимать работу
микроперемещений,
совершаемую
при микровзаимодействиях
микрочастиц среды с микрочастицами стенок, когда не происходит
макроперемещений.
Если кинетическая энергия молекул до и после удара о стенку
остаётся одинаковой, суммарная работа микроперемещений равняется
нулю (работы торможения и разгона равны и противоположны по
знаку). В этом случае говорят, что нет теплообмена между газом и
стенкой (dQ = 0) и стенка является адиабатной. Если кинетическая
энергия молекул после удара о стенку становится больше, чем до
удара, то говорят, что теплота подводится от стенки к газу (dQ> 0).
Если кинетическая энергия молекул газа после удара о стенку
становится меньше кинетической энергии от удара, то это значит, что
молекулы газа отдали часть своей кинетической энергии на
совершение работы по разгону молекул стенки (увеличивается
амплитуда колебаний молекул на поверхности стенки). В этом случае
говорят, что теплота отводится от газа в стенку (dQ < 0).
Подставляя выражение для работ в уравнение (2) получим
DEK = -(Р + Puot)d V + d Q
или
dEK +PutudV = -P dV + d Q .
(3)
Работа межмолекулярных сил идёт на изменение потенциальной
энергии микрочастиц
dEn - P ^ j d V .
Суммарное изменение кинетической и потенциальной энергии
микрочастиц даёт изменение внутренней энергии тела
dU = dEK +dE„.
i. Таким образом, под внутренней энергией понимается сумма
кинетической и потенциальной энергии всех микрочастиц системы.
Известно, что под энергией понимается работа, которую надо
совершить от некоторого начального уровня (состояния) до заданного
уровня (состояния). Так под кинетической энергией понимается
работа, которую надо совершить против сил инерции, чтобы разогнать
тело массой т от скорости равной нулю (начальное состояние w0 = 0)
до заданной скорости w (конечное состояние).
14
Ек = fF d rt
с учетом того, что
F = m d w /d t
и
W =d r ld l,
кинетическая энергия Ек будет равна
Ек —т jwdw = т- w1 /2 .
Под потенциальной энергией межмолекулярных сил понимается
работа, которую надо совершить, чтобы сблизить молекулы из
области пространства где Рж = О в области пространства, где Рт
имеет заданное значение.
С учетом сделанных замечаний уравнение (3) примет вид
уравнения Клаузиуса (1)
dU = -P d V + dQ
или
dU = dQ + dL‘,
у
где dL '- -P dV — работа макроперемещений внешних сил, которая
обычно называется работой изменения объёма внешних сил.
Обычно уравнение первого закона термодинамики записывают в
виде
dQ = dU + PdV
или
dQ = dU + d L ,
(4)
где dL = PdV - работа изменения объёма внутренних сил
( dL = -d L ' ) или просто работа изменения объёма. Для конечного
изменения внутренней энергии
е = Д£/ + £ ,
где L = JPdV
15
(5)
Разделить все члены уравнения (5) на массу газа, получим
уравнение первого закона термодинамики для удельных величин
q = Дм+ /,
(6)
где
q - удельная теплота, Дж/кг, (q = Q lm )\
Ли - удельная внутренняя энергия, Дж/кг, ( Ли = ЛИ 1т );
/ удельная работа изменения объёма, Дж/кг, (I = П т или
/ = jp d v ).
Уравнение (6) в дифференциальной
следующим образом, Дж/кг
форме
d q - d u + d l,
записывается
(7)
где
dl=Pdv *
С учетом того, что
dq = cPd J ,
du —CydT.
Уравнение (7) можно представить в виде
c,,elT = cyd r + Pclv,
где
(8)
ср - изобарная теплоёмкость газа, Дж/(кг-К);
с, - изохорная теплоёмкость газа, Дж/(кгК).
3
М етодика практического применения первого закона
термодинамики к процессу изобарного нагрева газа в сосуде
Уравнение первого закона термодинамики для изобарного
процесса, протекающего в конечном интервале изменения
параметров, с учётом выражения запишется так
ср х т(Т2 -T ,)
= ct xm(T2 -7 ’,) + ( F j- K ,) >
(9)
В процессе эксперимента измеряются начальная температура Tt,
равная температуре воздуха в помещении, конечная температура Тг,
равная температуре воды в сосуде, начальный У, и конечный
16
F, объёмы, давление газа Рв и рассчитывается масса газа т .
Затем все величины подставляются в уравнение (9) и отдельно
рассчитываются левая и правая части, а затем сравниваютс я ме-*-у
собой. При тщательно проведённом эксперименте и расчетах, левая
часть получается близкой правой части, что указывает на
определённость записи первого закона термодинамики в виде (9).
4 Описание лабораторной установки
Схема установки приведена на рисунке 4.2. Установка состоит из
цилиндра с подвижным поршнем (стеклянный шприц со стеклянным
поршнем) 1, сосуда с водой 2, который установлен на электроплитку 3,
термометра 4, барометра 5.
5 Порядок выполнения работы
5.1 Ознакомиться с приборами и схемой лабораторной
установки;
5.2 Включить электроплитку и нагреть воду до (80-90) ГС.
5.3 Взять шприц при комнатной температуре и установить
поршень так, чтобы объём шприца составлял 0,7-0,8 от максимального
его значения. Вращая поршень, добиться, чтобы усилие для его
перемещения было минимальным (в случае тугого хода процесс будет
уже не изобарным), установить шприц в сосуд с водой 2. В результате
нагрева объём воздуха увеличится и поршень переместиться.
5.4 Записать по показаниям
- барометра - /*„, мм рт. ст;
С Тора к? >|ров атынлг
Ямлодйр
-термометра-/,,/, /С ;
уммвс
17
5.5
водой.
- шкалы шприца -VitVlt мл.
выключить электроплитку, вынуть шприц из сосуда
6 Обработка результатов измерений
6.1
Определить массу воздуха т по формуле
т = P0V, / RT,,
где R - удельная газовая постоянная воздуха, Дж/(кг-К),
(Л =287)
6.2 Определить количество тепла, подведённое в изобарном
процессе нагрева воздуха по формуле
QP =cpm(TJ -T l),
где ср — средняя удельная изобарная теплоёмкость воздуха,
Дж/(кг-К), (ср = 1005).
6.3 Определить изменение внутренней энергии по формуле
AU = с, х т(Т2 - 7j),
где с, - средняя удельная изохорная теплоёмкость воздуха,
Дж/(кг-К), (с, =718);
6.4 Определить работу изменения объёма по формуле
Ь = Р0(Уг -У })'
6.5
Вычислить
предельную
погрешность
измерений
по
формуле
е„ = (д к, / v, + д уг / v} + дт; / Г, + ДГ2 /Т2) х 100%,
где ДК|,ДК2)Д7’,,Д7’2 - предельные абсолютные погрешности измерений
объёма и температуры.
6.6 Подставить все найденные величины в уравнение (9) и
сравнить левые и правые части этих уравнений между собой, сделать
выводы о точности опыта.
6.7 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 6.1.
18
Таблица 6.1 - Результаты измерений и расчетов
Наименование величины
№ опыта
1
2
3
Атмосферное давление Р0,
мм от. ст (Па)
Начальная температура Т, , °С (К)
Конечная температура Т1г °С (К)
Начальный объём У,, мл (м3)
Конечный объём F,, мл (м )
Масса воздуха m, кг.
Теплота изобарного процесса Qp,
Дж
Изменение внутренней энергии
ДU , Дж
Работа изменения объёма L , Дж
Предельная относительная
погрешность еп, %
4
Среднее
значение
7 Содержание отчета о работе
Отчет о работе должен содержать наименование и цель работы,
краткое описание методики практического применения первого
закона термодинамики, схему лабораторной установки, таблицу и
расчеты.
8 Контрольные вопросы
8.1 Математическое выражение первого закона термодинамики
через полные и удельные величины и его смысл.
8.2 Физический смысл теплоты и внутренней энергии и их
расчетные формулы.
8.3 Как определяется работа изменения объёма?
8.4 Как изменяются температура и объёмы в изобарном
процессе?
8.5 Как записывается уравнение первого закона термодинамики
для изобарного, изохорного, изотермического и адиабатного
процессов?
^
.8.6 Почему теплота изобарного процесса больше теплоты
изохорного процесса при изменении температуры на одну и ту же
величину?
19
Л абораторная работа №3
Определение средней изобарной теплоемкости воздуха
1 Ц ель работы
Ознакомление с методикой экспериментального определения
теплоемкости газа в проточном калориметре, изучение различных
видов теплоемкостей.
2 Теоретическое введение
2.1
Виды теплоемкостей. Поскольку во всех термодинамических
процессах (кроме изотермического) температура тела меняется, то
теплоту (работу микроперемещений) исторически определяли как
величину, пропорциональную изменению температуры
dQ = C x d T .
Коэффициент пропорциональности С, позволяющий установить
связь между теплотой и изменением температуры тела, называется
теплоемкостью тела. Таким образом, теплоемкость определяется как
физическая величина, равная отношению теплоты к изменению
температуры тела
С = dQ / d T .
Теплоемкость численно равна теплоте, вызывающей изменение
температуры тела на 1 градус.
В теплотехнических расчетах вместо теплоемкости тела широко
используются удельная и молярная теплоемкости.
Удельной теплоемкостью называется отношение теплоемкости
тела к его массе
с = С /m ,
СИ: [с ] = Дж/(кг-К).
М олярной теплоемкостью называется отношение теплоемкости
тела к количеству вещества
С и = C / tj ,
СИ: [См ] = Дж/(моль-К),
где г/ - количество вещества, моль (количество вещества можно
определить по формуле rj = m lМ , где М - молярная масса вещества).
20
Связь между этими теплоемкостями устанавливается соотношением
с = См / М .
(2.1)
Согласно первому закону термодинамики одному и тому же
изменению внутренней энергии соответствует бесчрслетп^е
множество сочетаний значений теплоты и работы изменения объема,
т.е. при одном и том же значении температуры теплота, а значит, и
теплоемкость будут различны в различных термодинамических
процессах.
В случае изотермического процесса температура тела не
меняется (d T = C и Ст= d Q /0 = ±00 ) и теплоту уже нельзя определить
как величину, пропорциональную изменению температуры. В этом
случае она определяется из первого закона термодинамики, как работа
изменения объема dQT = pdV (т.к. dU = 0 ).
■* В случае изобарного процесса уравнение первого закона
термодинамики для удельных величин запишется так
c рx d T = c„xdT
+c,n
¥
tp xd T или с р = с.¥ + с,„,
1р»
( 2 .2 )
где коэффициент пропорциональности с,р в выражении для работы
равен отношению работы макроперемещений к изменению
температуры в изобарном процессе
ctl,= d t/d T = pd v/d T .
(2.3)
Дифференцируя уравнение состояния идеального газа при
р =const d(pv) = pdv = RdT и, подставляя полученное выражение для
работы в уравнение (2.3), получим
cv = R dTldT = R.
Таким образом, в случае изобарного процесса удельная газе л
постоянная численно равна работе изменение объема при изменении
температуры газа на 1 градус.
Подставляя выражение с1р в уравнение (2.2), получим
cР, - c . ¥+ R
или cр. - c ¥. - R .
21
(2.4)
Выражение (2.4) называется уравнением Майера: разность
удельной
изобарной
теплоемкости
и
удельной
изохорной
теплоемкости для данного газа есть постоянная величина и равная
удельной газовой постоянной газа.
В случае адиабатного процесса теплота равна 0 (dQ= 0), а
значит и теплоемкость равна 0: С = 0/dT = 0. Уравнение первого закона
термодинамики в этом случае для удельных величин запишется так
cv x d T + pdv = 0.
(2.5)
Исключая dT их этого уравнения с помощью уравнений
состояния и Майера [dT = (pdv + vdp)l(c/l- c ,) ] , уравнение первого
закона термодинамики можно привести к виду
d(pvc,'c') = 0 или p v f,e’ = const.
Отношение теплоемкостей обозначается через К,
К = ср/с ,
(2.6)
и называется показателем адиабаты, а уравнение
pvk = const,
(2.7)
называется уравнением адиабатного процесса или уравнением
адиабаты.
В случае произвольного процесса уравнение первого закона
термодинамики запишется в виде
c x d T = cydT + p d v .
(2.8)
Исключая из этого уравнения d T , аналогично адиабатному
процессу, получим
с~с,
pv‘~c’ = const.
Показатель
обозначается г]
степени,
постоянный
для
V = ( с - с „ ) /( с - с ,) .
22
данного
процесса,
(2.9)
и называется показателем политропы, а уравнение
р \" = const
(2.Ю)
называется уравнением политропы или политропного процесса. Если
процесс может быть описан уравнением вида (2.10) с постоянным
показателем т\ то он называется политропным, а теплоемкость «с» теплоемкостью политропного процесса. Поскольку теплоемкость «с»
может иметь значения от - оо до + оо, то и показатель политропы также
изменяются от - со до + оо. Таким образом, если процесс политропный
и показатель политропы известен, то теплоемкость «с» этого процесса
может быть определена расчетным путем, не прибегая к
эксперименту, по формуле
(2 . 11)
которая выводится путем решения уравнений (2.6) и (2.9).
Теплоемкости газов и паров даже в случае одного и того же
процесса являются переменными величинами: для идеальных газов
они зависят от температуры, а для реальных газов и паров также и от
давления.
Значение теплоемкости, соответствующее заданной температуре
тела, называется истиной теплоемкостью. Зависимость истиной
теплоемкости от температуры представлено на рисунке 2.1 в виде
кривой.
с -М
С
h
qM = fc d T
т\
dq= cdT
T\ J
йТ Г|Д
Рисунок 2.1
23
Т
Элементарное количество теплоты, участвующее в процессе при
бесконечно малом изменении температуры, определяется по формуле
(2.12)
dq = с * d T ,
и числено равно площади прямоугольника с основанием dT и
высотой, численно равной значению истинной теплоемкости «с» при
температуре Т (смотрите рисунок 2.1). Количество теплоты
участвующее а процессе при изменении температуры от 7j до Тг,
определяется как сумма элементарных площадок под кривой 1-2, т.е.
как интеграл выражения (2.12). Площадь под кривой 1-2 можно
приравнять площади прямоугольника с основанием АТ = Тг -7) и
высотой, численно равной постоянной в заданном интервале
температур теплоемкости с, по формуле
Яп = f c x d T ^ T t - T , ) .
I
(2.13)
Значение теплоемкости, которое принимается постоянным в
заданном интервале температур от Щ до Тг, называется средней
теплоемкостью в данном интервале температур. Она определяется как
отношение теплоты к конечному интервалу температур
(2.14)
c = ql& T.
Газы
Молярная
теплоемкость,
кДж/(кмоль-К)
*
н
ЯШ
Таблица 2.1
Cuv
Одноатомные
Двухатомные
воздух
Трех- и много­
атомные
12,56
20,93
20,93
29,31
1,67
1,40
29,31
37,68
1,29
В таблице 2.1 приведены значения постоянных, не зависящих от
температуры, молярных теплоемкостей и показателя адиабаты «к»,
которые можно использовать в приближенных расчетах при
невысоких температурах.
24
3
М етодика эксперим ентального определения
изобарной теплоем кости воздуха в проточном калорим етре
средне
Определение изобарной теплоемкости воздуха осуществляется
методом нагрева воздуха, движущегося в канале постоянного сечения
практически при постоянном давлении. Расчет теплоемкости ведется
по формуле (2.14), которая применительно к потоку вещества
записывается в виде
с. ~ т/w,(7j
,Г —7|)
tV
где
(31)
ф - тепловой поток от нагревателя к воздуху, Вт;
т, - массовый расход воздуха, кг/с;
Т, и Тг - температуры воздуха соответственно на входе в
калориметр и на выходе из него, К.
Пренебрегая потерями тепла через стенки калориметра, можно
принять, что электрическая мощность нагревателя Р (замеряется
ваттметром) равна тепловой мощности (тепловому потоку), т.е. ф = Р.
Массовый расход воздуха определяется по формуле
т, = р хт А ,
где
(3.1 а)
р - плотность воздуха на входе в калориметр, кг/м;
ш - средняя скорость воздуха в трубе, м/с;
А - площадь поперечного сечения трубы, м2.
Плотность воздуха на входе в трубу принимается равной
плотности воздуха в помещении и определяется из уравнения
состояния
p = p/(RT}),
где
(3.2)
р0 - атмосферное давление, Па;
Tt - температура воздуха перед нагревателем (принимается
равной температуре в помещении), К;
R = 287 Дж/(кг-К) - удельная газовая постоянная воздуха.
25
Поскольку скорость меняется по сечению трубы (рисунок 3.1), а
замеры скорости производятся по оси трубы, то средняя по сечению
скорость определяется по формуле
(3.3)
ш = р0х а 0,
где коэффициент осреденения скорости р0 определяется по графику
(рисунок 3.2) в зависимости от числа Рейнольдса
Л, =eu0d / v ,
где
d - внутренний диаметр трубы, м;
V
= 16.10-* м /с - кинематическая вязкость воздуха.
Рисунок 3.1
Рисунок 3.2
Осевая скорость потока
динамическому давлению Рдин, Па
определяется
°>o = л12Рдин IР •
по
замеренному
(З-4)
Динамическое давление замеряется как разность полного и
статистического давлений
и определяется по показаниям
микроманометра 1ДИН
Рдин = 9,81 к.1дин,
(3.5)
где к - коэффициент микроманометра (учитывает угол наклона
трубки и плотность спирта и служит для перевода показаний
26
микроманометра 1ДИН в мм вод. ст.), значение к указано на д; е
микроманометра;
9,8 - коэффициент перевода мм вод. ст. в Па.
4 Описание лабораторной установки
Измерение теплоемкости воздуха производится в стеклянном
прочном калориметре 1 (рисунок 4.1). Для уменьшения тепловых
потерь в окружающую среду калориметр окружен стеклянной
оболочкой, воздух из пространства между калориметром и оболочкой
удален. В калориметр вмонтирован электрический нагреватель 2, при
помощи которого подводится теплота к воздуху. Мощность
нагревателя регулируется реостатом 3 и замеряется ваттметром 4.
Постоянный расход воздуха через калориметр создается вачуумнь. л
насосом 5. Температура воздуха на входе в калориметр Тх и выходе из
него Т2 замеряется термометрами 6. Динамическое давление
замеряется с помощью трубок Пито (полного давления) 7 и
пьезометра (статического давления) 8, которые подключены к
микроманометру 9. Атмосферное давление р0 определяется по
барометру 10.
Рисунок 4.1
27
5 Порядок выполнения работы
5.1 Ознакомиться с приборами и схемой лабораторной
установки.
5.2 Включить вакуумный насос и нагреватель. Регулируя
мощность нагревателя с помощью реостата 3, добиться, чтобы
повышение температуры воздуха в калориметре составляло (15-20) К.
Установившийся режим можно считать достигнутым если в течение 5
минут Тг не меняется.
5.3 Во время опыта измерить
5.3.1 температуру воздуха на входе в калориметр ZJ и на выходе
из него Га;
5.3.2 показания
микроманометра
1ДИН
и коэффициент
микроманометра к ;
5.3.3 атмосферное давление р0, Па;
5.3.4 показания ваттметра Р , Вт.
5.4 При обработке результатов опыта вычислить:
5.4.1 динамическое давление Рю„ по формуле (3.5);
5.4.2 плотность воздуха р по формуле (3.2);
5.4.3 осевую скорость а>0 по формуле (3.4);
5.4.4 число Рейнольдса и среднюю скорость по формуле (3.3);
5.4.5
массовый расход воздуха по формуле (3.1 а);
5.4.6
среднюю удельную изобарную теплоемкость ср — по
формуле (3.1);
5.4.7
среднюю мольную изобарную теплоемкость с ^ (2.1), а
также изохорные теплоемкости и См из уравнения Майера;
5.4.8 показатель адиабаты «к» по формуле (2.6);
5.4.9 внутренюю энергию воздуха U = с, х Т
5.5 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.1
5.6 Сравнить молярные теплоемкости с ^ и с*,, а также
отношение теплоемкостей «к» с табличными значениями (смотрите
таблицу 2.1).
5.7 Вычислить предельную относительную ошибку определения
ср по формуле
M Q 0 = (ЛЯ I Р + 0.5Д1 дИН п дин + 0,5Д/о 1Р0 + 0.5ДГ/Г, + 2 b d /d + 2 Д Г / ДГ)х 100
28
Таблица 5 .1 - Результаты измерений и расчетов
Кол-во
измерений
1 2 3 4
Атмосферное давление Р0, мм.рт.ст. (Па)
Температура воздуха на входе в
калориметр Г,, °С (К)
Мощность нагревателя Р, Вт.
Показания микроманометра 1 дин мм.
Температура воздуха на выходе из
калориметра Г,, °С (К).
Плотность воздуха р , кг/м .
Средняя скорость потока W , м/с.
Площадь поперечного сечения
калориметра Л, м2
Число Рейнольдса Re.
Коэффициент осреднения р0
Массовый расход воздуха т,, кг/с.
Средняя удельная изобарная теплоемкость
ср, Дж/(кг К)
Средняя удельная изохорная теплоемкость
с ,, Дж/(кг-К)
Молярная теплоемкость Смр, Дж/(кмоль К)
Молярная теплоемкость CMV) Дж/(кмоль К)
Изменение внутреней энергии Ди , Дж/кг
Показатель адиабаты к
Предельная относительная погрешность
*. (СР), %
Среднее
значение
Абсолютные
погрешности
измерения
мощности
электронагревателя ДР и атмосферного давления ДРа определяются в
соответствии с классом точности приборов по методике, изложенной
в разделе 1 [1]; абсолютные погрешности измерения температуры ДГ ,
диаметра трубы М и длины столбика спирта Д1ДИН принять равным
0,5 цены наименьшего деления соответствующей шкалы прибора.
Используя
значение
С ,,
определенные
различны? t
подгруппами студентов (3-4 подгруппы), рассчитать статистическую
29
погрешность среднего арифметического
измерения С , по формуле (пункт 5.7).
значения
результата
6 О тчет о работе
Отчет о работе должен содержать наименование и цель работы,
краткое описание методики экспериментального определения с, ,
схему установки, таблицу, расчет погрешности измерения.
7 Контрольные вопросы
7.1 Виды теплоемкостей.
7.2 Уравнение Майера.
7.3 Показатель адиабаты «к».
7.4 Как в работе определяется массовый расход воздуха?
7.5 Методика экспериментального определения сР.
7.6 Расчет теплоемкости политропного процесса.
7.7 Уравнение политропы. Истинная и средняя теплоемкость.
30
Лабораторная работа № 4
Определение параметров водяного пара
1 Цель работы
Ознакомление с методикой экспериментального определения
степени сухости водяного пара, а так же его параметров с помощью
диаграмм и таблиц водяного пара.
2 Теоретическое введение
Определение параметров водяного пара с помощью диаграмм i
таблиц. Водяной пар как рабочее тело широко применяется в паровых
двигателях и как теплоноситель в теплообменных аппаратах. В обоих
случаях он используется при таких давлениях и температурах, когда
нельзя его рассматривать как идеальный газ, для которого
справедливо уравнение состояния Клапейрона. Уравнения состояния
для реального газа получаются сложными и неудобными для
практического использования, поэтому параметры реальных газов, в
том числе и водяного пара, определяют с помощью таблиц и
диаграмм.
Получение водяного пара в технике осуществляется в паровых
котлах, при этом всегда поддерживается постоянное давление,
которое для различных котлов различно и изменяется от 1 до 300 бар.
Кипение жидкости при постоянном давлении мо» i
проиллюстрировать получением водяного пара в цилиндре с
подвижным поршнем (рисунок 2.1) на наружную поверхность
которого действует сила F неизменной величины.
F
m
Рисунок 2.1
31
Процесс превращения 1 кг воды при р= const в перегретый пар
изображается линией abode на p-v - диаграмме, Т-S - диаграмме и i-S диаграмме (рисунки A .l, А2 и Б.1, приложений А, Б)
Точка "а" характеризует состояние воды при О °С и некотором
давлении р. Точка "в" характеризует состояние воды в начале кипения
при том же давлении р. При нагревании объём воды увеличивается и
точка "в" лежит правее точки "а'. Количество теплоты, которое идёт J
на нагревание воды от О °С до температуры кипения Т„, называется /
теплотой жидкости. Поскольку процесс нагревания изобарный, то
подводимое тепло можно определить по уравнению как разность
энтальпий в конце и начале процесса. С учётом того, что энтальпия
воды при О°С принимается равной нулю /„=0 получим
Чо.
~г>
где i\=i, - энтальпия воды в начале кипения
В диаграмме Т-S теплота жидкости изображается площадью под
линией ав. Дальнейший подвод теплоты приводит к кипению воды и
еще большему увеличению объема. При этом температура воды и пара
при кипении остается постоянной и равной температуре насыщения Тн
до тех пор, пока вся вода не превращается в пар (точка d).
Точка d характеризуется концом кипения, когда вся вода
превращается в пар, поэтому это состояние называется сухим
насыщенным паром. В промежуточной точке "с" находится смесь
кипящей воды и сухого пара, которую называют влажным
насыщенным паром.
Массовая доля сухого насыщенного пара mCJI во влажном паре
тсп ( т.. = т +т .. Л называется степенью сухости пара и
обозначается буквой х
х = отсд/ т „ = т „ /(от„ +тю>и)
(2.1)
Если рассматривать 1 кг влажного пара (т„„ = 1кг), то х вместе с
тем измеряет массу сухого пара, а величина (1 —дс) числено равна
массе кипящей воды в 1 кг влажного пара и называется влажностью
пара.
32
Линии, соединяющие точки с одинаковой степенью сухости,
называются линиями постоянной сухости jc=const или кривыми
постоянного паросодержания. Степень сухости х изменяется от 0 до 1.
Количество теплоты, необходимое для превращения воды,
нагретой до температуры кипения (насыщения) при данном давлении,
в сухой насыщенный пар, называется скрытой теплотой паро­
образования (теплотой фазового перехода) и обозначается буквой г
r=
(2 2)
=
где
i" - энтальпия сухого насыщенного пара.
В диаграмме Т-S скрытая (правильно говорить удельная) теплота
парообразования изображается площадью под линией кипения bd.
' Подвод теплоты к сухому насыщенному пару вызовет его
t
перегрев, т.е. увеличение температуры выше температуры насыщения
Т. Во всех точках, лежащих правее точки d на линии р= const
(например, в точке "е") пар является перегретым. Разница состояний
перегретого пара заключается в различных значениях температур
перегрева, которые тем выше, чем дальше вправо от точки и
распологается точка "е". Теплота перегрева соответсивует площади
под линией de в диаграмме Т-S. 1
Геометрическое место точек в, характеризующих состояния
воды в начале кипения при различных давлениях и температурах,
называется
нижней
пограничной
кривой
(НПК).
Все
термодинамические величины на НПК отмечаются одним штрихом (/',
v', s ’, и'), а степень сухости х —0.
Геометрическое место точек d, характеризующих состояние
сухого насыщенного пара при различных давлениях, называется
верхней пограничной прямой (ВПК).
Все термодинамические величины на ВПК отмечаются двумя
штрихами (/",v'',s", и"), а степень сухости х=1. Все термодинамические
величины на НПК и ВПК даются в таблицах водяного пара в
зависимости от давления температуры. В таблице 2.1 или в таблицах
Г.1, Д.1 (приложений Г, Д) приводятся параметры водяного пара по
температурам.
33
Таблица 2.1 - Физические свойства воды и водяного пара на линии
насыщения______________________________________________
Т
Г
V’
v"
Г
г
S'
S"
1н
Р
кДж/кг
m j/ k t
кДж/ кг.К)
°с
МПа
0.01
96.7
99.6
100.0
0.00061
0.090
0.100
0.101
0.001
0.0104
0.00104
0.00104
206.3
1.896
1.694
1.673
0
405.3
417.4
419.1
2501
2670
2675
2676
2501
2265
2258
2257
0
1.269
1.303
1.307
9.154
7.394
7.360
7.355
С повышением давления точки в и d приближаются друг к другу
и при определенном давлении и объеме встречаются в критической
точке К. В критической точке вода и водяной пар обладают
одинаковыми
параметрами
состояния,
которые
называются
критическими. В критической точке теплота парообразования равна
нулю. Для воды параметры критического состояния равны
= 374,15 °С; р . , = 221,29 бар; vm = 0,00326 м 7 кг.
Параметры влажного пара (ia v* Sx) определяются по известным
параметрам на пограничных кривых и заданной степени сухости х
v, = ( / -x )v ’+v"x;
i, = ( / - x)i'+i"x = i'+r * x ;
S x = (I - x)S'+ S"x = S'+rx/T e ;
U ,= i,- p v ,,
И так слова от нижней пограничной кривой лежит вода (жидкая
фаза) между НПК и ВПК находится область влажного насыщенного
пара, а справа от верхней пограничной лежит область перегретого
пара.
3
М етодика экспериментального
сухости влажного насыщенного пара
определения
степени
В основу методики экспериментального определения сухости х
влажного пара положен метод конденсации пара. Через холодную
воду налитую в калориметр, пропускается влажный пар, который при
конденсации отдает воде количество теплоты Q„ (Дж), равное
£?, =тЛ К ~ь)где
т п~ масса, сконденсировавшегося пара, кг;
34
/х- энтальпия влажного пара, Дж/кг;
/2- энтальпия воды после пропуска пара, Дж/кг.
Энтальпия воды iz (Дж/ кг) определяется по формуле
h ~ ср '1г »
где
ср = 4187 Дж/(кг-К) - удельная изобарная теплоемкость воды;
t r температура воды в калориметре после конденсации пара, °С.
Энтальпия влажного насыщенного пара можно найти в
зависимости от степени сухости по формуле
г, = Г+г •х .
Количество теплоты,
уравнения баланса теплоты
отданное
(3 1)
паром;
QI,=Q.+Qau+Qm„
можно
найти
из
(3-4)
где
Qt- количество теплоты, полученное водой;
Q kui- количество теплоты идущее на нагревание стенок и
деталей калориметра;
фт-тепловые потери, которыми из-за малости принебрегаем.
Количество теплоты полученное водой, определяется так
б™- сРх т , (7"2 -Г ,),
где
т ,- масса воды в калориметре без учета конденсата, кг;
Т\ - начальная температура воды в калориметре, °С.
Количество теплоты идущее на нагревание стенок калориметра
определяется по формуле
e m =C (r2- r , ) ,
где С - постоянная калориметра. Она представляет собой не что
иное, как суммарную теплоемкость всех частей калориметра.
Значение постоянной калориметра, используемого в данной
установке, равно 400 Дж/К.
35
Уравнение теплового баланса (3.4) с учетом сделанных
замечаний примет вид
т„(1+г-х-ср •/)■ срт,(/, - / , ) + с(Тг -T t).
Откуда находим степень сухости х
х = 1/ г[(ср •m, +с)(/,
+ср ■/, - Г .
(3.5)
4 Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рисунок 4.1) состоит из
непроточного калориметра 1, электронагревателя 2, и испарителя
служащего для выработки водяного пара. Пар из испарителя подается
в калориметр через трубку 4. До сообщения испарителя с атмосферой
it отключения его от калориметра служит трехходовой кран 5.
Температура кипения (насыщения Ти) замеряется термометром б, а
температура воды в калориметре - термометром 7. Пар, поступающий
в калориметр, конденсируется в жидкость, что приводит к
увеличению массы в калориметре.
Масса сконденсировавшегося пара определяется с помощью
мензурки 8 по изменению уровня жидкости в ней за время опыта.
36
5 Порядок выполнения работы
5.1 Ознакомиться с приборами и схемой экспериментальной
установки.
5.2 Проверить правильность подсоединения термометра 7 и
трубки 4 к калориметру (они должны быть плотно установлены в
отверстия калориметра с помощью резиновых пробок). Проверить
уровень воды в калориметре и, если надо, долить или отлить воду
через мензурку до установления нулевого уровня воды в мензур •.
Записать массу воды в калориметре тв (масса воды в калориметре при
нулевом положении мениска в мензурке приводятся на самой
установке). Записать постоянную калориметра С.
5.3 Залить воду в испаритель (колбу) приблизительно до
половины его высоты (вода не должна касаться термометра и трубки
для отвода пара). Установить трехходовой кран в положение
испаритель (колба) - атмосфера под наблюдением преподавателя или
лаборанта (если кран закрыть неправильно, когда колба отключена от
атмосферы и калориметра, давление в колбе повышается, и
происходит выброс кипящей воды вместе с пробкой, что может
привести к ожогу глаз и лица) и включить нагреватель. .
5.4 Через 5-10 минут после начала кипения воды в испарителе
трехходовой кран установить в положение испаритель-калоримс;; ,
отключив испаритель от атмосферы (меры безопасности см. п. 3).
Этот момент является началом опыта. Непосредственно перед этим
записывается начальная температура воды в калориметре Т\, °С по
термометру 7. Записать температуру кипения (насыщения) воды Г„ по
термометру 6. Давление кипения принять равным атмосферному
Ри~Ро, замеренному барометром.
5.5 Пропуск пара через калориметр производить до тех пор,
пока объём в мензурке не станет равным 40-50мл , что соответствует
массе конденсата т„=40-50г.
Включить электронагреватель.
Установить трехходовой кран в положение испаритель-атмосфера
Записать массу конденсата т„. Тщательно перемешать жидкость в
калориметре мешалкой через мензурку. Записать температуру воды в
калориметре T if d.
5.6 Вынуть пробку из испарителя, если кипение не
прикращается при отключённом нагревателе.
5.7 Обработать результаты опыта. При этом определить
37
5.7.1 по температуре кипения Гн с помощью таблицы 2.1 /' Г'
S',S"yV',v",r.
5.7.2 степень сухости х по формуле (3.5)
5.7.3 по диаграмме i-S (рисунок А.1) по найденной степени
сухости ix>Sx, vx.
5.8 Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 5.1
Таблица 5.1 - Результаты измерений и расчетов
Количество измерений
Наименование величин
1
2
3
4
Давление насыщения р н, мм.рт.ст.
(Па)
Температура воды в калориметре до
опыта /|, °С (К)
Температура воды в калориметре
после опыта t2,°C (К)
Массовая доля в калориметре тй, кг
Масса влажного насыщенного пара
твг, г (кг)
Степень сухости х Энтальпия
кДж/кг
Энтальпия г", кДж/кг
Скрытая теплота парообразования г,
кДж/кг
Энтальпия /х, кДж/кг
Энтропия S', кДж/(кг К)
Энтропия S", кДж/(кг К)
Энтропия Sx, кДж/(кг К)
Удельный объём v1, mVkt
Удельный объём v", mj/kt
Удельный объём vx, м3/кг
Внутренняя энергия Ux, кДж/кг
Предельная относительная
погрешность е„ (х), %
Среднее
значение
6 Содержание отчета о работе
Отчет о работе должен содержать наименование и цель работы,
краткое описание методики экспериментального определение степени
38
сухости влажного насыщенного пара, схему лабораторной
установки, таблицу и расчеты.
7 Контрольные вопросы
7.1 Что называется теплотой жидкости?
7.2 Определить теплоту жидкости при нагреве воды от 40 °С до
100 °С.
7.3 Что называется скрытой теплотой парообразования?
7.4 Что называется теплотой перегрева? Показать на i-S
диаграмме (рисунок АЛ) как определяется теплота перегрева.
7.5 Что называется степенью влажности водяного пара?
7.6 Как определяются параметры водяного пара в области влаж­
ного пара?
7.7 Что называется верхней пограничной кривой?
7.8 Что называется нижней пограничной кривой?
7.9 Нарисовать на i-S диаграмме линии постоянного
паросодержания.
7.10 Показать изменения состояния пара для изохорного,
изобарного, изотермного и адиабатного процессов в i-S, T-S, p-v
диаграммах (рисунок В.1, приложения В)
39
Литература
1. Кирилин В.А. и др. Техническая термодинамика / В.А.
Кирилин, В.В. Сычёв, Е.Е. Шейндлин.-М.: Энергоиздат, 1983. - 416 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика теплопередачаМ.: Высшая школа, 1980. - 469 с.
3. Ривкин С.П. и др. Теплофизические свойства воды и водяного
пара / С.П. Ривкин, А.А. Александров. - М.: Энергия, 1980. - 424 с.
40
Приложение А
(справочное)
V = const
9
s= sb
Sx= Sc
ST=S.
s.
S
Рисунок A. 1 - Процесс парообразования в i-S диаграмме
Приложение Б
(справочное)
Перегретый
hip
-Вода
Кендеисяиля
iJixHtill'HicuiucuHCilt пар —I
v
м /кг
I
1 V«p=0,0032<>
I
I
1
\
1 (гаи)
/т Ь -х
-,
*
\\
I
I
y y y y y y y / i s y s s s s A f c g s s / s / s s / s ) r / / s s s x ' 's ''' / / / / / / / / / / V / / 1 / / / / / / s s s s s s s / y s /
насыщенный
гв= 1кг. 2 - Р_- \
;'_ V . :.'na]>' v :- ; rt
'j
; ■ ;;пфйфёгый'
пар
>,
<
'
Рисунок Б. 1 - Процесс парообразования в P-v диаграмме
42
Приложение В
(справочное)
а)
*
3J
*
s
Рисунок В.1 - Диаграммы различных процессов изменения пара:
а - изохорный; б - изобарный; в - изотермный; г - адиабатный.
43
Приложение Г
(справочное)
Таблица Г.1 - Термодинамические свойства воды и водяного пара в
состоянии насыщения (аргумент - температура)
|»®С
о
0.01
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
П
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
т эк
Г73.15
273.16
274,15
275.15
276,15
277,15
278.15
279,15
280.15
281,15
282.15
283.15
284,15
285.15
286.15
287.15
288,15
289,15
290,15
291.15
292.15
293,15
294,15
295.15
296.15
297.15
298,15
299,15
1ПП. 15
301.15
302.15
303,15
304,15
305.15
306.15
307.15
308,15
309,15
310.15
311,15
312.15
313,15
314,15
315.15
316,15
317,15
318,15
Pi бар
П.П0610Я
0.006112
0,006566
0.007054
0,007575
0,008129
0.008718
0.009346
0.010012
0,010721
0.011473
0.012271
0,013118
0,014015
0.014967
0.015974
0,017041
0,018170
0.019364
0.020626
0.021960
0,023368
0,024855
0.026424
0.028079
0,029824
0,031663
0,033600
П.П35639
0.037785
0.040043
0,042417
0,044913
0.047536
0.050290
0.053182
0,056217
0,059401
0.062740
0.066240
0.069907
0,073749
0,077772
0.081983
0,086390
0.090998
0,095817
V \ м3/кг
У ",
м /кг
0.0010002
0.00100022
0,0010001
0.0010001
0,0010000
0,0010000
0.0010000
0.0010000
0.0010001
0,0010001
0.0010002
0.0010003
0,0010003
0.0010004
0.0010006
0.0010007
0,0010008
0,0010010
0.0010012
0.0010013
0.001 СО15
0,0010017
0,0010019
0.0010022
0.0010024
0,0010026
0,0010029
0,0010032
П.ПП1ПП34
0.0010037
0.0010040
0,0010043
0,0010046
0.0010049
0,0010053
0.0010056
0,0010060
0,0010063
П.П010067
0.0010070
0.0010074
0,0010078
0,0010082
0.0010086
0.0010090
0.0010094
0,0010099
206321
206,175
192,611
179.935
168,165
157,267
147.167
137,768
129.061
120.952
113.423
106.419
99,896
93,828
88.165
82.893
77,970
73,376
69.087
65.080
61.334
57,833
54,556
51.488
48.615
45,923
43399
41,031
ЗЯ.Я11
36.726
34.768
32,929
31,199
29.572
28.042
26.602
25,246
23,968
22.764
21.629
20.558
19,548
18,594
17.694
16.843
16.039
15,278
h \ кДж/кг
—0.04
0.000614
4,17
839
12,60
16,80
21.01
25.21
29.41
33,60
37.80
41.99
46,19
50,38
54.57
58.75
62,94
67,13
7 IJ1
75.50
79.68
83,86
88,04
92.22
96.41
100,59
104,77
108,95
113.13
11731
121.48
125,66
129,84
134.02
138.20
14238
146,56
150,74
154.92
159.09
163.27
167,45
171,63
175.81
179.99
184.17
18835
44
h", кДж/кг I г, кДж/кг
2501.0
2501,0
2502,8
2504*7.
2506,5
25083
2510.2
2512.0
2513.9
2515,7
2517.5
2519,4
2521,2
2523,0
2524.9
2526.7
2528,6
2530,4
2532.2
2534.0
2535.9
2537,7
25393
2541.4
2543.2
2545,0
2546,8
2548,6
2550.4
25523
2554.1
2555,9
2557,7
2559.5
2561.4
2563.2
2565,0
2566,8
2568.6
2570.4
2572.2
2574,0
2575,8
2577.6
2579.4
2581.1
2582,9
25014.
2501,0
2498,6
24963
2493,9
2491,5
2489.2
2486,8
24845
2482,1
2479.7
2477.4
2475,0
2472,6
2470.2
2467.9
2465,7
24633
2460.9
2458.5
24563
2453.8
2451,5
24493
2446.8
2444,4
2442,0
2439,6
24373
2435.0
2432.6
2430,2
2427,9
24255
2423.2
2420.8
2418,4
2416,1
2413.7
24113
2408.9
2406,5
24043
2401.8
2399.4
2396.9
23945
S',
кДж/(кг*К)
S",
кДж/(кг*К)
—0.0002
0.0000
0,0152
0.0306
0,0459
0,0611
0.0762
0,0913
0.1063
0,1213
0.1362
0.1510
0,1658
0.1805
0.1952
0.2098
0,2243
0,2388
0.2533
03677
0.2820
0,2963
03105
03247
03389
03530
03670
03810
03949
0.4088
0.4227
0,4365
0,4503
0.4640
0.4777
0.4913
05049
05184
05319
05453
05588
05721
05854
05987
0.6120
0.6252
0,6383
9.1565
9,1562. .
9,1298
MQ35.
9,0773
9,0514
9.0258
9.0003
8.9751
8,9501
8,9254
8,9009
8,8766
8.8525
8.8286
8.8050
8,7815
8,7583
8.7353
8.7125
8.6898
8,6674
8,6452
8.6232
8.6014
85797
85583
85370
Я 5159
8.4950
Я.4743
8,4537
8,4334
8.4132
83932
83733
83536
83341
83147
8.2955
8.2765
8,2576
8,2389
8.2203
8.2019
8.1836
8,1655
Приложение Д
(справочное)
Таблица Д.1 - Термодинамические свойства воды и водяного пара в
состоянии насыщения (аргумент - температура)
Т ,К
«.‘С
у\м /ж г
р,бар
1 / '\
Н', кД ж/кг
h", кДж/кг
г, кД ж /кг
S ’,
кД ж /(кг*К )
S ",
кД ж /(кг*К )
2SH7..
23912
2319.8
2317.4
2315.0
2382,5
06514
06645
06776
06906
07035
81475
8.1297
8.1121
8.0945
8Д771
23803
2377.8
2375.4
2372.9
2370,5
07164
07293
07422
07550
07677
8,0598
8.0427
8.0258
8.0089
73922
07804
73756
07931
08058
08184
08310
08435
7.9591
7.9428
73266
73106
’.8946
08560
08685
08809
08933
7.8788
7-8631
7.8475
73320
09057
73167
03180
03303
09426
09548
09670
73015
7.7864
7.7714
7,7565
7,7417
7.7270
7.7125
73980
7.6837
к г/к г
47
48
4Q
50
51
«
53
КА
55
56
57
ЧЯ
49
60
61
61
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
71
74
75
76
77
1 1 ....
79
80
81
81
83
84
85
86
87
88
90
00010103
00010107
00010112
00010116
00010121
14559
11879
11236
И Л
11048
19153
19671
20089
205.07
209,26
324,15
ж и
326.15
327.15
328,15
012960
013612
014292
015001
015740
00010126
00010131
00010136
00010140
00010145
113)1
10982
10490
10024
9,5812
21144
217.62
22130
225.98
23017
25883
25901
25913
2593,6
2595.4
25973
25989
26007
329,15
33й15
331.15
33115
333,15
334,15
016510
017312
018146
019015
019919
0Д0859
00010150
00010156
00010161
00010166
00010171
00010177
9,1609
8.7618
83831
8.0229
7,6807
73554
23435
23834
24172
24691
251,09
15538
26014
2604.2
2606.0
2607.7
26093
26113
2368,1
2365.7
23633
2360.8
2358,4
2355,9
335.15
336.15
337.15
338,15
021837
022854
023910
025008
00010182
00010188
00010193
00010199
7.0458
67512
6.4711
6,2042
159.46
263,65
267.84
27102
26110
2614.7
2616.4
339,15
340.15
341.15
34115
343,15
344,15
345.15
346.15
347.15
348,15
00010205
00010211
00010217
00010222
00010228
00010235
53502
276Д1
5.7082
5.4775
53576
5,0479
43411
28040
349,15
026148
027332
028561
029837
QJ116I
032533
033957
035433
036963
038548
040190
2353.5
2351.1
2341.6
23463
2343,7
00010241
00010247
00010253
O001Q259
00010266
<6574
4.4753
43015
4,1356
19771
350,15
151.15
35115
353,15
041890
043650
045473
047359
18257
16811
15427
14104
3415
049310
00010272
00010279
00010285
00010292
00010299
355.15
356.15
357.15
358,15
359,15
051328
053415
055572
057803
060107
364,15
91
91
93
ш
366.15
367J5.
368.15
369.15
...и .
101
0.100854
010612
011161
0.11715
012335
36015
361.15
36215
363,15
яо
95
96
97
38..
99
100
101
319.15
320.15
321.15
1»К
123,15
.
ЛШ
371.15
37115
373,15
374,15
375.15
00010305
00010312
00010319
00010326
00010333
00010340
0001047
00010354
00010361
064947
067486
070108
072814
0.75607
_ < ш а .
..
12839
339,11
261&2
2619,9
2621.6
26233
2625.1
26263
26283
26302
26319
26316
26353
2637,0
2638.7
26404
26411
26418
2645,4
11629
10471
1936218300
17284
34331
34751
351.71
355,92
2647.1
2648,8
26504
26511
36012
36432
36153
37173
37634
2653,7
2655.4
2657.0
2658.7
26603
2661^
. WS?
15376
14482
13624
00010369
12801
Ш Ю 76
12012
Ш 1 Ш .
_U M L
084525
087685
090943
ШИП
097760
1,01325
00010391
00010398
00010406
00010414
-MQ1Q12L
_fil!BLQ429
00010437
1ДМ996
00010445
10529
1,9832
1,9163
1-8520
—1.7902
1.7309
1,6738
1,6190
1Л8776
ОЮИМЯ
15664
М1Щ.
.
28439
288.78
29197
297,16
30136
305-55
309.74
31194
318,13
32233
32632
33072
33432
381,15
38536
38957
393.78
397,99
402Д0
23413
2338.7
23363
2333,8
23313
2328.8
23263
23233
2321,4
23183
2316.4
2313.9
2311.4
2308,9
23063
2303.1
23013
22917
22963
2293,6
2291.1
22885
2216.0
2283,4
09792
09913
1.0034
1,0154
1,0275
1.0395
1JK14
1.0634
1,0752
1,0871
7,6694
7.6553
7.6413
7.6274
7,6135
1.0990
1.1108
1.1225
1,1343
73998
73862
73726
"3592
73459
1,1460
1.1577
1.1693
1.1809
1,1925
73326
73195
73064
7.4914
7,4805
13041
12156
13X71
13386
13500
13615
1.2729
13842
13956
13069
7,4677
7.4550
7.4424
7.4299
7,4174
7,4051
73928
73806
73685
73564
406.42
41063
414J85
419,06
42128
26615
26653
2666.8
2668,4
26700
2671.6
26712
2674.8
26763
26773
2280,7
2278.1
2275.6
2273.0
2270,4
2267,8
2265J
2262.6
2259.9
2257,2
2254,6
13182
73445
4Z7Я
26795
2252.0
13294
73326
45
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
965 Кб
Теги
osnovy, metodicheskie, 1757, ukazaniya, bondar, tehnicheskaya, teplosnabjeniya, termodinamik
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа