Файл: метод. (Восстановлен).doc

Удельная теплоёмкость показывает, какое количество теплоты необходимо подвести к единице количества вещества, чтобы нагреть его на один градус. В зависимости от того, в каких единицах измеряется количество вещества, различают:

• удельную массовую теплоёмкость (С). В системе СИ измеряется в ;

• удельную объёмную теплоёмкость (С). В системе СИ измеряется в ;

• удельную молярную теплоёмкость (С_). В системе СИ измеряется в .

Различные виды удельной теплоемкости связаны между собой:

, (2)

где С, С´, С_μ – соответственно, удельная массовая, объёмная и молярная теплоёмкость;

– плотность газа при нормальных физических условиях, кг/м³;

μ – молярная масса газа, кг/кмоль;

–объём одного киломоля идеального газа при нормальных физических условиях.

В общем случае теплоемкость зависит от температуры, при которой её определяют.

• Теплоемкость, определяемая при данном значении температуры, т.е. когда изменение температуры системы в данный момент времени стремится к нулю (Т → 0), называется истинной теплоёмкостью.

• . (3)

Однако выполнение инженерных расчетов процессов теплообмена существенно упрощается, если принять, что при совершении процесса в интервале изменения температуры системы от Т₁ до Т₂ теплоёмкость не зависит от температуры и остается постоянной. В этом случае в качестве расчетной принимается так называемая средняя теплоёмкость.

(4)

Теплоёмкость зависит от характера процесса подвода теплоты к системе. В изобарном процессе для того, чтобы нагреть систему на один Средняя теплоёмкость (С_т) – теплоёмкость системы постоянная в интервале изменения температуры от Т₁ до Т₂.

. градус необходимо подвести большее количество теплоты, чем в изохорном процессе. Это связано с тем, что в изобарном процессе теплота затрачивается не только на изменение внутренней энергии системы, как в изохорном процессе, но еще и на совершение системой работы изменения объёма.

В связи с этим различают изобарную (С_р) и изохорную (С_v) теплоёмкости, причем изобарная теплоёмкость всегда больше изохорной. Связь между этими видами теплоемкости определяется формулой Майера:

С_р = С_v + R , (5)

где R – газовая постоянная, Дж/(кгград).

При практическом применении данной формулы необходимо быть внимательным в отношении соответствия размерности величин (С_р), (С_v) и R. В данном случае, например, необходимо использовать удельную массовую теплоемкость. Данная формула будет справедлива и для других видов удельной теплоемкости, но во избежание расчетных ошибок всегда необходимо обращать внимание на соответствие размерностей величин, входящих в формулу. Например, при использовании вместо R универсальной газовой постоянной R_μ теплоёмкость должна быть удельной молярной и т.д.

В изотермическом процессе вся теплота, подводимая к системе, затрачивается на совершение внешней работы, а внутренняя энергия и, следовательно, температура не изменяются. Теплоемкость системы в таком процессе бесконечно велика. В адиабатном процессе температура системы изменяется без теплообмена с внешней средой, а значит, теплоёмкость системы в таком процессе будет равна нулю. По этой причине не существует понятий изотермической или адиабатной теплоёмкости.

2. Описание лабораторного стенда

В работе для определения теплоёмкости воздуха используется метод проточного калориметра. Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема лабораторного стенда: 1 – вентилятор; 2 – труба калориметра; 3 – тепловая изоляция; 4 – электрический нагреватель; 5 – регулятор

напряжения; 6 – ваттметр; 7 – термопары; 8 – переключатель термопар;

9 – прибор для измерения ТЭДС; 10 – регулятор расхода; 11 – ротаметр

Воздух с помощью вентилятора 1 подается в калориметр, представляющий собой трубу 2 из материала с малой теплопроводностью и наружной тепловой изоляцией 3, необходимой для предотвращения тепловых потерь в окружающую среду. Внутри калориметра находится электрический нагреватель 4. Питание нагревателя осуществляется от сети переменного тока через регулятор напряжения 5. Мощность электрического нагревателя измеряется ваттметром 6. Для измерения температуры воздуха на входе в калориметр и выходе из него используются термопары 7, подключаемые через переключатель 8 к прибору для измерения термо-ЭДС 9. Расход воздуха через калориметр изменяется регулятором 10 и измеряется с помощью поплавкового ротаметра 11.

3. Порядок выполнения работы

1. Получить исходные данные и разрешение руководителя на выполнение работы.

2. Включить вентилятор и установить заданный расход воздуха.

3. Установить заданное значение мощности электрического нагревателя.

4. После установления стационарного температурного режима (контролируется по показаниям температурного датчика на выходе из калориметра) выполняется измерение температуры воздуха на входе и выходе из калориметра, расхода воздуха и мощности нагревателя. Результаты измерений заносятся в таблицу опытных данных (табл. 1).

Таблица 1

5. Устанавливается новый температурный режим и проводятся повторные измерения. Измерения необходимо выполнить при 2-х, 3-х разных режимах.

6. После окончания измерений привести все регулирующие органы в исходное состояние и выключить установку.

4. Обработка результатов измерения

4.1. По результатам измерений определяется значение средней объёмной изобарной теплоёмкости воздуха:

, (6)

где Q = W – количество теплоты, подведенной к воздуху в калориметре, Вт, принимается равным значению электрической мощности нагревателя;

Т₁, Т₂ – соответственно, температура воздуха на входе в калориметр и выходе из него, К;

V₀ – объёмный расход воздуха через калориметр, приведенный к нормальным физическим условиям, м³/с;

Для приведения расхода воздуха через калориметр к нормальным условиям используют уравнение состояния идеального газа, записанное для нормальных физических условий и условий опыта:

, (7)

где в левой части параметры воздуха на входе в калориметр, а в правой – при нормальных физических условиях.

После нахождения значений С´_рт, соответствующих каждому из n исследованных режимов, определяется значение , которое принимается за оценку экспериментального значения теплоемкости воздуха и используется в дальнейших расчетах.

2. По формуле (2) определяются значения средней массовой и молярной изобарной теплоёмкости воздуха.

3. По формуле Майера (5) рассчитываются значения средней массовой, объёмной и молярной изохорной теплоёмкости воздуха.

4. Определяется энтальпия воздуха при температуре Т₂ на выходе из калориметра:

, кДж/кг. (8)

2. Определяется показатель адиабаты для воздуха на основе соотношения

. (9)

2. Полученные значения изобарной и изохорной теплоёмкости сравнить с табличными значениями (см. прил.) и дать оценку точности полученных экспериментальных данных.

3. Результаты занести в табл. 2.

Таблица 2