Файл: ЛабПр ТДиТМО.doc

Измерение теплоёмкости воздуха

Цель работы:определение изобарной теплоёмкости воздуха методом проточного калориметра.

Задание:

1. Экспериментально определить среднюю объёмную изобарную теплоемкость воздуха.

2. На основе полученных опытных данных рассчитать средние массовую и молярную изобарную теплоемкости и средние массовую, объёмную и молярную теплоемкости воздуха.

3. Определить показатель адиабаты для воздуха.

4. Сравнить полученные данные с табличными.

5. Дать оценку точности экспериментальных данных.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Теплоёмкость– свойство, показывающее какое количество теплоты необходимо подвести к системе, чтобы изменить её температуру на один градус.

В такой формулировке теплоемкость имеет смысл экстенсивного параметра, т.е. зависящего от количества вещества в системе.

В этом случае невозможно количественно оценивать тепловые свойства различных материалов, сравнивая их между собой. Для практического применения гораздо более информативным параметром является так называемая удельная теплоёмкость.

Удельная теплоёмкостьпоказывает 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:

,

где - соответственно удельная массовая, объёмная и молярная теплоёмкость;

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

- 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 , называетсяистинной теплоёмкостью.

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

Средняя теплоёмкость– теплоёмкость системы постоянная в интервале изменения температуры отдо.

Теплоёмкость зависит от характера процесса подвода теплоты к системе. В изобарном процессе для того, чтобы нагреть систему на один 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 иизохорнуютеплоёмкости, причем изобарная теплоёмкость всегда больше изохорной. Связь между этими видами теплоемкости определяется формулой Майера:

где - газовая постоянная, Дж/(кгград).

При практическом применении данной формулы необходимо быть внимательным в отношении соответствия размерности величин ,и. 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 вместоуниверсальной газовой постояннойтеплоёмкость 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

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 (см. 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 ИЗМЕРЕНИЙ.

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

где- количество теплоты, подведенной к воздуху в калориметре, Вт. Принимается равным значению электрической мощности нагревателя;

- соответственно температура воздуха на входе в калориметр и выходе из него, К;

- 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:

,

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

После нахождения значений , соответствующих каждому изисследованных 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 на выходе из калориметра.

, кДж/кг;

5. Определяется показатель адиабаты для воздуха на основе соотношения

;

6. Полученные значения изобарной и изохорной теплоёмкости сравнить с табличными значениями (см. приложение 1) и дать оценку точности полученных экспериментальных данных.

7. Результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2.