4 Определяне на специфични топлини
4. ОПРЕДЕЛЯНЕ НА СПЕЦИФИЧНИТЕ ТОПЛИНИ НА
Количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на тялото с една степен, се нарича калоричен капацитет. Калоричният капацитет на тялото е обширен параметър, в зависимост от неговата маса и естество. Калоричният капацитет на единицата количество на веществото се нарича специфична топлина или специфичен калориен капацитет. Стойността му не зависи от количеството вещество, което е интензивно свойство на телата.
Специфичната топлина c или специфичният калориен капацитет на хомогенно вещество представлява топлинната енергия, необходима на количествената единица на това вещество да повиши температурата си с една степен, без процесът да доведе до промяна на фазата или агрегатното състояние. Количеството топлина, обменяно от тяло с маса m в температурния диапазон (T 1 - T 2), се дава от отношението:
Q 12 = m × × (T 2 - T 1) [J], (4.1)
оттук и изразът на специфична топлина:
Съгласно отношение (4.2) специфичната топлина е количество, което зависи от единицата количество вещество, от температурния диапазон и от естеството на термичния процес.
От гледна точка на количествената единица на разглежданото вещество, специфичните топлини, използвани в техниката, могат да бъдат:
а) специфична маса на нагряване, c, в J/(kg × K);
б) специфични топлини спрямо нормалния кубичен метър, c N, в J/(m 3 N × K);
в) специфични моларни топлини, C M, в J/(kmol × K).
Специфичната топлина спрямо единицата за обем c, [J/(m 3 × K)], много рядко се използва в практически приложения.
Връзките между тези специфични видове топлина са:
C M = M × c = V M × c N [J/(kmol × K)], (4.3)
където: M е молекулната маса на веществото [kg/kmol],
V M = 22 414 - моларен обем [m 3 N/kmol],
c N = r N × c [J/(m 3 N. K)], (4.4)
където: r N е специфичната маса на веществото при нормални условия, в kg/m 3 N .
От гледна точка на температурния диапазон, специфичните топлини могат да бъдат:
а) специфични реални или моментни топлини, c, c N, C M;
б) средни специфични топлини,
От гледна точка на естеството на трансформацията, извършена от веществото, следните специфични топлини представляват интерес за практиката:
а) специфични топлини при постоянно налягане, c Np, C Mp,
б) специфични топлини при постоянен обем, c v, c Nv, C mv,
Зависимостта между специфичните топлини се дава от отношенията на Робърт
R е конкретната константа на перфектния газ, в J/(kg × K);
- реалният коефициент на обемно разширение, в градуси -1;
- коефициент на термична свиваемост, в Pa -1 .
В твърди и течни тела само специфичната топлина при постоянно налягане е от практическо значение. В газообразни тела c p се определя експериментално и специфичната топлина при постоянен обем, c V, се получава чрез изчисление, като се използват съотношенията (4.5) и (4.6).
4.2. Описание на инсталацията и напредъка на работата
Фигура 4.1 схематично представя инсталацията, с помощта на която се определя специфичната топлина на газообразните вещества на метановия газ в случая на настоящата работа.
Фиг. 4.1. Инсталация за определяне на специфичната топлина a
Инсталацията се състои от топлообменника 1, калориметъра 2 и метаномера 3.
В намотката на топлообменника 1 метановият газ получава топлина от калориметричния флуид вътре в него, който се нагрява с помощта на горелката 4.
Температурата и обемът V на метановия газ на входа на топлообменника 1 се определят с течния термометър 5 и измервателния уред 3.
На входа на калориметъра 2 статичното налягане p st се измерва с течния манометър 6 и температурата t 1 с термометъра 7.
В калориметър 2 метанният газ отделя топлина към калориметричния възел. Измерва се неговата температура t 2 на изхода на калориметъра
Началната и крайната температура на водата в калориметъра се определят с прецизния термометър 9, като отчитането се извършва с помощта на лупа 10. За да се уеднакви температурата на водата в калориметъра, се използва бъркалка 11, задвижвана от електродвигателя 12.
Специфичната топлина при постоянно налягане на метановия газ се определя, като се има предвид калориметърът 2 като адиабатно заграждение. Неговото калориметрично уравнение е:
Q 1 е количеството топлина, отделяно от газа към калориметричния възел, в J;
Q 2 - количеството топлина, получено от елементите на калориметъра, в J.
Количествата топлина от 1 и 2 се определят от съотношенията:
m е количеството газ метан, което преминава през калориметъра, в kg;
- специфична топлина при средно постоянно налягане, в J/(kg × K);
t 1, t 2 - температура на метановите газове на входа и изхода на калориметъра, в С;
m i - маса на компонент i от калориметричния възел, в kg;
- специфична топлина при постоянно, средно налягане на компонента и на калориметричния възел, в J/(kg × K);
t o, t - началната и крайната температура на водата в калориметъра в o C.
по отношение на (4.9) се обозначава с C и се нарича калоричност на калориметъра:
От горните отношения се получава:
Количеството метан, преминаващо през инсталацията, се определя от съотношението:
където: r N е специфичната маса на метановия газ при нормално състояние, в kg/m 3 N;
V - обемът на газа при състояние на измерване, определен с помощта на измервателния уред 3, в m 3;
V N - обемът на метановия газ, редуциран до нормалното състояние, в m 3 N;
T N = 273,16 К - температура при нормално състояние, в К;
T i = t i + 273,16 - температура на метановия газ при състоянието на измерване, в K;
p st - статично налягане на метановия газ при състоянието на измерване, в Pa;
p b - барометрично налягане, в Pa;
p N = 101325 Pa - налягане при нормално състояние, в Pa.
Измерените и изчислени количества са централизирани в таблица 4.1.