ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТОПЛИННИЯ КАПАЦИТЕТ НА ВЪЗДУХА
Препис
1 Министерство на образованието и науката на Руската федерация Федерална агенция за образование Саратовски държавен технически университет ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ТОПЛИННИЯ КАПАЦИТЕТ НА ВЪЗДУХА Методически указания за лабораторна работа по курса "Топлотехника", "Техническа термодинамика и топлотехника" "Хидравлика и топлотехника "за студенти по специалности, специалности, Разпространение Одобрено от Редакционно-издателския съвет на Саратовския държавен технически университет Саратов 2006
2 Цел на работата: задълбочаване на знанията в областта на експерименталното определяне на топлинния капацитет на веществата, запознаване с основните методи за провеждане на калориметричен експеримент. В резултат на работата трябва да се научи следното: 1. Физическата същност на топлинния капацитет и факторите, които го влияят. 2. Устройството на калориметъра. 3. Привеждане на обемния дебит на въздуха към нормални условия с помощта на уравнението на Менделеев-Клапейрон. 4. Уравнение на баланса в проточен калориметър. Задача: 1. Определете стойността на средния топлинен капацитет в температурния диапазон от стайна температура до 30-40C. 2. Сравнете получените резултати с литературните данни. 3. Направете доклад за извършената лабораторна работа. ОСНОВНИ КОНЦЕПЦИИ Определянето на количеството топлина, което дадено вещество получава или отделя в процеса на нагряване или охлаждане, е от голямо значение при изчисленията на топлотехниката. Количеството топлина, предадено на газ или пара в различни термодинамични процеси, може да бъде изчислено, като се използва понятието "топлинен капацитет". Специфичният топлинен капацитет е числено равен на количеството топлина, което трябва да се приведе към единицата количество на веществото, за да се промени температурата му с 1 градус в даден термодинамичен процес на промяна на състоянието му. Специфичната топлина зависи от: а). върху физичните свойства на веществото и главно върху атомността: колкото по-висока е атомността на даден газ, толкова по-голям е неговият топлинен капацитет; б). относно естеството на термодинамичния процес на нагряване или охлаждане: при една и съща температурна промяна в процесите на изобарно или изохорно нагряване на газ се изисква различно количество топлина; в). върху температурата на газа, и за реални газове и върху налягането. Като се има предвид естеството на процеса, първоначалното и крайното състояние на веществото в различните части на този процес, е необходимо неравномерно количество топлина за нагряване на газа с една степен. В тази връзка в техническата термодинамика се разграничават средните и истинските топлинни мощности. Средният топлинен капацитет е съотношението на топлината, предадена на газа в процеса, към промяната в неговата температура, при условие че температурната разлика е крайна стойност. 2
3 Истинският топлинен капацитет е съотношението на топлината, предадена на газа в процеса, към промяната в неговата температура, при условие че температурната разлика е изчезващо малка. От дефинициите следва, че специфичното количество топлина, предадено на газа в определен термодинамичен процес, може да бъде определено по формулите: qqctt 2 m t2 t1, (1) 1 t 2 c dt t 1, където ct 2 m е среден топлинен капацитет на газа в разглеждания процес при промяна на температурата му от t 1 на t 2; t1 s е истинският топлинен капацитет на газа. В тази лабораторна работа средният топлинен капацитет на въздуха се определя по време на изобарно нагряване в температурния диапазон от t 1 до t 2. За определяне на топлинния капацитет на въздуха се използва методът на поточната калориметрия. Въздухът тече непрекъснато и с постоянен дебит през калориметъра, в който се намира електрическият нагревател. На входа на калориметъра температурата на въздуха е t 1. В калориметъра той получава топлина от електрическия нагревател, а на изхода има температура t 2. В стационарен режим на работа на инсталацията въздушният поток скорост за единица време, неговата температура на входа и изхода на калориметъра и количеството топлина, подавана във въздуха, остават постоянни. Следователно можем да напишем: Qp Vn с t 2 t 1, (2) където Q p е количеството топлина, подавана във въздуха в калориметъра, равно на Q p = IU, W; V n обемна въздушна струя през калориметъра, намалена до нормални условия, m 3/s; t 1 и t 2 температура на въздуха, съответно, на входа и изхода на калориметъра, C; със средната обемна топлинна мощност на въздуха при нормални условия, J/(m 3 C). Полученият израз (2) ви позволява да определите средния изобарен топлинен капацитет на въздуха за температурния диапазон от t 1 до t 2,3
4 Решаване (2) по отношение на с получаваме, kJ/(m 3 С): Qp с. (3) V t t n Телата в газообразно състояние, достатъчно далеч от състоянието на насищане, могат да се считат за идеални газове. Връзката между параметрите p, V и T се определя от уравнението на Клапейрон-Менделеев: pt Vt pn Vn, (4) Tt Tn, където p t е атмосферното въздушно налягане по време на експеримента, mm Hg; V t - обемният въздушен поток при налягане p t и температура на въздуха на входа на калориметъра T t, m 3/s; p n = 760 mm Hg; T n = 273.15 K; T t = t 1 + T n. Решавайки (4) по отношение на V n, получаваме: V p T t n n Vt. (5) рн Tt Стойността на средната обемна топлинна мощност при постоянно налягане, изчислена съгласно (3), дава възможност да се определят стойностите на средната маса и моларните топлинни мощности за същия температурен диапазон. Средният моларен топлинен капацитет, kJ/(kmolk), с изобарно нагряване на въздуха се намира от израза: c c 22.4, (6) където е молекулното тегло, равно на 28.96 kg/kmol за въздух. Средният масов топлинен капацитет (kJ/(kggrad) се определя по формулите: cc c, c, (7) където 0 е плътността на въздуха при нормални условия, 0 = 1.293 kg/m 3. След това можете да изчислите средната топлина капацитет на въздуха при постоянен обем (изохорно нагряване) за същия температурен диапазон