Ступино 2008г

МАТИ» - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. К. Э. Циолковского

Кафедра: «Технология производства авиационных двигателей»

Лабораторная работа:

«Определение удельной теплоёмкости воздуха при постоянном давлении»

по курсу «Термодинамика»

Студент: Иванов А.В.

Группа: 14-3ДС-АДУ-011

Преподаватель: Бабин С.В.

Ступино 2008г.

Введение:

Процессы, протекающие в тепловых двигателях, в значительной мере зависят от параметров рабочего тела. Одним из важных параметров, характеризующим способность газа поглощать или отдавать тепло, является теплоёмкость. Величиной теплоёмкости определяется, например, энтальпия газа, внутренняя энергия и т.д.

В лабораторной работе изучается один из методов экспериментального определения теплоёмкости воздуха в термодинамическом процессе, протекающем при постоянном давлении.

1. Цель работы:

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы студенты ознакомились со способом опытного определения удельной массовой теплоёмкости воздуха при постоянном давлении, приобрели навыки проведения эксперимента и обработки опытных данных.

2. Краткие сведения из теории:

Количество тепла, отведённое от газа или подведённое к нему в различных процессах, определяется разностью температур начала и конца процессов подвода или отвода тепла и теплоёмкостью газа. Теплоёмкость – это способность газа поглощать или отдавать тепло. Эта способность у различных газов различна и характеризуется удельной теплоёмкостью. Удельной массовой теплоёмкостью называют количество тепла, которое необходимо подвести или отвести от одного килограмма массы газа, чтобы температура его в данном процессе изменилась на один градус. Теплоёмкость газа в основном зависит от его физической природы, температуры и характера термодинамического процесса, при котором происходит подвод или отвод тепла.

Зависимость теплоёмкости от температуры объясняется тем, что с увеличением температуры газа для изменения его температуры на один градус необходимо затратить всё большее и большее количество тепла. Это происходит вследствие того, что, при низких температурах, подводимое тепло идёт на увеличение кинетической энергии газа (), при более высоких – на увеличение вращательной энергии молекул газа (), при температурах более 4000-5000К на разрыв связей между молекулами и ионизацию газа, на что необходимо большее количество тепла. Как следует из формулы теплоёмкости (1), при , при увеличении , теплоёмкость С также растёт.

Зависимость теплоёмкости от температуры обычно описывается полиномом рис.1.

Однако для практических инженерных расчётов достаточно линейной зависимости:

Рис.1 Зависимость теплоёмкости газа от температуры.

Влияние характера термодинамического процесса на теплоёмкость газа объясняется тем, что в большинстве случаев при подводе тепла газ одновременно совершает работу или над ним совершается работа, вследствие чего температура газа изменяется не так, как она изменилась бы при расходовании тепла только на нагревание газа. Наиболее важное значение в практических расчётах имеют удельные массовые теплоёмкости газов в процессах при постоянном давлении (С_р) и при постоянном объёме (C_v). В настоящей работе осуществляется экспериментальное определение удельной массовой теплоёмкости воздуха при постоянном давлении.

Одним из методов определения теплоёмкости при постоянном давлении является метод проточного калориметрирования, используемый в настоящей работе применительно к воздуху. Сущность метода заключается в следующем. К потоку воздуха, протекающего непрерывно через калориметрическую трубу, с помощью электрического нагревателя подводится точно измеряемое количество тепла, вследствие чего температура воздуха возрастает.

При установившемся тепловом состоянии системы, количество тепла, выделенное нагревателем, воспринимается воздухом, т.к. при этом расход воздуха поддерживается постоянным, то повышение его температуры в калориметре также сохраняется неизменным по времени.

Таким образом, при течении воздуха через калориметр 1 (Рис.2), его давление Р, температура Т и скорость с остаются постоянными.

К этим условиям применимо уравнение энергии газового потока, которое имеет вид:

Уравнение (3) показывает, что тепло, сообщаемое газу при его движении, расходуется на увеличение его внутренней энергии, на совершение работы перемещения и на увеличения кинетической энергии газа, происходящее при возрастании скорости движения.

Сумма двух полных дифференциалов представляют в виде дифференциала функции состояния (i), называемой энтальпией:

Введя (4) в (3) получаем:

После интегрирования имеем:

Это уравнение, являющееся аналитическим выражением 1^го закона термодинамики в применении к газовому потоку, показывает, что тепло, сообщённое движущемуся газу, может затрачиваться на увеличение как его энтальпии, так и кинетической энергии. В рассматриваемой нами системе (калориметрической трубке) воздух движется с очень небольшой скоростью (1-3 ). Поэтому изменение его кинетической энергии чрезвычайно мало по сравнению с энтальпией, так что им можно пренебречь. При этом допущении уравнение (6) примет вид:

С учётом соотношений, известных с термодинамики, и, считая воздух идеальным газом, (7) можно переписать в виде:

Умножив обе части уравнения (8) на G_b – расход воздуха через калориметр, получаем после преобразований:

Из уравнения (9) получим выражение для подсчёта удельной массовой теплоёмкости:

Величины Q, G_b, T₁, T₂ определяются из эксперимента.

3. Описание лабораторной установки:

Лабораторная установка, схема которой показана на рисунке 2, состоит из многоканального стеклянного калориметра 1, в котором размещён электрический нагреватель 2, служащий для нагрева воздуха.

Калориметр представляет собой многоканальную конструкции с организацией течения воздуха от наружных каналов к внутреннему, в котором размещается нагреватель. Такая организация течения воздуха позволяет уменьшить тепловые потери в калориметре за счёт передачи тепла, идущего от нагревателя в окружающую среду, воздуху, движущемуся по внешним каналам калориметра. Также с целью уменьшения тепловых потерь и увеличения точности проведения эксперимента, калориметр теплоизолирован слоём стеклоткани с внешней поверхностью.

На входе в калориметр, для измерения температуры входящего воздуха, размещена хромель-копелевая термопара 5; температура выходящего воздуха измеряется термопарой 6. Результаты измерений записываются с помощью контрольно-следящего прибора КСП-4 – 3.

Мощность электрического тока, подводимого к нагревателю, регулируется с помощью регулируемого источника питания постоянного тока – 4. С целью изменения мощности, подводимой к нагревателю в калориметре, измеряется напряжение на нагревательном элементе и ток, проходящий через него, соответственно с помощью вольтметра – 11 и амперметра – 12.

Для измерения расхода воздуха через калориметр служит мерная шайба 8 и U-образный пьезометр – 9, заполненный подкрашенной водой. Воздух из помещения прокачивается через систему вентилятором – 10. Расход воздуха через установку регулируется вентилем 13.

Рисунок 2. Схема лабораторной установки для определения Ср.