8017

9

Блок питания и регулирования обеспечивает нагрев ядра ячейки измерительной с заданной скоростью ~ 0,1 К/с и автоматическое регулирование температуры охранного колпака.

Скорость разогрева определяется величиной начального напряжения на нагревателе и скоростью его изменения.

Обе эти величины строго фиксированы.

1.4Общие указания по технике безопасности при работе

сизмерителем теплоемкости

1.Измеритель теплоемкости ИТ-С-400 – сложный теплофизический прибор, включающий механические узлы, схему электропитания, термопарные цепи, автоматический регулятор температуры. Различные системы тесно взаимосвязаны, эксплуатация прибора требует понимания работы всех узлов и систем в отдельности и прибора в целом, а также определенных практических навыков. Поэтому студентам самостоятельно пользоваться прибором запрещается.

2.Для улучшения теплового контакта образцов используется специальная смазка. Для образцов, впитывающих смазку, можно использовать графитовый порошок или алюминиевую пудру. Жидкости, порошки исследуются без смазки.

3.К работе с измерителем допускаются лица, ознакомленные с общими правилами техники безопасности, относящимися к эксплуатации электрооборудования с рабочими напряжениями до 1000 В.

4.Запрещается работа измерителя при отсутствии защитного заземления.

5.Необходимо помнить, что разогрев измерителей ячейки производится до температуры 400 °С, поэтому после опыта недопустимо прикосновение к внутренним частям измерительной ячейки. Смену исследуемого образца производить только после охлаждения деталей измерительной ячейки до комнатной температуры.

10

11

1.5Подготовка установки к работе

1.Переводите переключатели «Сеть», «Нагрев» в положение «Выкл.».

2.Подключите блок питания и регулирования и прибор Ф195 к сети

220В, 50 Гц.

3.Установите переключатель «Измерение» в положение «Уст. 0», а

переключатель «Температура» в положение 25 °С.

4.Замкните входные штекеры Ф195 и произведите коррекцию нуля.

5.Взвесьте образец с точностью ±0,001 г и занесите значение в табл. 1.1.

В случае исследования сыпучих веществ или жидкостей сначала взвесить

пустую ампулу, а затем ампулу вместе с испытуемым образцом.

6.Поднимите верхнюю часть измерительной ячейки.

7.Протрите бензином и нанесите тонкий слой смазки ПСМС-4 на контактные поверхности образца, ампулы и крышки. Для образцов,

впитывающих смазку, можно использовать графитовый порошок или

алюминиевую пудру. Порошки, жидкости исследуются без смазки.

8.Установите в ампулу испытуемый образец и закройте ампулу крышкой.

9.Опустите верхнюю часть измерительной ячейки.

10.Включите питание и регулирование, нажав кнопку «Сеть».

11.Выведите по вольтметру блока питания и регулирования напряжение

до нуля.

1.6Порядок проведения опытов

1.Установите переключатель «Измерение» в положение «t1».

2.Включите кнопкой «Нагрев» основной нагреватель и установите по вольтметру блока питания и регулирования начальное напряжение 40 ± 2 В.

3.Включите секундомер при достижении температуры 25 °С (при прохождении стрелки прибора Ф195 через нуль шкалы) и переведите переключатель «Измерение» в положение «t2». Выключите секундомер при прохождении светового указания через нуль шкалы.

4.Запишите показания секундомера в графу « Т » таблицы 1.1.

13

1.7 Оценка погрешности опытов

Логарифмируя и дифференцируя выражение (1.8), получим формулу для расчета максимальной относительной погрешности в экспериментальном определении теплоемкости материалов

Относительная погрешность параметра KТ составляет 2 %, абсолютная погрешность времени

Т 0Т 0,2 с.

Определив все составляющие погрешности и просуммировав их, найдем относительную максимальную погрешность.

1.8 Содержание отчета лабораторной работе

Отчет по работе должен содержать:

1.Краткое описание работы.

2.Принципиальную схему установки определения теплоемкости.

3.Таблицу регистрации результатов эксперимента.

4.Обработку результатов опыта, оценку погрешности эксперимента.

5.Графики изменения удельной теплоемкости материалов от температуры.

6.Сравнение полученных данных с литературными данными.

1.9Контрольные вопросы

1.Понятие о теплоемкости. Факторы, влияющие на нее.

2.Теплоемкость строительных материалов. Характер изменения теплоемкости исследуемых материалов от температуры.

3.Методика эксперимента.

4.Источники возможных систематических погрешностей.

14

2. Лабораторная работа № 2.

«Изохорное нагревание воды и водяного пара»

2.1 Цель работы

Целью настоящей работы является определение зависимости температуры насыщенного пара от давления при изохорном нагревании воды и водяного пара. По результатам опыта необходимо определить теплоту парообразования, степень сухости и энтальпию насыщенного пара для 10 точек,

построить кривую насыщения и график зависимости теплоты парообразования от температуры насыщенного пара.

Прежде чем приступить к проведению опытов, необходимо усвоить краткие теоретические сведения, изучить основные положения техники безопасности и порядок проведения работы.

2.2 Краткие теоретические сведения

Изменение состояния рабочего тела вследствие воздействия на него внешней среды в термодинамике называется процессом. Термодинамический процесс характеризуется изменением основных параметров состояния рабочего тела: давления p, удельного объёма v, температуры T.

Термодинамические процессы могут быть равновесными и неравновесными. Равновесный процесс должен протекать столь медленно,

чтобы в каждый выбранный момент времени значение параметров p, v, T

характеризовали равновесное состояние всей системы, а не отдельной его части. Однако бесконечно медленное протекание процессов практически невыполнимо. Равновесные процессы можно описать графически, при этом кривая процесса характеризует совокупность равновесных состояний системы.

Неравновесный процесс не поддается графическому изображению, т.к. рабочее тело системы одновременно имеет несколько разных значений параметров в различных частях.

В общем случае два любых параметра рабочего тела могут изменяться

15

произвольно, однако наибольший интерес представляют некоторые частные случаи. К числу таковых относится и изохорный процесс равновесный процесс,

протекающий при v = const. Согласно первому закону термодинамики для изохорного процесса dq = du, то есть подводимая к рабочему телу извне теплота идёт целиком на приращение внутренней энергии, отводимая же теплота равна убыли внутренней энергии.

Рассмотрим нагрев сосуда постоянного объема V, в котором заключена жидкость (например, вода) в равновесии со своим насыщенным паром.

Обозначим G массу воды и ее пара, находящихся в сосуде. В этом случае

удельный объем v (м3/кг) двухфазной смеси в сосуде будет равен VG .

Рассмотрим два случая: первый, когда в сосуд залито такое количество воды, что удельный объем двухфазной смеси v1 меньше критического удельного объема vкр и второй, когда v2 >vкр . Выясним, как будет изменяться состояние пароводяной смеси в каждом из этих сосудов при изохорном нагреве от одной и той же температуры Т. Состояние смеси в каждом из сосудов удобно изобразить в Т-v диаграмме (рис. 2.1). Здесь точка 1 соответствует состоянию пароводяной смеси в первом сосуде до нагрева (удельный объем v1 ,

температура Т), точка 2 – состоянию во втором сосуде до нагрева ( v2 , Т).

16

Рис. 2.1

17

Степень сухости x в каждом из сосудов определяется известным

где v и v – удельные объемы соответственно воды и сухого насыщенного пара при температуре Т;

vх – удельный объем двухфазной смеси в сосуде (в данном случае v1 или v2 ).

В процессе изохорного нагрева будет изменяться соотношение между количеством воды и пара в сосуде, то есть будет изменяться величина х степени сухости двухфазной смеси. Как видно из рис. 2.1 при v1 = const в начале нагрева степень сухости смеси растет, затем уменьшается и на нижней пограничной кривой равна нулю. При v2 = const ( v2 >vкр ) степень сухости пара всегда увеличивается. При достижении температуры ТА (нагрев при v1 = const) весь пар в сосуде сконденсируется. (ТА это температура, при которой удельный объем кипящей воды равен v1).

Во втором сосуде нагрев сопровождается увеличением степени сухости смеси, уровень испаряющейся вода в сосуде понижается. При достижении температуры ТВ весь сосуд заполняется сухим насыщенным паром и дальнейший нагрев происходит в области перегретого пара.

Если бы удельный объем vx был равен удельному объему vкр, то в двухфазном состояний вода находилась бы при максимальных температуре и давлении.

Зависимость между давлением насыщенного пара pн и температурой насыщенного пара Тн может быть представлена в p-Т диаграмме линией,

называемой кривой насыщения.

18

Рис. 2.2

Каждой точке кривой насыщения соответствует состояние равновесия жидкой и паровой фазы. Оканчивается кривая критической точкой «К»

(рис. 2.2). Выше и ниже этой кривой фазового равновесия расположены области однофазного состояния вещества: А – жидкая фаза; Д – паровая фаза.

На кривой насыщения свойства вещества изменяются скачком: при давлении, несколько выше давления насыщенного пара pн вещество является жидкостью, при давлении немного ниже pн – паром. В p-v диаграмме фазовый переход изображается горизонтальной линией между нижней и верхней пограничными кривыми. Кривая насыщения является важной характеристикой вещества, необходимой для расчета многих термодинамических свойств. Для этой цели необходимо иметь её аналитическое выражение. Такую упрощенную зависимость можно получить из уравнения Клапейрона-Клаузиуса:

если допустить некоторые упрощающие предположения, а именно: величина r

– не зависит от Т и величина v пренебрежимо мала по сравнению с v (для области низких давлений эти упрощения допустимы). Тогда зависимость pн = f(Тн) примет известный вид