лабораторные работы 2010

УДК 621.016 (075)

Лихачева Г.Н., Троян Е.Н., Меняев К.В. Техническая термодинамика: Методические указания к лабораторным работам для студентов направления 140500 “Энергомашиностроение / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - с.36

Изложены теоретические основы определения термодинамических свойств воздуха, воды и водяного пара, приведены описания опытных установок и методик определения свойств влажного воздуха, исследования кривой насыщения для воды.

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры“Котло- и реакторостроение” Протокол № 1 от

2

Содержание

2.Лабораторная работа № 1. Определение отношения теплоемкостей газов при постоянном давлении и

1.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.1Все студенты, пришедшие в лабораторию, обязаны ознакомиться с правилами техники безопасности, общими по лаборатории и частными к данной работе и строго выполнять их.

1.2При подготовке к работе следует изучить относящийся к ней методический материал, уяснить цель работы, подготовить таблицы для записи наблюдений, ознакомиться с установкой и измерительной аппаратурой.

1.3Перед началом работ студент должен ответить на вопросы по теоретическим основам и методике проведения эксперимента.

1.4В ходе работы требуется вести протокол, куда записываются непосредственно показания всех приборов.

1.5 Полученные данные и все необходимые расчёты и графики оформляются в виде отчёта, который защищается каждым студентом на следующем занятии.

1.6 Перед началом проведения эксперимента необходимо замерить температуру окружающего воздуха и его барометрическое давление.

4

2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ ТЕПЛОЁМКОСТЕЙ ГАЗОВ ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ И ПОСТОЯННОМ ОБЪЁМЕ

Цель работы:

Определение отношения теплоёмкостей газов по методу Клемо- на-Дезорма.

2.1 Методика проведения эксперимента

Наиболее просто отношение теплоемкостей C p определяется для

Cυ

идеального газа, который подчиняется уравнению состояния

Pυ = R T .

Если идеальный газ совершает адиабатный процесс, то параметры начального и конечного состояния связаны уравнением

Логарифмируя это равенство и разрешая его относительно ”К”, получим

Показатель адиабаты ”К” для идеального газа равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объёме.

Методика проведения эксперимента на основе уравнения (2.1) достаточна сложна, так как трудно измерить непосредственно объём

υ2 в конце адиабатного процесса.

Измерения объёмов можно заменить измерением давлений, что значительно проще. Рассмотрим комбинацию адиабатного расширения газа 1 - 2 с последующим изохорным процессом 2-3 (рис. 2.1). Если точки 1 и 3 лежат на одной изотерме (Т1=Т3), то

υ3 / υ1 = P1 / P3 , но υ3 =υ2 и, следовательно,

υ2 / υ1 = P1 / P3

5

Подставив найденное отношение объёмов в (2.1), получим

Описанный метод был усовершенствован Рентгеном, который получил обширный экспериментальный материал для большинства идеальных газов при комнатной температуре [1].

2.2 Описание установки

Установка состоит из сосуда 2 (рисунок 2.2) с трёхходовым краном 1 и U-образного манометра 4. Заполнение сосуда воздухом производят с помощью груши 3. Избыточное давление в сосуде 2 замеряют U-образным манометром 4. Трехходовой кран 1 позволяет соединять сосуд попеременно либо с грушей , либо с атмосферой , либо совершенно отсоединять сосуд от источника сжатого воздуха и атмосферы .

2.3Порядок проведения опыта

Спомощью груши нагнетают в сосуд воздух так , чтобы перепад

уровней по манометру Н1 был не менее 1500-2000 Па.

После заполнения сжатым воздухом сосуд примет температуру окружающей среды.

Равенство температур воздуха в сосуде и окружающей среде со-

ответствует установившемуся перепаду давления Н1 по манометру (состояние 1 с давлением Н1 на рисунке 2.1, Р1=Ра+Н1). Соединив сосуд

сатмосферой , осуществляют адиабатное расширение, воздуха до ат-

мосферного давления P2 (процесс 1 - 2 на рисунке 2.1, Р2=Ра).

В момент окончания адиабатного расширения, что соответствует нулевому перепаду давлений по манометру, быстро перекрывают кран, разобщая сосуд с атмосферой. Соответствующее состояние газа в сосуде изобразится точкой 2 на диаграмме p −υ.

Так как температура воздуха в сосуде в процессе адиабатного расширения падает, то в момент закрытия крана она будет ниже температуры окружающего воздуха. Воздух в закрытом сосуде будет нагреваться при постоянном объеме (процесс 2 - 3 на рисунке 2.1) за счет теплообмена с окружающей средой.

6

Рисунок 2.1 – Диаграмма изменения состояния воздуха

1 – трехходовой кран; 2 – сосуд; 3 – груша; 4 – манометр Рисунок 2.2 – Схема экспериментальной установки

7

Процесс прекращается, когда температуры в помещении и сосуде станут равными, что соответствует установившемуся перепаду давлений Н2 по манометру (на рисунке 2.1 точки 3 и 1 лежат на одной изо-

терме Т1 = Т3, Р3=Ра+Н2).

Опыт проводится 3 раза. Результаты измерений заносят в табли-

цу:

Таблица 2.1 – Протокол измерений

2.4 Обработка результатов эксперимента

Так как в выражении (2.1) отношение давлений порядка единицы, то для вычисления "К" оно может быть упрощено. Разлагая логарифмы отношения в ряд и ограничиваясь линейным приближением, получим

Поскольку в это выражение входят разности давлений, то от абсолютных давлений P1, P2, P3, входящих в уравнение (2.3), можно перейти к избыточным Н1 и Н2, измеряемым в опыте

По вычисленным с помощью (2.4) значениям "К" находят среднюю величину показателя адиабаты и сравнивают его с табличным [1]

Kср = K1 + K2 + K3 .

3

Рассмотренный способ определения величины "К" не является достаточно точным, так как действительный процесс расширения идет

не по адиабате, а по политропе с показателем n. Кроме того, из-за колебаний уровней в манометре трудно определить момент, когда давление расширяющегося газа станет равным атмосферному.

8

2.5. Требования к отчету о лабораторной работе

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

2.5.1.Краткое описание установки со схемой измерений.

2.5.2.Протокол наблюдений по форме таблицы 2.1.

2.5.3.Диаграмму измерения параметров состояния в p −υ коор-

динатах, построенную по экспериментальным данным.

2.5.4. Сравнение полученной величины Кср. с табличным значением коэффициента и вычисление относительной погрешности эксперимента.

2.6. Вопросы для самоподготовки

1Основные термодинамические параметры.

2Давление, оказываемое высотой столба жидкости.

3Абсолютное давление, его размерность в «СИ».

4Идеальный газ, его уравнение состояния.

5Газовая постоянная, универсальная газовая постоянная, их физический смысл.

6Изохорный процесс. Связь между основными параметрами.

7Изотермический процесс. Связь между основными парамет-

рами.

8Адиабатический процесс, его уравнение. Связь между основными параметрами.

9Показатель адиабаты К для идеального газа.

10Графическое представление изохоры, изотермы и адиабаты в p,υ- кординатах.

2.7 Литература для самостоятельной работы

1. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. - М.: Энергия,

1964.

2.Зубарев В.Н., Александров А.А. Практикум по технической термодинамике. - М.: Энергия, 1971. с.61-75.

3.Кириллин В.А. и др. Техническая термодинамика: Учебник для вузов /Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин Д.В. - М.: Энергия,1974.

9

3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОЗДУХА

Цель работы:

Изучение теплофизических свойств воздуха и их изменения в ходе термодинамических процессов. Экспериментальное исследование закономерностей поведения газовых смесей. Ознакомление с методикой измерения теплофизических параметров сухого воздуха и его смеси с водяным паром.

3.1 Задание на работу

3.1.1Определить величину средней массовой теплоемкости воздуха при постоянном давлении в пределах от t1 до t2.

3.1.2Построить график зависимости теплоемкости воздуха CР от температуры.

3.1.3Вычислить величины Cυ и коэффициент Пуассона К.

3.1.4Построить h-d диаграмму влажного воздуха по результатам испытаний сушильной установки.

3.1.5Определить массовый расход воздуха, количество испарен-

ной влаги.

3.1.6Оценить тепловые потери калориметра и действительное количество тепла, затраченное на испарение 1 кг влаги.

3.1.7Сравнить полученные величины К. с табличным значением коэффициента и вычислить относительную погрешность эксперимента.

10