Лабораторная работа № 2 Определение теплоёмкости воздуха при атмосферном давлении.

Цель работы – определение изобарной теплоёмкости воздуха при атмосферном давлении и температуре, близкой к комнатной. Определения проводят методом протока. Теплоёмкость газов и паровпочти всегда определяют в проточном калориметре. Для этого пропускают через него газ , а в калориметре к газу подводят теплоту. Схема калориметра показана на рис.14

Рис.14

Для сечений 1 и 2 калориметра запишем полное уравнение первого закона термодинамики для потока (поток стационарный):

, (2.1)

где - теплота, подведенная электронагревателем к 1кг газа, который проходит через калориметр;- тепловые потери в окружающую среду в расчёте на 1кг газа.

Так как скорости газа имало отличаются друг от друга, то техническая работа не выполняется, разницейможно пренебрегать, так как, соответственные члены из уравнения (2.1) выпадают и остаётся

. (2.2)

Воздух при атмосферном давлении по своим особенностям очень близок к идеальному газу, а энтальпия идеального газа зависит только от температуры, итак:

. (2.3)

Таким образом, для конечного повышения температуры

, (2.4)

где - средняя теплоёмкость в данном интервале температур.

Подставляя разницу энтальпий из (2.4) в (2.2), получаем

(2.5)

Величины ирассчитаны на 1кг газа. ДляМ кг газа, теплота подведенная от нагревателя и потери теплоты соответственно составляют:

Вт; ,Вт;

и формула (2.5) принимает вид , (2.6)

Отсюда средняя массовая теплоёмкость при постоянном давлении составляет

(2.7)

Описание установки

Схема установки для определения теплоёмкости изображена на рис.15. Главный элемент установки – проточный калориметр 2, сделанный в виде стеклянной трубы с двойными стенками, покрытыми серебром. Пространство между оболочкой 3 и внутренней трубой 2 вакуумизируют, что позволяет свести к минимуму потери теплоты в окружающую среду и не учитывать их при определении теплоёмкости. Тогда. Если мощность нагревателя равна,Вт то за час секунд количество теплоты, отданной нагревателем, составляет:

(2.8)

Рис.15 Схема исследовательской установки для определения изобарной теплоёмкости

Электронагреватель 4 (спираль), расположенный в середине калориметра, и потребляет переменный ток. Мощность нагревателя регулируется путём изменения напряжения с помощью автотрансформатора 8 и измеряется ваттметром 9. Воздух в калориметр подаётся вентилятором 7, температуры воздуха при выходе t₂ и на входе t₁ измеряются термометрами 1,5. Объём воздуха, который проходит через калориметр измеряют счётчиком 6, время , за которое проходит измеренный объём _, измеряют секундомером.

Выполнение работы и обработка её результатов.

В начале опыта необходимо включить вентилятор и установить определённый расход воздуха через калориметр. Затем включить нагреватель и, регулируя его мощность автотрансформатором, установить на выходе из калориметра постоянную температуру в пределах 35…40 С

После достижения стационарного режима, 3-4 раза с интервалом в 2 минуты выполнить запись параметров всех устройств. Следует считать, что стационарный режим будет достигнут тогда, когда температура на выходе из калориметра станет постоянной. Опыты проводят при разных мощностях нагревателя. После завершения опыта надо выключить нагреватель, вентилятор и измерить давление воздуха Р барометром, который есть в лаборатории.

Во всех дальнейших расчётах используют среднее во время опыта значение параметров, которое определяют как среднеарифметическое из записанных показателей данного устройства.

Масса воздуха М рассчитывается по объёму V, померенному измерителем по уравнению Менделеева-Клапейрона

‚ кг/с , (2.9)

где Р – атмосферное давление, Па, которое измеряется барометром; газовая постоянная воздуха,Дж/ кг К;

T- температура воздуха в лаборатории равна температуре при входе в калориметр, К.

Расход воздуха через калориметр составляют:

. (2.10)

Учитывая выражения (2.8) и (2.10) формула для определения средней массовой изобарной теплоёмкости (2.7) принимает вид:

‚ Дж/кг К (2.11)

где N- мощность нагревателя.

Объёмная изобарная теплоёмкость определяется по формуле:

,Дж/м³ К (2.12)

где  - удельный объём воздуха при н.у., м³/кг