metodich_lab_teplotekh_701_502

9

Експериментальне дослідження теплоємності газу дає змогу на основі одержаних даних обчислити його ентальпію та внутрішню енергію.

Якщо початок відліку ентальпії, тобто і = 0, взяти при t = 0 ° С, то значення ентальпії ідеального газу можна обчислити у кДж/кг за формулою

За цим рівнянням можна обчислити ентальпію повітря при температурі t2, на виході з калориметра під час досліду. При цьому слід врахувати, що теплоємність cр не залежить від температури. Результати вимірювань заносять до табл. 2.

Таблиця 2

10

Лабораторна робота №3

ДОСЛІДЖЕННЯ ІЗОХОРНОГО ПРОЦЕСУ

Процес, який відбувається при сталому об'ємі, називається ізохорним. Математичний зв'язок між параметрами в ізохорному процесі визначається законом Шарля:

тобто при сталому об'ємі тиск газу змінюється прямопропорційно його абсолютній температурі. Ізохори показані на діаграмах рис. 5. Процес П-І – ізохорне підведення теплоти, П-2 – ізохорне відведення теплоти. Рівняння першого закону термодинаміки для ізохорного процесу має вид (робота не виконується

і = 0)

Рис. 5

Кількість теплоти та зміна внутрішньої енергії у ізохорному процесі визначається за формулою (при cV = const)

Таким чином, уся надана теплота в ізохорному процесі витрачається тільки на зміну внутрішньої енергії. У T-s діаграмі площа під процесом П-І дорівнює теплоті процесу (qV = пл П-1-3-4). При незначній зміні температур, яка має місце в дослідах, залежністю теплоємності від температури можна нехтувати, середню ізохорну теплоємність повітря можна вважати сталою

Опис установки

Схема установки для проведення дослідів показана на рис. 6. Дослід проводиться з повітрям, яке знаходиться в середині герметичної посудини 7. Посудина 7 занурена у воду, яка залита в термостат 12. Температура води в термостаті підвищується електронагрівачем 9. Значення температури води задається

11

електроконтактним термометром 10. При досягненні заданої температури води електронагрівач вимикається, сигнальна лампочка 11 гасне. Рівномірність температури води забезпечується електромішалкою 6. Надлишковий (манометричний)тиск вимірюється манометром 5. Температура повітря визначається за допомогою термопари, гарячий спай 7 якої розташований у середині герметичної посудини, а холодний 2 у пробірці з маслом 1. Покази термопари вимірюються цифровим вольтметром 4. Температуру холодного спаю 2 вимірюють термометром 3.

Рис. 6 - Схема установки для дослідження ізохорного процесу

Виконання роботи

1.Перший відлік роблять при вимкненому електронагрівачі термостата. При цьому фіксують показ манометра 5 Рман, тиск навколишнього середовища Ратм за барометром, ЕРС термопари вольтметром, яка дозволяє визначити температуру повітря в посудині.

2.Встановлюють на електроконтактному термометрі 10 температуру, на

5 °С більшу за попередню, вмикають нагрівач термостата 9. Коли температура води досягає заданої, гасне сигнальна лампочка 11. Після цього починають фіксувати показання термопари вольтметром, через кожні дві хвилини. Остаточне значення показів вольтметра і манометра фіксують тоді, коли попередні й подальші показання термопари будуть однаковими.

3. Встановлюють на електроконтактному термометрі послідовно ще чотири значення температур через кожні 5 ° С, і міряють ЕРС термопари, та надлишковий тиск.

12

Обробка результатів роботи

1. Результати вимірювань та розрахунків заносять до табл. 3.

Таблиця 3

2.На графіку у Т-Р координатах наносять дослідні точки і будують пряму

Т= а×Р, коефіцієнт а визначають за методом найменших квадратів (приклад 3 розділ «Обробка експериментальних досліджень»).

3.Користуючись значенням середньої теплоємності, за формулою (3.4) рахують величину внутрішньої енергії для кожного досліду. За початок відліку

внутрішньої енергії приймають u0 = 0 при t = 0 °С u1 = cV ×t1 = 0,7084 ×t1 .

4.Будують графік u1 = f (t) .

5.Розраховують зміну внутрішньої енергії Dui = ui =1 + u1 для окремих процесів.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Лабораторна робота №4

ГРАДУЮВАННЯ ТЕРМОПАР

Мета роботи – ознайомлення з обладнанням та методикою градуювання термопар. Вимірювання температури термопарою ґрунтується на певній залежності між термоелектрорушійною силою (термоЕРС), що встановлюється з колі з різних провідників, та різницею температур у місцях їх з'єднання. Механізм виникнення термоЕРС пояснюється електронною теорією, згідно з якою концентрація в металах вільних електронів залежить від роду провідника і його температури. У колі з двох різнорідних провідників (рис. 7) в місцях зіткнення

13

двох різнорідних металів, наприклад, у спаї 1, електрони дифузіюватимуть з металу А в метал В в більшій кількості, ніж з металу В в метал А. Отже, метал А заряджатиметься позитивно, а метал В – негативно. Електричне поле, що виникає при цьому в місці зіткнення, заважатиме цій дифузії і коли швидкість дифузійного переходу електронів дорівнюватиме швидкості їх зворотного переходу під впливом поля, що встановилось, наступить стан рухомої рівноваги. За такого стану між металами А і В виникне деяка різниця потенціалів. Оскільки концентрація вільних електронів крім природи провідника, залежить також від температури, то електрорушійні сили (ЕРС) у спаях 1 і 2 будуть різкими. Термоелектричний струм виникає також і в замкненому однорідному провіднику за наявності градієнта температури. В замкнутому електричному колі, яке складається з двох різнорідних провідників А і В, діють одночасно обидва раніше зазначених фактори, що викликають появу у спаях 1 і 2 в залежності від температур t і t0 і матеріалів термоелектродів двох сумарних термоЕРС eAB(t), eВА(t0), узятих при ході по колу проти годинникової стрілки

EAB (t,t0 ) = eAB (t) + eBA (t0 )

з урахуванням, що eBА(t0) = – eАВ(t0), одержимо:

EAB (t,t0 ) = eAB (t) − eAB (t0 ) .

Таким чином ЕРС, яка виникає в електричному колі з різнорідних провідників, місця спаїв яких мають різні температури, дорівнює різниці ЕРС eAB(t) і eВА(t0). Оскільки значення цих ЕРС визначається температурами місць зіткнення, у загальному вигляді залежність термоЕРС, яка виникає в колі з двох різнорідних провідників, можна подати так:

Спай 2, розміщений у середовищі, температура якого визначається, називається робочим або гарячим, а спай 1 – холодним. Градуювальною називається залежність різниці температур гарячого, і холодного спаїв від ЕРС, коли температура холодного спаю становить 0 °С.

Градуювальну залежність (4.2) знаходять дослідним шляхом. ТермоЕРС вимірюють цифровим вольтметром. Для приєднання вольтмера слід розірвати

14

один з провідників (рис. 8), або ланцюг термопари у спаї 1 (рис. 9). Незважаючи на зовнішню відмінність цих схем (рис. 8, 9) термоЕРС, що розвивається термопарами, в обох випадках буде однакова, якщо однаковими будуть температури холодних та гарячих спаїв. ТермоЕРС термопари не змінюється від уведення в її коло третього провідника, якщо температури кінців цього провідника однакові. Цей факт свідчить про те, що спосіб виготовлення спаїв (зварювання, спаювання і т.д.) на величину термоЕРС не впливає, якщо розміри спаю такі, що температура його в усіх точках однакова.

Опис установки для градуювання термопар

Градуювання термопар можна здійснювати двома способами:

1)по постійних точках плавлення (затвердіння) хімічно чистих речовин;

2)порівнянням їх показів з показами зразкових термометрів, термопар.

Градуювання термопар в інтервалі 0...200 °С здійснюють порівнянням з лабораторним термометром, ціна поділки якого становить 0,1 ° С. Установка для градуювання термопар зображена на рис. 10.

Рис. 10 - Схема установки для градуювання термопар 1 – термостат; 2 – термопара; 3 – посудина Дьюара; 4 – вольтметр; 5 – лабораторний

термометр; 6 – електроконтактний термометр 7 – електромішалка; 8 – електронагрівач.

Термостат заповнюють дистильованою водою в разі градуювання від 0 до 100 ° С або трансформаторним маслом при градуюванні в інтервалі 0...200 ° С. Робочі спаї термопар щільно прикріплюють ниткою до ртутного балона термометра і занурюють у пробірку з трансформаторним маслом, яку опускають у термостат. Аналогічно розміщують холодний спай в посудині Дьюара з танучим льодом.

Термостат має елетроконтактний термометр, який дозволяє підтримувати в термостаті необхідну температуру з точністю до 0,1 ° С. Настроювання контактного термометра здійснюється обертанням магнітної головки, що призводить до зміни положення рухомого контакту. Коли стовпчик ртуті доходить до рухомого контакту, нагрівач вимикається і гасне сигнальна лампочка.

15

Виконання роботи

Роботу необхідно виконувати в такому порядку.

1.Виготовити термопару.

2.Підключити термопару до вольтметра, встановити робочий спай разом з лабораторним термометром у термостат, а холодний спай в посудину Дьюара.

3.Ознайомитись з установкою для градуювання термопар, правилами користування термостатом та вимірювальними приладами. Установку вмикають після дозволу викладача.

4.Вимірюють вольтметром ЕРС термопари та температуру гарячого спаю лабораторним термометром.

5.Вмикають термостат, потім мішалку і нагрівач.

6.Настроюють електроконтактний термометр на температуру, яка вища за

попередню на 5 °С. Після досягнення заданої температури і виходу на усталений режим вимірюють вольтметром ЕРС термопари та температуру гарячого спаю лабораторним термометром. Таким чином виконують 8-10 дослідів при різних температурах гарячого спаю. Одержані результати заносять до табл. 4.

Таблиця 4

7. На графіку у t-E координатах наносять дослідні точки і будують градуювальну залежність t = a1E, коефіцієнт а1 визначають за методом найменших квадратів за формулою:

Лабораторна робота №5

ТЕПЛОВІДДАЧА ТРУБИ ПРИ ВІЛЬНОМУ РУСІ ПОВІТРЯ

Мета роботи – поглиблення знань з теорії тепловіддачі при вільному русі рідини або газу (природній конвекції), ознайомлення з методикою експериментального дослідження процесу та одержання навичок у проведенні експерименту.

В результаті роботи повинні бути засвоєні основні поняття кoнвективного теплообміну – коефіцієнт тепловіддачі, види конвекції, фактори, які впливають на процес тепловіддачі.

16

Конвективним теплообміном (тепловіддачею) називається сумісний перенос теплоти теплопровідністю і конвекцією від поверхні твердого тіла до рідини або газу і навпаки від рідини або газу до поверхні твердого тіла. Конвективний тепловий потік Qк від поверхні твердого тіла площею F з температурою tсm до рідини або газу з температурою tp визначається за законом тепловіддачі (Ньютона-Ріхмана):

де α, Вт/(м2×К) – коефіцієнт тепловіддачі (теплообміну) від стінки до рідини або навпаки.

Конвекція може бути вільною і примусовою. Вільним називається рух, який виникає внаслідок різниці густин нагрітих та холодних частин рідини. Такий рух завжди виникає навколо тіла, якщо температура його відрізняється від температури навколишнього середовища в гравітаційному полі. Нехай, наприклад, нагріта труба знаходиться в повітрі. Тоді встановлюється нерівномірний розподіл температури і вільний рух повітря. При цьому, природно, теплота, сприйнята повітрям від труби, переноситься ним у навколишній простір.

Кількість перенесеної теплоти буде тим більша, чим більша різниця густин, тобто різниця температур нагрітих і холодних шарів повітря. Отже, тепловіддача тіла в першу чергу визначається різницею температур тіла та навколишнього середовища tcm – tp. Крім того, інтенсивність тепловіддачі залежить також від форми, геометричних розмірів, розташування поверхні у просторі, фізичних властивостей середовища (b, r, ср, l,n), режиму руху та ряду інших факторів. У даній роботі потрібно встановити вплив лише температурного напору tст – tp. Експериментально коефіцієнт тепловіддачі визначається за законом тепловіддачі (Ньютона-Ріхмана):

Отже, щоб знайти значення a з рівняння (5.2), необхідно знати Qк, tcm, tp, F.

Опис установки

Дослідна установка рис. 11 розташована у великій кімнаті з досить стійкою температурою. Об'єктом дослідження є полірована сталева труба 7, розміщена горизонтально (d = 14 мм – зовнішній діаметр; l = 845 мм – довжина труби) або вертикально (d = 14 мм; l = 706 мм). У середині труби знаходиться електричний нагрівач 8. Енергія виділяється по довжині труби рівномірно. Тепловий потік від труби до повітря у стаціонарному режимі визначають за показами ватметра 9. Потужність, яку споживає електронагрівач, регулюють за допомогою лабораторного автотрансформатора 10. Для вимірювання температури стінки, що віддає теплоту, на зовнішній поверхні труб покладено 6-7 мідь-константанових термопар 6. Термопари розташовані вздовж двох протилежних твірних циліндра. Електроди термопар виведені до перемикача 5. Термопари мають спільний холодний спай, розміщений у пробірці з маслом 3. Масло має температуру на-

17

вколишнього повітря. ЕРС термопар вимірюють вольтметром 4. Виміряна в дослідах ЕРС відповідає різниці температур:

Температуру повітря tnов вимірюють на відстані від дослідної труби ртутним термометром.

Рис. 11 - Схема дослідної установки для визначення коефіцієнта тепловіддачі при вільному русі повітря.

1 – пробірка з маслом; 2 – холодний спай; 3 – ртутний термометр; 4 – вольтметр; 5 – перемикач; 6 – гарячі спаї термопар; 7 – труба; 8 – нагрівач; 9 – ватметр; 10 – автотрансфор-

матор.

Виконання роботи та обробка результатів досліду

Після ознайомлення з описом дослідної установки необхідно підготувати форму протоколу для запису спостережень, перевірити правильність включення вимірювальних приладів та наявність масла в посудині 1 холодного спаю термопар. Після перевірки схеми викладачем можна розпочинати дослід. Усі вимірювання виконують при стаціонарному тепловому режимі установки, який характеризується незмінністю показів приладів у часі та встановлюється через 30...50 хв після вмикання або зміни струму. Встановивши потужність нагрівача, треба переконатися, що установка вийшла на стаціонарний режим. Для цього вольтметром фіксують покази однієї з термопар через кожні три хвилини. Як тільки покази термопари почнуть повторюватись (наступний дорівнює попередньому), можна вважати, що установка вийшла на стаціонарний режим. Після цього вольтметром вимірюють покази інших термопар, потужність ватметром, температуру навколишнього середовища термометром, встановленим у пробірці з маслом.

Для переходу на новий температурний режим необхідно змінити напругу на нагрівачі автотрансформатором. Для виконання роботи в повному обсязі необхідно провести досліди при трьох-чотирьох різних температурах стінки в ін-

18

тервалі 10...50 °С. Під час дослідів двері кімнати слід тримати зачиненими, а студентам сидіти на місці. Результати вимірювань та розрахунків потрібно за-

нести до табл. 5.

Увага! Вмикає та вимикає електричний струм викладач!

Для обробки можна використати лише дані, які були одержані за усталеного теплового стану системи. Звичайно беруть середні значення показів приладів трьох останніх записів. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від труби до повітря обчислюють за законом тепловіддачі:

Dt = tcm – tnoв – середня різниця між температурами поверхні труби та навколишнього повітря.

Конвективний тепловий потік визначають як різницю між загальним теп-

де Q – загальний тепловий потік від поверхні труби до повітря теплопровідністю конвекцією та випромінюванням і дорівнює потужності нагрівача.

Променистий потік, який передається трубкою тепловим випромінюванням, визначається за рівнянням

де См – зведений коефіцієнт випромінювання; Тст, Тпов – абсолютні температури дослідної труби та навколишнього повіт-

ря;

F = p × d × l – зовнішня поверхня дослідної труби, м2.

Поверхня навколишніх тіл набагато більша, ніж поверхня дослідної труби.

Тому можна вважати, що зведений коефіцієнт випромінювання См дорівнює ко-

ефіцієнту випромінювання С дослідної труби. Для сталевої слабополірованої

труби можна взяти С = 1,0 Вт/(м2×К4). Розрахункову температуру дослідної тру-

би tсm визначають за середньоарифметичним значенням ЕРС термопар, розта-

градуювальною залежністю. У первинній обробці результати досліду подають у вигляді залежності a = f(Dt) і будують відповідний графік. Залежність a = f(Dt)

узагальнює результати проведених дослідів.