Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

53 № 3318

Т 352

Термодинамика и теплопередача

Методические указания к лабораторным работам для студентов II−III курсов специальностей 160201, 160202, 160901, 160702, 280202, 140401 ФЛА; специальностей 260501, 260202 ЭМФ; специальностей 190603, 260601 МТФ всех форм обучения

Новосибирск 2007

УДК 536.24(07)+536.7(07)

         Т 352

Составители: д-р техн. наук, проф. Ю.В. Дьяченко

канд. физ.-мат. наук, доц. М.А. Пахомов

канд. техн. наук, доц. В.А. Спарин

Рецензент канд. техн. наук, доц. Э.В. Клещин

Работа подготовлена на кафедре технической теплофизики

© Новосибирский государственный технический университет, 2007   

Термодинамика и теплопередача

Методические указания к лабораторным работам

Редактор И.Л. Кескевич

Технический редактор Н.В. Гаврилова

Корректор И.Е. Семенова

Компьютерная верстка В.Ф. Ноздрева

Подписано в печать 03.04.2007. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 1,62. Печ. л. 1,75. Изд. № 4053. Заказ № . Цена договорная

О тпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

Лабораторная работа № 1

Измерение теплоемкости жидкостей

Цель работы  экспериментально измерить зависимость теплоемкости жидкости от температуры.

1.1. Теплоемкость

Теплоемкостью тела называют отношение количества теплоты, поглощенной телом в определенном процессе, к изменению его температуры.

С = dQ/dT, (1.1)

где dQ – элементарное количество теплоты; dT – элементарное изменение температуры.

Теплоемкость является экстенсивной характеристикой вещества, т. е. ее величина зависит от массы. Очевидно, что для нагрева 10 кг воды требуется в 5 раз больше теплоты, чем для нагрева 2 кг воды при одинаковом изменении температуры. Поэтому в практике используют удельные теплоемкости, т.е. теплоемкости единицы количества вещества.

В зависимости от способа выражения количества вещества различают:

• массовую теплоемкость с (удельную теплоемкость 1 кг вещества) с размерностью Дж/кг  град;

• мольную теплоемкость с (удельную теплоемкость 1 моля вещества) с размерностью Дж/моль  град;

• объемную теплоемкость с (удельную теплоемкость 1 м³ вещества) с размерностью Дж/м³  град.

Так как 1 моль вещества имеет массу  кг, массовая теплоемкость

с = с/, (1.2)

где  – молекулярный вес вещества.

Так как 1 моль вещества газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 м³, объемная теплоемкость газа

С = с /22,4. (1.3)

Используя взаимосвязь между удельным объемом и плотностью v = 1/, получим

с = с/= сv, (1.4)

где v  удельный объем, м³/кг;   плотность, кг/м³.

Удельная теплоемкость является индивидуальной характеристикой вещества и зависит от вида процесса и температуры. Теплоемкость в процессе с постоянным давлением обозначается с_P, в процессе с постоянным объемом – с_v.

Теплоемкость, определяемая по уравнению (1.1) при бесконечно малом изменении температуры, называется истинной теплоемкостью при данной температуре.

Для процесса (12) с конечным значением изменения температуры от t₁ до t₂ теплоемкость будет

, (1.5)

где q_1–2 – количество теплоты для нагрева единицы количества вещества от t₁ до t₂.

Теплоемкость, определяемая по уравнению (1.5), называется средней теплоемкостью в диапазоне температур от t₁ до t₂.

Очевидно, что истинная температура будет

. (1.6)

При повышении температуры вещества увеличиваются колебательные движения атомов в молекулах, на это необходимо затрачивать все большее количество теплоты. Поэтому чем больше температура, тем больше требуется теплоты для нагрева вещества на один градус. В общем случае зависимость теплоты от температуры представляется уравнением

, (1.7)

где с₀  теплоемкость при t = 0 C; a, b, c…  постоянные коэффициенты.

Для технических расчетов можно пренебречь величиной коэффициентов при степенях температуры больше 1, т.е. использовать линейную зависимость

. (1.8)

Численные значения коэффициентов в уравнении (1.7) обычно находятся экспериментально. В справочной литературе, как правило, приводятся средние теплоемкости в диапазоне температур от 0 C до текущей температуры t.

Используя эти данные, можно рассчитать среднюю теплоемкость для любого диапазона температур (t₂ – t₁)

, (1.9)

где  справочная средняя теплоемкость в диапазоне (0t₂);  справочная средняя теплоемкость в диапазоне (0t₁).

В отличие от газов для жидкостей в настоящее время отсутствует удовлетворительная статистическая теория. Поэтому теоретические оценки теплоемкостей с_P и с_v жидкостей не могут быть сделаны, как, например, для газов и твердых тел. Теплоемкости жидкостей определяются экспериментально или рассчитываются по известным термическим и калорическим свойствам.

Теплоемкости жидкостей очень слабо зависят от давления. Теплоемкости с_P и с_v для жидкостей различаются незначительно и могут возрастать или убывать с повышением температуры.

В приложении приведена зависимость изменения с_P для воды от давления и температуры.

Понятие «теплоемкость» не совсем правильно отражает физическую сущность процессов теплообмена. Этот термин появился, когда в науке господствовала теория «теплорода», некоторой невесомой, неощущаемой среды, находящейся в веществе и способной перетекать из тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

С современной точки зрения теплота – это форма переноса внутренней энергии. Обмен теплом между телами свидетельствует о передаче внутренней энергии от одного тела к другому в форме теплоты, т.е. в форме неупорядоченного хаотического движения частиц, составляющих тело.

Знание теплоемкости веществ позволяет значительно упростить технические тепловые расчеты. Тепловой (энергетический) баланс тела при изменении его температуры описывается уравнением

, (1.10)

где Q  количество теплоты, получаемой (или отдаваемой) телом; M  масса тела; с  массовая удельная теплоемкость; (t₂ – t₁)  изменение температуры тела.