Лабораторная работа по термодинамике. Цель работы. Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки. Основные положения
 Скачать 188 Kb.
|
|
Цель работы. Определение с помощью уравнения первого закона термодинамики количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки. Основные положения. Одно из возможных формульных представлений первого закона термодинамики в расчете на 1 кг массы рабочего тела имеет вид  , (1)где  – соответственно суммарные количества теплоты и технической работы, переносимые через контрольную оболочку термодинамической системы;Δh – изменение энтальпии рабочего тела, Δh  (2)ΔЭкин – изменение кинетической энергии потока 1 кг рабочего тела  (3)ΔЭпот – изменение потенциальной энергии потока1 кг рабочего тела  (4)h1, W1 и Z1 − соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для входного сечения потока рабочего тела; h2, W2 и Z2 − соответственно энтальпия, скорость и геометрическая высота от условного уровня отсчета для выходного сечения потока рабочего тела. Вся термодинамическая система, представленная на рисунке 1, делится на два участка (две подсистемы): первый участок − от входного сечения I до сечения IIа, а второй – от сечения IIа до сечения II. Каждый из этих участков заключается в свою контрольную оболочку (на схеме показаны пунктирной линией). При установившемся режиме теплообмена в установке внутри и с окружающим воздухом температура трубы (tx) не меняется. В условиях этого стационарного режима работы установки уравнение первого закона термодинамики для 1-го участка (подсистемы) приобретает вид:  , (5)где lэ1 – работа электрического тока, подаваемого на электродвигатель компрессора, определяемая по уравнению:  , (6)где G – расход воздуха, рассчитываемый по показаниям вакуумметра воздухомерного устройства; Nэ – мощность, потребляемая электродвигателем компрессора, оценивается по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности передается воздуху в виде технической работы, совершаемой компрессором, а часть – в виде тепла; qн1 – количество тепла, отдаваемое системой на 1-м участке в окружающую среду. Расчетная схема 1-го участка может быть представлена в следующем виде:  Уравнение первого закона термодинамики для 2-го участка (подсистемы) приобретает вид:  , (7)где lэ2 – работа электрического тока, подаваемого на нагрев трубы, определяемая по уравнению:   , (8)где Nн – мощность, потребляемая на нагрев трубы, преобразуемая целиком в тепло и оцениваемая по показаниям амперметра и вольтметра. Часть этой мощности отводится в окружающую среду; qн2 – количество тепла, отдаваемое системой на 2-м участке в окружающую среду. Расчетная схема 2-го участка может быть представлена в следующем виде:  Для термодинамической системы в целом уравнение первого закона термодинамики образуется суммированием уравнений (5) и (7) и представляется в виде:  , (9)где qн1 + qн2 = qн – общее количество теплоты, отдаваемое в окружающую среду. Схема и описание установки. Рабочее тело − воздух компрессором 1 (см. рис. 1) забирается из окружающей среды, сжимается и поступает в горизонтальный участок трубы 5. Воздух на пути из окружающей среды в компрессор проходит через воздухомерное устройство 2 типа «труба Вентури». Количество воздуха, проходящее через установку, может изменяться с помощью заслонки 3. Параметры окружающей среды измеряются приборами, расположенными на панели 11 «Окружающая среда» (ртутный, чашечный барометр и жидкостно-стеклянный термометр). На панели 4 «Статические напоры», расположены три U-образных манометра для измерения статических давлений в сечениях: «горло» воздухомера (Н), на входе в компрессор (Нв) и за компрессором (Нн). В результате подведенного тепла воздух, проходя от сечения I−I, где его температура равна температуре окружающей среды t1 = tокр, нагревается до температуры t2а, которая измеряется термопарой 6 в комплекте с вторичным прибором.  Рис. 1. Схема установки Для определения мощности, подведенной к электродвигателю компрессора, служит панель 8 «Работа компрессора» с размещенными на ней амперметром и вольтметром. Мощность, расходованная на нагрев горизонтального участка трубы 5, определяется по показаниям вольтметра и амперметра, расположенных на панели 10 «Нагрев трубы». Таблица 1 Протокол наблюдений
Расчетные формулы и расчеты 1 Атмосферное давление находится с учетом температурного расширения столбика ртути барометра по формуле:  , Па.(10)2 Перепад давления воздуха в воздухомере ΔР:  , Па, (11)где ρ – плотность воды в U-образном вакуумметре, равная 1000 кг/м3; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/сек2; Н – показание вакуумметра («горло») воздухомера, переведенное в м вод. ст. 3 Плотность воздуха по состоянию в «горле» воздухомера ρв:  , кг/м3, (12)где R – характеристическая газовая постоянная воздуха, равная 287 Дж/кг · °К. 4 Расход воздуха G  , кг/сек, (13)5 Абсолютное давление в сечении на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу Р2а  , Па, (14)где Нн – показание пьезометра (после компрессора), переведенное в м вод.ст. 6 Плотность воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу ρ2а  , кг/м3, (15)где t2а – температура воздуха на выходе из компрессора и на входе в горизонтальную трубу (сечение IIа), °С. 7 Плотность воздуха на выходе из трубы ρ2:  , кг/м3, (16)где t2 – температура воздуха на выходе из трубы (сечение II), °С. 8 Значение энтальпии воздуха h в сечениях I, IIa и II определяется по общему уравнению  , кДж/кг,(17)где ср – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, которая может быть принята не зависящей от температуры и равной 1,006 кДж/(кг · °С); tj – температура в рассматриваемом сечении, °С; j– индекс рассматриваемого сечения (I, IIa или II). 9 Средняя скорость потока Wjв сечениях IIa и II определяется по общему уравнению  , м/сек, (18)где F – площадь проходного сечения для потока воздуха, одинаковая для сечений IIa и II и равная 1,35 · 10–3 м2; ρj – плотность воздуха в рассматриваемом сечении, кг/м3; j– индекс рассматриваемого сечения (IIa или II). Скорость потока воздуха в сечении I (на входе в воздухомер из окружающей среды) должна быть принята равной W1 = 0. 10 Изменение потенциальной энергии на участке I − IIа ΔЭпот:  , кДж/кг, (19)Так как в данной работе (Z2а – Z1) = 0,4 м, то ΔЭпот = 0,0039 кДж/кгодинаково для всех опытов и сравнительно мало. Поэтому величиной этого слагаемого в уравнении (5) можно пренебречь. 11 Работа электрического тока lэ1 на 1-м участке (подсистеме)  , кДж/кг, (20)где Iк – сила тока, потребляемая электродвигателем компрессора, А; Uк – напряжение, подаваемое на электродвигатель компрессора, В. 12 Работа электрического тока lэ2 на 2-м участке (подсистеме)  , кДж/кг,(21)где Iн – сила тока, потребляемая на нагрев трубы, А; Uн – напряжение, подаваемое на нагрев трубы, В. 13 Результаты расчетов должны быть продублированы в форме сводной таблицы 2. Таблица 2
Окончание табл. 2
14 Пояснения к расчетам некоторых величин при заполнении таблицы результатов расчета – к строке 10:  , кДж/кг; – к строке 11:  ,кДж/кг; – к строке 12:  ,кДж/кг; – к строке 14:  ,кДж/кг; – к строке 15:  ,кДж/кг; – к строке 16:  ,кДж/кг; – к строке 17:  ,кДж/кг. Вывод: в данной лабораторной работе мы определили количества теплоты, отдаваемого в окружающую среду в условиях лабораторной установки с помощью уравнения первого закона термодинамики.  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||