Лаб работа № 1 Теплоемкость. Методические указания к лабораторной работе по технической термодинамике для всех специальностей Уфа 2005

• Название: Методические указания к лабораторной работе по технической термодинамике для всех специальностей Уфа 2005
• Дата: 29.10.2022
• Размер: 399.25 Kb.
• Имя файла: Лаб работа № 1 Теплоемкость.pdf
• Тип: Методические указания; #760947

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
Профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра промышленной теплоэнергетики
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ МАССОВОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ
ВОЗДУХА ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ
Методические указания к лабораторной работе по технической термодинамике для всех специальностей
Уфа 2005

Описывается установка и методика проведения эксперимента по определению средней массовой теплоемкости воздуха. Даются рекомендации по определению абсолютных и вычислению относительных погрешностей измерения массовой теплоемкости.
Работа предназначена для студентов всех специальностей и отделений.
СОСТАВИТЕЛИ: Кузнецова В.В., доцент, канд. техн. наук
Молчанова Р.А., доцент, канд. техн. наук
РЕЦЕНЗЕНТ: Глазырина В.М., доцент, канд. техн. наук
© Уфимский государственный нефтяной технический институт, 2005

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с методикой экспериментального определения средних теплоемкостей.
2. Приобрести навыки проведения эксперимента.
ЗАДАНИЕ
Определить экспериментально и расчетом с помощью таблиц величину средней массовой теплоемкости воздуха при постоянном давлении в пределах температур от t
1 до t
2
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
1.1.
Удельной теплоемкостью или просто теплоемкостью называется количество тепла, которое необходимо сообщить телу (газу), чтобы температура его какой-либо количественной единицы в данном процессе изменилась на 1 ºC .
В зависимости от количества газа, к которому относят теплоемкость, различают:
1) массовую теплоемкость – C (на 1 кг газа), кДж/(кг·К);
2) объемную теплоемкость – C’ (на 1 м
3
газа при нормальных физических условиях P = 760 мм рт. ст. и t = 0 ºC), кДж/(м
3
·К);
3) мольную теплоемкость - µC ( на 1 кмоль газа), кДж/(кмоль·К).
Связь между указанными теплоемкостями выражается зависимостями


C
C

;
4
,
22
'
C
C


; н
C
'
C



, где µ – масса киломоля газа, кг/кмоль;
ρ
н
– плотность газа при нормальных физических условиях, кг/м
3
1.2.
Теплоемкость газов зависит от условий протекания процесса: h
v
С
С


, (1) где C – теплоемкость в данном процессе;

C
v
– теплоемкость в изохорном процессе; h – удельная работа, являющаяся функцией процесса.
Для изохорного процесса уравнение (1) примет вид C = C
v
, т.к. h = 0; для изобарного процесса
R
v
C
p
C


, где R – газовая постоянная, кДж/(кг·К).
Это уравнение называется уравнением Майера.
1.3.
Теплоемкость изменяется с изменением температуры (рис.1).
В общем случае эту зависимость представляют уравнением вида
3
t
3
a
2
t
2
a t
1
a
0
a
C







, (2) где a
0
, a
1
, a
2
, a
3
– величины, постоянные для данного газа.
В зависимости от интервала изменения температуры в процессе различают истинные и средние теплоемкости.
Средней теплоемкостью C
m данного процесса в интервале температур от t
1 до t
2
называют отношение количества теплоты, сообщаемой газу, к разности конечной и начальной температур (t
2
– t
1
):
C
m t
2
t
1
C
=
f(
t)
1 2
C
t t
1
t
2 0
Рис.1. Зависимость удельной теплоемкости газа от
температуры

1
t
2
t q
2
t
1
t m
C


. (3)
Истинной теплоемкостью данного процесса называют отношение количества теплоты, сообщаемой газу, к бесконечно малому интервалу температур: t
q
С



. (4)
Для определения количества теплоты необходимо выражение (4) проинтегрировать в пределах от t
1 до t
2
:
 


2
t
1
t dt t
C
q
. (5)
Подстановка уравнения (5) в (3) позволяет получить выражение для определения средней теплоемкости по известной зависимости истинной теплоемкости от температуры:
 
1
t
2
t
2
t
1
t dt t
C
2
t
1
t m
С



. (6)
Среднюю теплоемкость можно также определить по формуле
1
t
2
t
1
t
1
t
0
m
C
2
t
2
t
0
m
C
2
t
1
t m
C





, (7) где
2
t
0
m
C
,
1
t
0
m
C
– значения средних теплоемкостей в интервале температур 0
ºC… t ºC, определяемых с помощью таблиц.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальная установка (рис. 2) представляет собой стеклянный проточный калориметр 1. Движение воздуха через калориметр создается воздуходувкой, а измерение расхода – реометром 4. Нагрев воздуха производится электронагревателем
2, мощность электронагревателя регулируется
ЛАТРом
6, измеряется ваттметром
5.
Температура воздуха на входе и выходе из калориметра измеряется термометрами 3.
Включенная в работу установка должна прогреться и выйти в стационарный режим.
Чтобы зафиксировать наступление стационарного режима, необходимо вести запись показаний термометров.
При стационарном режиме нагрев воздуха в калориметре (∆t = t
2
– t
1
) должен быть неизменным.
При этом основное количество выделяемого электронагревателем тепла идет на нагрев воздуха, а незначительная часть теряется в окружающей среде (

5%).
3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить воздуходувку для протока воздуха через калориметр.
2. Включить электронагреватель на заданную преподавателем мощность.
3. При установившемся режиме ( через 30 мин) произвести 2 – 3 раза запись показаний всех приборов с интервалом времени 5 мин.
К -50 220
В
к воздуходувке
4 3
2 1
3
ЛАТР
6 5
Рис. 2. Схема экспериментальной
установки

4. Отключить электронагреватель, а через 5 мин воздуходувку.
Таблица 1
Журнал наблюдений
Номер
опыта
Мощность
нагревателя W, Вт
Температура воздуха, ºC
Расход воздуха
по реометру V,
л/мин
на входе
t
1
на выходе
t
2
1 2
3
5. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Расчет экспериментального значения средней массовой теплоемкости ведется табличным методом (табл. 2).
Таблица 2
Обработка опытных данных
Наименование
Способ определения
Расчет
1
2
3
1
2
4
5
6
1. Мощность нагревателя W, кВт
Табл. 1 2. Объемный расход воздуха по реометру
V, л/мин
Табл. 1 3. То же V’, м
3
/с
V
4 10 167
,
0
'
V




4. Средняя температура воздуха t m
, ºC
2 2
t
1
t m
t



1
2
4
5
6
5. Плотность воздуха при средней температуре ρ
m
, кг/м
3
Табл. 4 6. Массовый расход воздуха G, кг/с m
'
V
G



7. Нагрев воздуха в калориметре ∆t, ºC
1
t
2
t t



8. Средняя массовая теплоемкость воздуха
C
pm
, кДж/(кг·град)
(экспериментальное значение) t
G
W
pm
С



9. Средняя массовая теплоемкость воздуха
C
pm
, кДж/(кг·град)
(расчетное значение)
По формуле (7)
Для расчета относительной погрешности экспериментальной теплоемкости
(табл. 3) необходимо определить абсолютную погрешность измеряемых параметров. Принято в качестве абсолютной погрешности параметра принимать значение наименьшего деления шкалы (или 0,5 деления шкалы).
Таблица 3
Таблица расчета погрешности измерения
Наименование
Расчетная формула
Расчет
1
2
3
Относительная погрешность измерения мощности δW
W
W


1
2
3
Относительная погрешность измерения температуры воздуха на входе в установку δt
1 1
t
1
t

Относительная погрешность измерения температуры воздуха на выходе из установки δt
2 2
t
2
t

Относительная погрешность измерения расхода δV
V
V

Относительная погрешность экспериментального определения теплоемкости
2
t
1
t
V
W
m
C









5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Студенты допускаются к выполнению лабораторной работы после инструктажа по технике безопасности и соответствующего оформления его в журнале.
Студентам запрещается:
1) Включать и выключать электронагреватель и воздуходувку;
2) Без разрешения преподавателя регулировать мощность электронагревателя и расход воздуха через калориметр.
Студентам разрешается производить операции, связанные с регистрацией показаний контрольно-измерительных приборов установки.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Что такое теплоемкость?
2. Что называется массовой, объемной и киломольной теплоемкостями?
Их размерность.
3. Что понимают под средней и истинной теплоемкостями?
4. Чем объяснить различие в теплоемкостях разных процессов?
5. Теплоемкость в изобарном и изохорном процессах. Связь между ними.
6. Физический смысл газовой постоянной.
7. В чем состоит принцип экспериментального определения теплоемкости?
8. Расскажите устройство экспериментальной установки.
9. Расскажите методику проведения эксперимента по определению средней массовой теплоемкости.
10. Как оценить абсолютную погрешность измерения какого-либо параметра?
11. Чему равны абсолютные погрешности параметров, измеряемых при эксперименте?
12. Как определить относительную погрешность измеряемого параметра?
13. Как рассчитать относительную погрешность экспериментального значения средней массовой теплоемкости?
7. ОТЧЕТ ПО РАБОТЕ
Выполняется в соответствии с требованиями ЕСКД и должен содержать:
1) краткое описание работы;
2) принципиальную схему установки;
3) журнал измерений;
4) таблицу обработки результатов измерений.

ЛИТЕРАТУРА
1. Теплотехника / Под общ. Редакцией И.Н. Сушкина. – М.: Энергия, 1973.
– 479 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.:
Высшая школа, 1980. – 370 с.

Таблица 4
Физические свойства сухого воздуха (P = 760 мм рт. ст.)
t, ºC
ρ, кг/м
3
C
p
,
кДж/(кг·К)
λ·10
2
,
Вт/(м·К)
a·10
6
,
м
2
/с
µ·10
6
,
Па·с
ν·10
6
,
м
2
/с
Pr
0 1,293 1,005 2,44 18,8 17,2 13,28 0,707 10 1,247 1,005 2,51 20,0 17,6 14,16 0,705 20 1,205 1,005 2,59 21,4 18,1 15,06 0,703 30 1,165 1,005 2,67 22,9 18,6 16,00 0,701 40 1,128 1,005 2,76 24,3 19,1 16,96 0,699 50 1,093 1,005 2,83 25,7 19,6 17,95 0,698 60 1,060 1,005 2,90 27,2 20,1 18,97 0,696 70 1,029 1,009 2,96 28,6 20,6 20,02 0,694 80 1,000 1,009 3,05 30,2 21,1 21,09 0,690 90 0,972 1,009 3,13 31,9 21,5 22,10 0,690 100 0,946 1,009 3,21 33,6 21,9 23,13 0,688 120 0,898 1,009 3,34 36,8 22,8 25,45 0,686 140 0,854 1,013 3,49 40,3 23,7 27,80 0,684