лаба ТТД. ТТД ЛАБА №1. Отчет по лабораторной работе определение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха студент гр. 212

Название	Отчет по лабораторной работе определение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха студент гр. 212
Анкор	лаба ТТД
Дата	14.06.2022
Размер	308.52 Kb.
Формат файла
Имя файла	ТТД ЛАБА №1.docx
Тип	Отчет #590017

М инистерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

Кафедра теоретических основ теплотехники

Отчет по лабораторной работе

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ МАССОВОЙ ИЗОБАРНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА

Выполнил: студент гр. 2-12^х

Д.С. Жуков

Принял: доц. каф. ТОТ

И.М. Чухин

Оценка ___________

Иваново 2013

Цель работы

1. Экспериментально определить величину средней массовой теплоемкости воздуха при постоянном давлении c_pm, в интервале температур от t₁до t₂.

2. Сравнить найденную величину c_pm с ее значением из справочных данных [1].

3. Вычислить величины средних теплоемкостей воздуха: массовой при постоянном объеме c_vm; объемных при постоянном давлении и при постоянном объеме при нормальных условиях c_pm; c_vm; мольных c_pm и c_vm и величину к = c_pm/c_vm. Сравнить данные теплоемкости с соответствующими теплоемкостями идеального двухатомного воздуха.

2. Описание экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1

Рис.1. Экспериментальная установка (а) и схема ее рабочей части (б)

Обозначения элементов установки: 1 – кнопка включения установки; 2 – кнопка включения компрессора; 3 – кнопка включения электронагревателя; 4 – ротаметр; 5 – цифровой прибор 2ТПМО; 6 – тумблер включения прибора 2ТПМО; 7 – тумблер переключения измерения напряжений U_o и U_н; 8 – разъемы для подключения вольтметра; 9 – вольтметр; 10 – соединительные провода; 11 – компрессор; 12 – холодильник; 13 – стеклянная трубка; 14 – сосуд Дюара; 15 – нагреватель; 16 – образцовое сопротивление; 17 – выпускное отверстие; 18 – источник постоянного тока; 19, 20 – термопары; 21 – регуляторы напряжения; 22 – кнопки подключения термопар к прибору 2ТПМО
Воздух из помещения лаборатории компрессором 11 подается через спиральную трубку – холодильник 12 и ротаметр 4 по стеклянной трубке 13 в

сосуд Дюара 14. В трубке 13 находится нихромовый нагреватель 15, к которому последовательно подключено образцовое сопротивление 16 (R_o=0,1 Ом). Проходя через трубку 13, воздух нагревается и удаляется из сосуда Дюара 14 через отверстие 17 в помещение лаборатории. Нагреватель 15 подсоединен к источнику постоянного тока 18. Напряжение на нагревателе 15 (U_н) и напряжение на образцовом сопротивлении 16 (U_o) измеряются вольтметром 9. Температуры воздуха на входе в сосуд Дюара t₁ и на выходе из него t₂ измеряются с помощью термопар 19 и 20, подключенных к цифровому прибору 5 (2ТПМО).

Для определения средней массовой изобарной теплоемкости воздуха в опыте определяются:

количество теплоты Q₁₂, подведенной к воздуху за счет электрического нагревателя (его мощность через напряжение и ток);

массовый расход воздуха G, проходящего через установку (посредством ротаметра);

разность температур воздуха на входе и выходе из установки (посредством термопар и показывающего прибора),

На основании этих опытных данных выполняется расчет этой теплоемкости по уравнению

.

3. Проведение опыта и результаты эксперимента

Порядок проведения опыта

Подсоединяем вольтметр 9 с помощью проводов 10 к разъемам 8 на передней панели стенда и устанвливаем его регулятор в режим измерения напряжения постоянного тока до 20 В.
Кнопкой 1 подключем установку к электропитанию.
Кнопкой 2 включаем компрессор.
Кнопкой 6 включем прибор измерения температур.
Тумблер 7 установили в положение U_н.
Включаем питание электронагревателя кнопкой 3 на блоке источника постоянного тока 18 и установили на нем регуляторами 21, ориентируясь по прибору 9, первоначальное напряжение U_н=4 В (тумблер 7 в положении U_н).
Переключив тумблер 7 в положении U_о , замерили по прибору 9 напряжение на образцовом сопротивлении. Значения напряжений U_н и U_о записали в журнал наблюдений.
Через 2 – 3 минуты, когда холодный воздух вышел из сосуда, а сам сосуд Дюара прогрелся, сняли значения температур на входе t₁ и выходе из сосуда t₂ по прибору 5, подключая соответствующие термопары кнопками 22. Записали эти температуры и показания ротаметра 4 по отметкам его шкалы (N – число делений) в журнал наблюдений.
Пункты 5 – 8 повторили для второго значения напряжения на нагревателе 6,02 В.

Результаты этих двух опытов записали в журнал наблюдений.

Журнал наблюдений
Дата «30» сентября 2013 г.

Подпись преподавателя ___________

Подпись студента ________________

Атмосферное давление В=745 мм рт. ст.

Показания термометра в лаборатории t_о=23 ^oC

Опыт	U_н, В	U_о, мВ	t₁, ^оС	t₂, ^оС	N, число делений
1	5,45	36,39	18	35,89	81
2	6,85	45,69	18	47,59	81

4. Обработка результатов эксперимента
Первоначально определяется расход воздуха через установку. Для этого необходимо перевести показания ротаметра в массовый расход воздуха.

Градуировочная шкала ротаметра приведена в табл. 1.

Таблица 1. Градуировочная шкала ротаметра

N, число делений	20	40	60	80	100
Расход , л/ч	87	153	210	288	360
Расход при параметрах воздуха: t_o=24 ^oC, P_o=755 мм рт. ст., ρ₀=1,18 кг/м³

Перерасчет объемного расхода воздуха с параметров градуировочной шкалы ротаметра на действительные параметры воздуха выполняется по формуле

=291,6л/ч*

=290,37 л/ч, (4.1)

288+(360-288)/(81-80)=261,6 л/ч;

=(745мм рт ст*100000 Па/750 мм рт ст)/(8314

/28.96

*291К)=1.19 кг/ м³

где

– объемный расход воздуха по градуировочной таблице ротаметра, л/ч;

– объемный расход воздуха в пересчете на параметры воздуха перед ротаметром в опыте, л/ч;

ρ_о – плотность воздуха по градуировочной таблице ротаметра, кг/м³;

ρ₁ – плотность воздуха при его параметрах на входе в ротаметр, кг/м³.

Плотность воздуха на входе в ротаметр определяется по уравнению

состояния идеального газа

кг/ м³, (4.2)

где Р₁ – давление воздуха на входе в ротаметр, принимается равным атмосферному давлению;

Т₁ – температура воздуха на входе в ротаметр.

Массовый расход воздуха G, кг/с, через установку рассчитывается по уравнению

=1.19 кг/ м³*290,37 л/ч *

=9,6*10^-5 кг/с. (4.3)

Полученную величину расхода воздуха записывают в таблицу результатов обработки опытных данных (см. табл. 2).

Таблица 2. Результаты обработки опытных данных

№ опыта	U_н, В	I, А	t₁, ^оС	t₂, ^оС	∆t, ^оС
1	5,45	0,364	18	35,89	17,89
2	6,02	0,457	18	47,59	29,59

Далее определяется электрическая мощность нагревателя по напряжению U_н и току I. Электрический ток, проходящий через нагреватель, рассчитывается по формуле

, (4.4)

где R_o – образцовое сопротивление 0,1 Ом, подключенное последовательно с нагревателем;

U_o – напряжение на образцовом сопротивлении.

Определение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха может выполняться двумя способами [3].

Определение теплоемкости без учета внешнего теплообмена установки
В этом варианте расчета считается, что вся теплота нагревателя идет только на нагрев воздуха и соответствует выражению

, (4.5)

где ∆t – разница температур воздуха на выходе из сосуд Дюара t₂ и входе в него t₁.

Расчетное выражение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха в этом случае будет соответствовать виду

. (4.6)

Определение теплоемкости с учетом внешнего теплообмена установки
При наличии передачи или получения теплоты воздухом со стороны внешней среды в правую часть выражения (4.5) необходимо добавить второе слагаемое

, (4.7)

где Q_вн – внешняя теплота, подведенная к воздуху или отведенная от него.

Внешняя теплота может быть как положительной, так и отрицательной. При Q_вн>0 происходят потери теплоты во внешнюю среду через стенки сосуда Дюара или часть теплоты электронагревателя идет на прогрев стенок этого сосуда. В случае когда Q_вн<0, нагрев воздуха частично осуществляется за счет того, что сосуд Дюара имеет температуру выше, чем температура воздуха в нем (такое возможно, когда опыт проводится на неостывшей установке).

Для учета внешней теплоты при определении теплоемкости принимаем в качестве постоянных расход воздуха, теплоемкость воздуха и внешнюю теплоту. Определение теплоемкости в этом случае ведется по результатам двух опытов. Записав уравнение (4.7) для двух опытов как

и вычтя из первого второе, получим соотношение

. (4.8)

Расчетное выражение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха в этом случае выразится как

. (4.9)

=1020,9 Дж/кг*К
Далее необходимо сравнить найденную величину c_pm с ее значением из справочных данных [1] и оценить относительную погрешность опытных результатов по сравнению со справочными данными.

Таблица 3. Теплоемкости воздуха

Средние теплоемкости воздуха
		c_pm,		c_vm,		c_pm,		c_vm,		c_pm,		c_vm,		к
_{№ опыта}
1		1.155		0.868		33.419		25.137		_1.493		_1.122		_1.33
2		1.102		0.815		31.913		23.602		_1.425		_1.053		1.35
Среднее		1.020		0.842		32.666		24.340		_1.₁₅₉		_1.088		1.34
Теплоемкости идеального воздуха
	c_p,		c_v,		c_p,		c_v,		c_p,		c_v,		к

	1.004		0.717		29.075		20.761		1.3		0.927		1.4

На основании определенной опытным путем c_pm вычислить величины средних теплоемкостей воздуха: массовой при постоянном объеме c_vm; объемных при постоянном давлении и при постоянном объеме при нормальных условиях c_pm и c_vm; мольных c_pm и c_vm и величину к = c_pm/c_vm. Сравнить данные теплоемкости с соответствующими теплоемкостями идеального двухатомного воздуха, используя расчетные выражения этих теплоемкостей, полученных в соответствии с молекулярно-кинетической теорией идеального газа [2]. Результаты расчетов свести в таблицу (см. табл. 3).
c_vm₌

c_vm₍₁₎₌_{1155 Дж/кг*К – 8314 Дж/кмоль*К/28.96}кг/кмоль=868 Дж/кг*К

c_vm₍₂₎₌_{1102 Дж/кг*К – 8314 Дж/кмоль*К/28.96}кг/кмоль=815 Дж/кг*К
c_pm=* c_pm

c_pm_(1)=28.96_{кг/моль*1155}Дж/кмоль*К=33449 Дж/кмоль*К

c_pm_(2)=28.96_{кг/моль*1102} Дж/кмоль*К=31913 Дж/кмоль*К
c_vm₌* c_vm

c_vm_(1)=28.96_{кг/моль*868}Дж/кмоль*К=25137 Дж/кмоль*К

c_vm_{(2) =28.96}_{кг/моль*815}Дж/кмоль*К=23602 Дж/кмоль*К
c_pm=

_c_pm(1)=_=1.493

_c_pm(2)=_=1.425
c_vm₌
_c_{vm(1)= =1.122}

_c_{vm(2)= =1.053}
_{Коэффициент}_{Пуассона}_:_K₌

_K_(1)=1.493_{/1.122 =1.33}

_K_{(2)= 1.425 /1.053 =1.35}

_=1,59%
_{5. Расчет погрешности}

Подставив найденные данные, получим относительную погрешность изобарной теплоемкости, равную 1,59%.
6. Выводы по работе
_{1.В ходе данной работы были экспериментально определена средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении.}

_Cpm_{= 1152 Дж/кг*К, 1102 Дж/кг*К, 1020 Дж/моль*К в интервале температур от 18}_°_{С до 35,89}_°_{С в первом опыте, в интервале температур от 18}_°_{С до 47,59}_°_{С во втором. Также была определена их средняя величина.}

_{2.Сравнив найденные величины}_Cpm_{с её значениями из справочных данных (С}_p_{=1.003-1.008 КДж/(кг*К) в интервале температур от 10}_°_{С до 80}_°_{С) установили: наименьшую погрешность имеет опытное значение теплоемкости С}_pm_{=1020 Дж/(кг*К), полученное в результате опыта 2. Относительная погрешность этого значения составляет 1,59% по отношению к значениям справочных данных.}

_{3. Вычислив величины средних теплоемкостей воздуха: массовой при постоянном объеме}_Cvm_{; объемных при постоянном давлении и при постоянном объеме при нормальных условиях}_C_’_pm_;_C_`_vm_{; мольных}_µС_pm_{и µС}_vm_{и величину К= С}_pm_/С_vm_{и сравнив с данными теплоемкости идеального двухатомного воздуха, мы получили допустимую погрешность, связанную с возможной неточностью снятых измерений.}

Библиографический список.

1. Чухин И.М. Термодинамические свойства воздуха: Справ. материалы и метод. указания для определения термодинамических свойств воздуха с учетом влияния температуры на их изобарную и изохорную теплоемкость / Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2001. – 36 с.

2. Чухин И.М., Техническая термодинамика. Часть 1., Учебн. пособие, ИГЭУ, 2006, 224 с.

3. Чухин И.М. Пекунова А.В. Определение средней массовой изобарной теплоемкости воздуха. Метод. указания к лаб. работе. ИГЭУ, Иваново, 2005, 16 с. (№1733)

Содержание

1. Цель работы……………………………………………………………………………2

2. Описание экспериментальной установки…………………………………………2

3. Проведение опыта и результаты эксперимента…………………………………3

4. Обработка результатов эксперимента………………………………...................4

5. Выводы по работе…………………………………………………….......................8

6. Библиографический список………………………………………..........................9