физика. Техническая термодинамика 44. 03. 04 Профессиональное обучение (по отраслям) Профиль Сервис мехатронных систем Форма обучения очная 2 Паспорт оценочных материалов по дисциплине
 Скачать 1.33 Mb.
|
|
3. Оценочные средства 3.1. Практические работы Общие рекомендации к решению задач 1. Внимательно проанализируйте условие задачи, установите величины, которые требуется определить в задаче. 2. Сделайте краткую запись условия, переведя численные значения величин, данных в условии в систему СИ, и укажите единицы их измерения. 3. Сформулируйте все упрощающие предположения, которые необходимы для решения задачи. 4. При необходимости, сделайте рисунок, поясняющий условие задачи. 5. Выявите физические явления, которые описываются в задаче и запишите физические законы (уравнения), которые их объясняют. 6. Решите полученную систему уравнений относительно искомых физических величин. 7. Проверьте полученное решение на соответствие размерности. 8. Проведите вычисления и оцените разумность полученного числового ответа. Проводя вычисления, помните, что числовые значения физических величин всегда являются приближенными и точность числового ответа не должна превышать точности величин, заданных в условии задачи. Практическая работа 1. Уравнения состояния. Расчет термодинамических параметров. Рекомендации к решению задач: 1. Выясните, какой одно- или многоатомный газ участвует в процессе, какие параметры меняются, а какие остаются постоянными. 2. Сделайте, если возможно, схематический чертеж, указав при этом, какие параметры характеризуют каждое состояние газа. 3. Особое внимание уделите параметрам, заданным неявно; иногда для нахождения объема газа нужно использовать соответствующие математические соотношения (например, для нахождения объема, если газ заключен в сосуд в форме цилиндра). 4. Для каждого состояния запишите соответствующие уравнения и решите в общем виде полученную систему уравнений относительно искомых величин. Задачи: 1.1. – 1.27. 9 Источник: Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова, Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010. – 104 с. Практическая работа 2. Первый закон термодинамики. Рекомендации к решению задач: 1. Определите тип процесса, выберите соответствующие выражения для теплоемкостей и работы. 2. При вычислении изменения внутренней энергии идеального газа в заданном процессе определите число молей газа, изменение температуры, учтите число степеней свободы данного газа. 3. Для нахождения недостающих параметров (Р,V, Т, m) воспользуйтесь уравнением Клапейрона-Менделеева. Задачи: 4.1. – 4.21. Источник: Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова, Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010. – 104 с. Практическая работа 3. Расчет изопроцессов. Задачи: 5.162. – 5.194. Источник: 2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1985. – 384 с. Практическая работа 4. Второй закон термодинамики Задачи: 5.195. – 5.204. Источник: 2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1985. – 384 с. Задачи: 5.1. – 4.7. Источник: Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова, Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010. – 104 с. Практическая работа 5. Расчет теплопередачи. Задачи: 3.1. – 3.13. Источник: Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова, Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010. – 104 с. Практическая работа 6. Расчет циклов тепловых машин и установок. Задачи: 5.205. – 5.215. Источник: 2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1985. – 384 с. Задачи: 5.8. – 5.18. Источник: Сборник задач по физике с примерами решений. «Молекулярная физика и термодинамика. Электромагнетизм». Учебное пособие / В.Н. Александров, Н.Б. Виноградова, Е.А. Коротаева; Под ред. В.Н. Александрова. – М.: 2010. – 104 с. 3.2. Лабораторные работы Лабораторная работа 1. Проверка закона изотермического процесса Бойля - Мариотта. 10 Цель работы: экспериментальным путем проверить верность закона Бойля – Мариотта (доказать постоянную PV). Оборудование: виртуальный стенд «Проверка закона изотермического процесса Бойля - Мариотта». Ход работы: 1. Запустить виртуальный стенд. 2. Установить начальные параметры газа: давление P0, температуру t0 и объем V0. 3. Выбрать для исследования газ из пяти возможных: воздух, ацетилен, метан, аргон, углекислый газ. 4. Нажать на кнопку «Пуск» для начала нагревания газа. 5. При достижении кратных температур или давлений останавливать нагрев кнопкой «Пауза». 6. Снять показания установившегося объема газа Vi и давления Pi и найти произведение РiVi. 7. Продолжить нагрев, нажав на кнопку «Пуск». 8. Вновь останавливать нагрев кнопкой «Пауза». 9. Записать значения конечного объема Vi при увеличении давления Pi. 10. Найти произведение РiVi и убедиться в их примерном равенстве, т.е. в справедливости закона Бойля-Мариотта. 11. Определить оценку абсолютной и относительной погрешностей измерения. 12. Данные исследования занести в таблицу. №, п/п газ М, кг/моль (молярная масса) m, кг (масса газа) Начальные показатели P 0 , кПа (давление) V 0 , м 3 (объем) t 0 , С (температура по Цельсии) T 0 , К (температура Кельвина) 11 1 2 Конечные показатели Р i V i , кПа м 3 Р 0 V 0 , кПа м 3 (PV), кПа м 3 (PV) , % Р i , кПа (давление) V i , м 3 (объем) t i , С (температура по Цельсию) T i , К (температура Кельвина) 13. Сформулировать выводы. Контрольные вопросы: 1. Записать уравнение состояния идеального газа. 2. Объяснить в чем состоит суть закона Бойля – Мариотта. 3. Зарисовать график изотермического процесса, и рассказать в чем его отличие от других изопроцессов. 4. Каким физиком было получено уравнение устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газа? Записать это уравнение. 5. Из чего состоит экспериментальная установка? Для чего служат те или иные приборы? 6. Запишите основные приборы и оборудование, необходимые для проведения данной работы. Лабораторная работа 2. Определение отношения теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и объеме. Цель работы: изучение процессов в идеальных газах, определение отношения теплоемкостей = Оборудование: экспериментальная установка ФПТ 1–6. Ход работы: 1. Включить установку выключателем «Сеть». Открыть кран К1 (рис. 1). 2. Для подачи воздуха в сосуд включить переключатель «Микрокомпрессор». 3. С помощью манометра контролируют давление в сосуде. Когда разность уровней воды в манометре достигнет 150…250 мм вод. ст., отключить подачу воздуха. 4. Подождать 2…3 мин., пока температура воздуха в сосуде сравняется с температурой окружающего воздуха , в сосуде при этом установится постоянное давление . Определить разность уровней , установившуюся в коленах манометра, и полученное значение занести в таблицу 1. Таблица 1. № измерения , мм вод. ст. , мм вод. ст. < > 1 2 12 3 4 5 6 7 8 5. На короткое время соединить сосуд с атмосферой, повернув пневмотумблер «Атмосфера» по часовой стрелке до щелчка. 6. Через 2…3 мин., когда в сосуде установится постоянное давление , определить разность уровней , установившуюся в коленах манометра, и полученное значение занести в таблицу 1. 7. Повторить измерения по пп. 2 – 6 не менее 10 раз при различных значениях величины 8. Выключить установку тумблером «Сеть». 9. Для каждого измерения определить по формуле (16) отношение теплоемкостей Найти значение < >. 10. Оценить погрешность результатов измерения. Контрольные вопросы: 1. Что такое изопроцессы и каким законам они подчиняются? Нарисуйте графики этих процессов. 2. Сформулируйте 1 закон термодинамики. Запишите этот закон для изобарного, изохорного, изотермического и адиабатного процессов. 3. Дайте определение удельной и молярной теплоемкости. В каких единицах СИ они измеряются? 4. В чем особенности теплоемкости газа? Выведите формулу для молярных теплоемкостей и идеального газа. 5. Дайте определение числа степеней свободы молекулы. Чему равна величина для 1–, 2–, 3– и многоатомного идеальных газов? 6. Какой процесс называется адиабатным? Выведите уравнение Пуассона. 7. Рассчитайте теоретическое значение показателя адиабаты для 1–, 2–, 3– и многоатомного идеального газа. 8. В чем заключается метод Клемана и Дезорма для определения отношения ? 9. Опишите рабочий цикл экспериментальной установки по диаграмме. 10. Выведите расчетную формулу для определения 11. Как и почему изменяется температура газа в сосуде при проведении опыта? Лабораторная работа 3. Разработка учебно-методических материалов по теме «Основные понятия термодинамики. I закон термодинамики» Цель: сформировать навык разработки учебно-методических материалов (проверочная работа) для формирования у обучающихся духовных, нравственных ценностей и гражданственности средствами предметной области теплотехники Ход работы: Разработать проверочную работу по теме «Основные понятия термодинамики. I закон термодинамики», направленную на демонстрацию студентами своего отношения к тому или иному историческому событию. 13 Целью такой проверочной работы является не оценка знаний по теории предмета, а ознакомление с историческими событиями, которые имеют большое значение для становления научной картины мира, которые являются средством воспитания духовных, нравственных ценностей и гражданственности обучающихся. Требования: не менее 10 заданий. Примерные типы заданий: 1) Описывается историческая ситуация. Требуется дать свою оценку действиям или возможным последствиям. 2) Приводятся цитаты (мысли, размышления) разных исторических личностей о каком-либо явлении. Требуется сформулировать и обосновать свою позицию. 3) Приводятся конструкции, устройства, приборы и т.п., изобретенные историческими личностями независимо друг от друга. Требуется сравнить их по каким-либо параметрам. Лабораторная работа 4. Определение коэффициента теплопроводности воздуха. Цель работы: экспериментальное определение коэффициента теплопроводности воздуха. Оборудование: экспериментальная установка ФПТ 1–3. Ход работы: 1. Включить тумблер «ВКЛ» в модуле «Сеть». 2. Нажать кнопку «U Э» - режим измерения эталонного сопротивления и установить вращением потенциометра "Нагрев" значение U ЭО не более 0,06В (негреющий ток). При этом значение напряжения по R H идѐт незначительный ток, который практически не нагревает вольфрамовую нить. Это позволяет принять установленное значение напряжения на эталонном сопротивлении за U ЭО . Температура нити при этом практически равна температуре стенок, которую измеряют нажатием кнопки «°C». 4. Нажать кнопки «U H » и снять показания U HО . 5. Нажать «U Э » и установить значение U Э в пределах (0,4÷1,4) вращением потенциометра «Нагрев». Проделать 6-7 измерений значений U H , последовательно увеличивая U Э в указанном пределе. Снятие показаний U H Осуществляют, выждав (2-3) минуты после установки U Э 6.Полученные экспериментальные значения внести в таблицу №1 и провести обработку результатов измерения. Ошибку оценить, рассматривая каждое измеренное значение æ как прямое измерение (доверительная вероятность 95%). t 0 = , U ЭО = , U HO = , Таблица №1. N U Э U H ΔT q æ æ ср æ = æ ср± Δæ 1 2 3 4 Методические указания: 14 Коэффициент теплопроводности для идеального газа определяется выражением æ=1/3 v где λ - средняя длина свободного пробега; ρ – плотность газа; C V – удельная теплоемкость при постоянном объеме. В установке ФПТ1 – 3 теплопередача осуществляется от нагретой стабилизированным постоянным электрическим током вольфрамовой нити к окружающей эту нить цилиндрической стеклянной трубке. Нить натянута вдоль длинной оси трубки, а средой, через которую переносится тепло, является воздух (см.рис.). В этом случае решение уравнения Фурье дает выражение для коэффициента теплопроводности в виде: ӕ= ˙ , где D – внутренний диаметр стеклянной трубки; d – диаметр вольфрамовой нити; L – рабочая длина нити; Т – разность температур нити и стенок. Значение D, d, L приведены на установке). Тепловой поток создается путем нагрева нити электрическим током и определяется по закону Джоуля – Ленца: q=I 2 ˙R н , где I – электрический ток через нить; R н – сопротивление нити. Экспериментальная установка позволяет измерить q и Т и тем самым, измерить коэффициент теплопроводности æ. Контрольные вопросы: 1. Что такое теплопроводность? 2. Сформулируйте уравнение Фурье для описания явления теплопроводности. 3. От каких параметров зависит величина теплопроводности? 4. Что показывает коэффициент теплопроводности? 5. Каким образом установка ФПТ 1-3 позволяет установить коэффициент теплопроводности воздуха? Лабораторная работа 5. Определение коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара. Цель работы: экспериментальное определение коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара по скорости испарения жидкости из капилляров. Оборудование: экспериментальная установка ФПТ 1–4. Ход работы: 1. Подать на установку питания, включив тумблер «Сеть». 2. Провести пробные включения цифрового секундомера. Для этого осторожным нажатием первой клавиши «MODE» (либо последовательными несколькими нажатиями этой клавиши) перевести секундомер в режим работы, при котором наблюдается мигание надписей «SUN», «FRI», «SAT» в верхней части табло секундомера. После этого все цифровые индикаторы должны высвечивать цифру нуль. Нажатием третьей клавиши «DATE/UP» запустить секундомер и, спустя малое время, нажатием той же клавиши остановить его. Нажав вторую клавишу «AL- T/SET», занулить табло секундомера. 15 3. Заполнить таблицу «Основные метрологические характеристики приборов» (цифрового секундомера, цифрового датчика температуры, микроскопа). Диапазон измерений секундомера 0-29 мин 59,99 с, температуры – 0-100 ℃. 4. Повернуть тубус микроскопа «на себя» и установить его в положение, удобное для работы. 5. Отрегулировать подсветку капилляра соответствующим потенциометром. 6. При помощи регулировочного винта добиться четкого изображения края трубки – капилляра. Установить край трубки на нулевое деление шкалы микроскопа. 7. Вращая гайку перемещения узла капилляра, найти положение мениска воды. Сфокусировать микроскоп на мениске. 8. Определить расстояние h от края трубки до мениска воды по шкале микроскопа и занести это значение в табл.1. Таблица 1 Результаты измерений Номер измер. h, м n, дел. , с ∆n/∆τ дел./с ∆h/∆τ, м/с Р 0, Па Т, К н, Па , Па D, м/ 1 2 3 4 5 9. Наблюдать изменения уровня воды в трубке по изменению положения мениска относительно шкалы микроскопа. Используя цифровой контроллер для измерения времени, измерить скорость испарения воды, т.е. через каждые 5 делений шкалы окуляра занести в табл.1 значения n и время испарения воды. 10. Сделать 5 измерений положения мениска. При выходе изображения мениска из поля зрения необходимо вращением гайки измерителя вернуть изображение в начальное положение. 11. Измерить температуру воздуха в рабочем элементе. 12. Установить регулятор подсветки капилляра в положение минимальной яркости, после чего выключить установку тумблером «Сеть». 13. По данным табл.1 построить график n= f( ), откладывая по оси ординат число делений n окулярной шкалы микроскопа, а по оси абсцисс – время . По нанесенным опытным точкам провести усредненную прямую и по ее наклону определить среднее значение . Умножая эту величину на цену деления окулярной шкалы, найти среднее значение скорости испарения жидкости с капилляра 14. Используя найденное значение , по формуле (8) вычислить коэффициент взаимной диффузии воздуха и водяного пара, учитывая, что плотность воды = кг/ , молярная масса воды µ=18* кг/моль. Давление насыщенного водяного пара определить из табл.2, где приведена зависимость давления и плотность насыщенного водяного пара от температуры, а давление водяного пара возле открытого конца трубки найти по значению относительной влажности φ (в процентах) в помещении лаборатории: Относительную влажность φ определяем по показаниям психрометра и соответствующей табл.3. 16 Таблица 2 Зависимость давления и плотности насыщенного водяного пара от температуры t, ℃ , кПа * , кг/ t, ℃ , кПа * , кг/ 15 1,704 12,84 21 2,486 18,35 16 1,817 13,65 22 2,642 19,44 17 1,937 14,50 23 2,809 20,60 18 2,062 15,39 24 2,984 21,81 19 2,196 16,32 25 3,168 23,07 20 2,337 17,32 26 3,361 24,40 Таблица 3 Психометрическая таблица относительной влажности воздуха Показания сухого термометра, ℃ Разность показаний сухого и влажного термометров, ℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 100 89 78 68 57 48 38 29 20 11 - 14 100 90 79 70 60 51 42 33 25 17 9 16 100 90 81 71 62 54 45 37 30 22 15 18 100 91 82 73 64 56 48 41 34 26 20 20 100 91 83 74 66 59 51 44 37 30 24 22 100 92 83 76 68 61 54 47 40 34 28 24 100 92 84 77 69 62 56 49 43 37 31 26 100 92 85 78 71 64 58 50 45 40 34 28 100 93 85 78 72 65 59 53 48 42 37 30 100 93 86 79 73 67 61 55 50 44 39 Методические указания: Диффузия – это явление самопроизвольного взаимного проникновения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел. Масса компонента газа, которая переносится вследствие диффузии через поверхность площадью S, перпендикулярно к оси OX, за время, определяется законом Фика: , где D- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии; --градиент плотности компонента газа. Для определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара предназначена экспериментальная установка ФПТ 1-4, общий вид которой изображен на рис. 1. 17 Рис. 1. Рис. 2. Основным элементом установки является микроскоп 4, на предметном столике которого размещены рабочий элемент 5, состоящий из измерителя, к подвижной части которого прикреплен корпус из оргстекла. В отверстии корпуса находится стеклянная трубка (капилляр) с дистиллированной водой. Для подсветки трубки при измерениях применяется фонарь 2, свет от которого передается рабочему элементу по световоду с оргстекла. Яркость свечения лампы устанавливается регулятором «Подсветка капилляра», который находится на передней панели блока приборов 1, установленном на стойке 3. Время испарения воды с капилляра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов, и регистрируется на цифровом индикаторе «Время». Секундомер приводится в действие при включении питания блока приборов. Сброс на нуль значен6ий на индикаторе производится нажатием кнопки «MODE», после отпускания которой снова начинается отсчет времени. Температура воздуха в блоке рабочего элемента измеряется полупроводниковым термометром и регистрируется на цифровом индикаторе «Температура» блока рабочего устройства 6. Цена деления указана на шкале микроскопа. Наиболее распространѐнным методом определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара является метод, основанный на измерении скорости испарения жидкости, частично заполняющей узкую трубку постоянного сечения S, в атмосферный воздух (рис. 2.). На границе с водой (x=0) парциальное давление водяного пара Pп в трубке равняется давлению насыщенного пара Рн при температуре опыта. Давление водяного пара в трубке изменяется вдоль оси X от значения Рн до давления Р1 около открытого конца трубки (x=h), которое определяется влажностью воздуха в лаборатории, следовательно, вдоль оси трубки существует градиент парциального давления , вследствии чего в ней возникает диффузионный поток М пара, направленный вверх. Плотность пара ρп можно выразить через его парциальное давление, используя уравнение состояния идеального газа: . (5) Подставляя полученное соотношение (5) в формулу закона Фика (1), определим массу пара, которая переносится через площадь поперечного сечения трубки за одну секунду: (6) 18 Пренебрегая массой пара, которая переносится конвенционным потоком, который возникает в трубе, массу пара можно выразить через скорость понижения уровня жидкости в капилляре: (7) где - плотность жидкости; - понижение уровня жидкости за время Подставляя полученное выражение (7) в формулу (6), получим Разделяя переменные и интегрируя это равенство, получим ∫ ∫ или ( ) откуда ( ) ( ) где D- коэффициент взаимной диффузии; - плотность жидкости (воды); R- универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль*К); h-расстояние от поверхности воды до верхнего края трубки; Т- температура воды в капилляре и воздуха в лаборатории; - понижении уровня жидкости за время , -молярная масса воды; - давление насыщенного пара; – давление пара, которая определяется влажностью воздуха в лаборатории. Формулу (8) можно использовать для экспериментального определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара, пренебрегая конвекционным потоком пара, который возникает в трубке. Контрольные вопросы: 1. В чем заключается явление диффузии? Какая физическая величина переносится при диффузии? 2. Напишите формулу закона Фика и объясните физический смысл коэффициента диффузии. 3. Какое явление называется испарением жидкости? Как влияет состояние динамического равновесия жидкости и ее пара на процесс испарения жидкости? 4. Какой пар называется насыщенным и что такое плотность насыщенного пара? 5. Что такое парциальное давление? Как можно определить давление смеси газов? 6. Что такое относительная влажность? Как можно измерить эту величину? 7. В чем заключается метод определения коэффициента взаимной диффузии воздуха и водяного пара по скорости испарения жидкости из капилляра? 8. Объясните, почему скорость диффузии много меньше тепловой скорости молекул. |