Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия лабораторной установки и функциональное назначение основных элементов установки.

2. Каково назначение термостатирующего цилиндра и какую функцию он выполняет при сжатии и расширении воздуха в бюретке?

3. Какой термодинамический процесс можно исследовать на используемой установке, если выпустить воду из термостатирующего цилиндра и поддерживать в нём вакуум? Какой измерительный прибор необходимо дополнительно установить для этого?

4. Дайте определения понятиям разрежение, вакуум, избыточное, манометрическое, атмосферное, барометрическое и абсолютное давление. Запишите соотношения, связывающие эти давления.

5. Поясните назначение измерительных приборов: барометра, вакуумметра, манометра и мановакуумметра? Какое давление подставляется в термодинамические соотношения?

6. Какие элементы экспериментальной установки образуют дополнительный объём? Является ли он постоянным в опытах, как определяется и от чего зависит?

7. Перечислите основные единицы измерения давления и запишите соотношения между ними.

8. Запишите уравнение состояния для 1 кг идеального газа. Объясните физический смысл и размерности параметров, входящих в это уравнение.

9. Запишите уравнение состояния для 1 киломоля идеального газа. Объясните физический смысл и размерности параметров, входящих в это уравнение.

10. Какие параметры характеризуют состояние рабочего тела?

11. Поясните понятия «термические и калорические параметры состояния рабочего тела»?

12. Изобразите на диаграммах p, и Т,s изотермический и адиабатный процессы сжатия идеального газа, исходящие из общей точки. В каком из этих процессов затрачивается больше технической работы при сжатии до одного и того же давления?

13. Изобразите на диаграммах p, и Т,s изотермический и адиабатный процессы расширения идеального газа, исходящие из общей точки. В каком из этих процессов получается больше деформационной работы при расширении до одного и того же объёма?

14. Какими единицами измерения может быть задано количество вещества, участвующего в процессе? Каковы соотношения между величинами, задаваемыми этими единицами?

15. Как соотносятся между собой теплота и работа в изотермическом процессе? Как можно организовать изотермическое сжатие воздуха в компрессоре?

16. Какая разница между параметрами состояния и функциями процесса? Какие из этих величин характеризуют состояние рабочего тела?

Лабораторная работа № 2 посвящена экспериментальному определению средней изобарной теплоемкости воздуха. Как известно, теплоемкость − это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы количества вещества на один градус в данном термодинамическом процессе. В зависимости от метода определения различают истинную и среднюю теплоемкости.

Истинная теплоемкость − производная от количества теплоты δq по температуре dT (dt) в данном термодинамическом процессе

(6.5)

Истинная теплоемкость изображается на диаграмме T,s подкасательной (с) к кривой процесса в данной точке А (рис. 6.2).

Средняя теплоемкость − количество теплоты q, которое необходимо подвести к единице количества вещества в данном термодинамическом процессе (либо отвести от вещества), чтобы повысить (понизить) его температуру от t₁ до t₂. Этой формулировке соответствует математическая запись

	(6.6)
Истинная и средняя теплоемкости в общем случае − функции процесса. Однако они становятся функциями состояния, когда задан термодинамический процесс.

Рис 6.2. Определение истинной теплоемкости рабочего тела с помощью диаграммы T,s

Средняя теплоемкость в данном процессе может быть определена экспериментально, а истинная рассчитана по (6.5).

Как известно, количество вещества, участвующего в процессе, может быть задано в килограммах, киломолях и нормальных кубических метрах. Поэтому различают массовую, мольную и объемную теплоемкости, имеющие соответственно размерности Дж/(кг·К), Дж/(кмоль·К) и Дж/(нм³·К).

Теплоемкость реального газа в заданном термодинамическом процессе зависти от двух параметров состояния. Чаще всего её представляют в табличном виде в зависимости от температуры и давления либо от температуры и удельного объема (реже). Теплоемкость идеального газа зависит только от температуры c = ƒ(T).

В рамках упрощенной молекулярно-кинетической теории (МКТ) зависимость теплоемкости от температуры не учитывают, а учитывают только её зависимость от строения молекулы вещества, а именно, от количества атомов в молекуле рассматриваемого газа. По этой концепции изохорная и изобарная теплоемкости вещества рассчитываются из соотношений

, ,

где j − количество вращательных внутримолекулярных степеней свободы,

R − удельная газовая постоянная рассматриваемого газа, Дж/(кг·К).

Для одноатомных молекул j = 0, двухатомных 2, трех- и многоатомных 3.

Количество теплоты, подводимое к рабочему телу массой М в заданном термодинамическом процессе (х = const) при изменении температуры от t₁ до t₂ может быть рассчитано из соотношения

.

В данной лабораторной работе определяется средняя изобарная теплоемкость воздуха, так как его давление при нагреве в лабораторной установке не изменяется.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 6.3. Установка состоит из: проточного калорифера 1, электронагревателя 2, автотрансформатора 3, электровентилятора 4, газового расходомера 5, вольтметра 6 и амперметра 7. Кроме того, в лаборатории имеются барометр и секундомер для измерения атмосферного давления и продолжительности опытов.

Рис. 6.3. Схема установки для определения