Порядок виконання роботи

1. Автоматичний вимикач на лівій стійці столу перевести у верхнє положення (загоряється сигнальна лампа "Мережа").

2. Увімикнути вакуум-насос.

3. Увімикнути блок витратоміра і, регулюючи краном 11, встановити потрібні витрати повітря через калориметр за показниками приладу 10.

4. Увімикнути кнопку "нагрів", поворотом ручки автотрансформатора 12 встановити напругу нагрівання спіралi по цифровому приладу 13 і визначити силу струму.

5. Увімикнути блок контролю температури і через 2-3 хвилини виміряти температуру повітря на вході і виході калориметра, перемикачем "Контроль точок" по черзі підключаючи до приладу 7 відповідні термопари 4 і 5.

6. За барометром визначити атмосферний тиск Р.

7. Виконати аналогічні виміри при інших витратах повітря через калориметр (2-3 досліди). Експериментальні дані заносять в табл. 2.1.

Обробка результатів експерименту

Середня об'ємна теплоємність повітря в інтервалі температур від t₁ до t₂ визначається за формулою:

, кДж/м³К,

де W = IU ‑ потужність, споживана нагрівачем, Вт;

I ‑ сила струму, А;

U ‑ напруга на спіралі, В;

t₁ та t₂ ‑ температура повітря на вході і вході з калориметра, С.

Витрати повітря, яке протікає через калориметр, приведені до нормальних умов. ₀ знаходять з рівняння ідеального газу:

,

де в лівiй частинi маємо дійсні параметри повітря на вході в калориметр, а в правiй – параметри за нормальних умов.

Середню масову теплоємність повітря знаходимо з виразу:

, кДж/(кгК),

де 22,4 – об’єм 1 кмоля повітря за нормальних умов, м³/кмоль; М – масa 1 кмоля повітря, кг/кмоль.

Розрахункові значення середньої масової теплоємності ізобарного процесу порівнюють з , і оцінюють похибку експерименту визначення середньої масової теплоємності в кожному з дослідів:

.

При похибці більше 10%, даний дослід повторюють для уточнення експе-риментальних і розрахункових даних. Розрахункові дані зводять у табл. 2.1.

Таблиця 2.1.

Журнал спостережень

	Експериментальні дані						Розрахункові дані
№ дослі-ду	t1, 0C	t2, °С	U, В	I,A	Рб, Па	V, м3/с	W, Вт	V0, м3/c	, кДж м3К	, кДж кгК	, кДж кгК	% похиб-ки
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1
2
3

Контрольні питання

1. Які параметри визначають експериментально для оцінки середньої об'ємної теплоємності?

2. Як виконується розрахунок середньої масової теплоємності?

3. Як на установці визначаються потрiбнi витрати повітря, що протікає через калориметр?

4. Від чого залежить теплоємність реальних та ідеальних газів?

5. Як на установці можна змінити кількість тепла, що пiдводиться до калориметру?

Лабораторна робота №3

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА АДІАБАТИ К ДЛЯ ПОВІТРЯ

У термодинаміцi при розрахунках широко використовується коефіцієнт адіабати К, який являє собою відношення теплоємностей за постійного тиску С_р і постійного об’єму С_v:

К = С_р/С_v.

Для кожної групи газів величина К має певне числове значення: для одноатомних газів К = 1,6; для двоатомних (i повiтря) ‑ 1,4; для багатоатомних ‑ 1,3. Для реальних газів коефіцієнт К є величина змiнна, яка зменшується з підвищенням температури.

Величину відношення теплоємностей К газів в області не дуже низьких температур, коли вони можуть з високим ступенем точності задовольняти рівнянню стану ідеального газу P = RT, визначають за допомогою установки (рис.3.1), яка складається з герметично закритого балона 1 місткістю 60 л. Стиснуте у повітродувці повітря подається в балон через кран 2. На верхній кришці балона встановлений кран 3, який служить для випуску повітря в атмосферу. Тиск у балоні вимірюють U-образним манометром 4.

Процеси, що відбуваються в установці, зображені на рис.3.2. Стан газу, що надійшов у балон, характеризується точкою 0. У результаті теплообміну з навколишнім середовищем за постійного об’єму (лінія 0 ‑ 1) температура повітря знижується до Т_ср.. У результаті адіабатичного витікання повітря (лінія 1 ‑ 2) його температура знижується до Т_дійсн, а потім за V = const нагрiвається до Т_ср (лінія 2 ‑ 3).

Рис.3.1. Схема установки по визначенню показника адіабати K

Рис.3.2. Процеси, які відбуваються в установці: а) в P – V координатах; б) в T – S координатах

Вiдношення питомих об’ємiв можна показати через відношення тисків , тобто, . Оскільки питомі об’єми , то . З рiвняння адіабати PV^k = const знайдемо співвідношення:

.

Прологарифмувавши цей вираз, одержимо:

.

Звiдки .

Вимiр питомих об’ємiв дуже складний, тому відношення виражаємо через відповідне відношення тисків . Формула для експериментального визначення К буде мати вигляд:

.

Таким чином, при визначенні К дослiдним шляхом, величинами, що вимірюються, є тільки тиски.

Методика визначення показника адіабати

Приєднують шланг від повітродувки до крана 2. Включають повітродувку і відкривають кран 2. Спостерігаючи за манометром 4, доводять тиск повітря в балоні до 450 – 500 мм вод.ст. Закривають кран 2 і виключають повітродувку. Вичікують якийсь час (6 – 8 хв), доки газ у балоні прийме температуру навколишнього середовища, про що свідчать сталi показаники манометра , мм вод.ст. Знімають показання барометра Р_б, Па. Швидко відкривають кран 3 і відразу ж закривають його. При цьому розширення повітря відбувається так швидко, що з деяким наближенням можна вважати його протiкаючим без теплообміну з навколишнім середовищем, тобто адіабатним. При цьому температура газу в балоні знижується і буде нижче початкової температури, тобто температури навколишнього середовища.

Після закриття крана 3 буде відбуватися ізохорний процес нагрівання повітря в балоні внаслідок теплообміну з навколишнім середовищем, і тиск газу, вимірюваний манометром, буде зростати доти, доки температура газу в балоні не зрівняється з температурою навколишнього середовища. Після настання температурної рівноваги (через 6 – 8 хв.) знімають показання манометра, , мм.вод.ст. Дослід повторюють 3 рази. Отримані дані вносять у журнал спостережень (табл. 3.1).

Обробка результатів дослiду

Показник адіабати К визначають з виразу

,

де Р₁ ‑ абсолютний тиск повітря на початку розширення, Па, Р₁ = Р_1над + Р_б;

Р₂ ‑ абсолютний тиск повітря наприкінці адіабатного розширення, Па, приймаємо Р₂ = Р_б;

Р₃ ‑ абсолютний тиск повітря наприкінці ізохорного нагрівання до температури навколишнього середовища, Па, .

Результати розрахунку заносять у журнал спостережень (табл. 3.1.).

Таблиця 3.1.

Журнал спостережень

№№ дослiду	Початковий тиск повітря в балоні, Р1над		Атмосферний тиск по барометру, Рб,	Кінцевий тиск повітря в балоні, Р3над		Показник адіабати, К
	мм вод.ст.	Па	Па	мм вод.ст.	Па
1	2	3	4	5	6	7
1
2
3

Контрольнi питання

1. Запишіть співвідношення параметрів в адіабатному та ізотермічному процесах.

2. Як обчислити кількість тепла, підведеного до робочого тіла в політропному процесі?

3. Запишіть вираз для обчислення наявної роботи в адіабатному процесі.

4. Яка частка тепла в ізобарному процесі йде на зміну внутрішньої енергії робочого тіла і на роботу розширення?

5. Як змінюється показник адіабати К із зміною температури?

Лабораторна робота № 4

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛЕЖНОСТІ ТЕМПЕРАТУРИ

КИПІННЯ ВОДИ ВІД ТИСКУ В ПРОЦЕСІ ПАРОУТВОРЕННЯ

Процес перетворення речовини з рідини в газоподібний стан називається пароутворенням. Для перетворення рідини в пару необхідно за рахунок підводу теплоти її температуру довести до температури кипіння (насичення) – t_н при даному тиску. Температура насичення і тиск знаходяться між собою у функціональній залежності t_н = f(P), тобто, певному тиску відповідає конкретна величина t_н.

Метод визначення залежності t_н = f(P) заснований на експериментальному визначенні температури кипіння за різних тисків. Для дослідження використовується установка, яка показана на рис. 4.1.

Установка складається з посудини 1, в якій встановлений електронагрівач 2. У корпусі посудини маються вікна 3, через які ведеться спостереження за процесом кипіння. Необхідний тиск у посудинi підтримується вакуум-насосом 4. Температура киплячої рідини вимірюється ртутним термометром або термопарою 5, тиск вимірюється вакууметром 6. За допомогою крана 7 посудина 1 може від¢єднуватись від вакуум-насоса 4.

Рис.4.1. Схема установки

Методика визначення залежності температури насичення від тиску

При відєднаному шлангу вода підігрівається в посудинi 1 до температури 80 ‑ 90С, пiсля чого електричний нагрівач відключають. Потім до штуцера приєднують вакуум-насос і ним в посудині 1 створюють розрідження, яке дорівнює тиску насичення при даній температурі, і вода закипає при виключеному нагрі-вачі. В момент кипіння води в посудинi закривають кран 7. Записують покази приладів. Внаслідок теплових втрат температура води в посудинi знизиться і стане менше t_н, кипіння рідини припиниться. Для створення умов для закипан-ня води створюється інше розрідження вакуум-насосом.

Усі виміри заносяться в журнал спостережень (табл. 4.1.).

Таблиця 4.1.

№ дос-ліду	Експериментальне значення величин		Розрахункове значення Рабс,	Табличне значення tн при Рабс,	Примітки
	tн, С	Р, МПа	МПа	оС
1	2	3	4	5	6
1
1
1

Обробка результатів досліду

Абсолютний тиск киплячої рідини визначають за формулою:

Р_абс = В ‑ Р_вак,

де В ‑ барометричний тиск, МПа;

Р_вак ‑ розрiдження в посудинi, МПа.

За таблицею водяної пари будують графічну залежність температури кипіння від тиску. На отриманий графік наносять точки, визначені в результатi досліду. На основi отриманих даних роблять висновки і пояснюють причини відхилення дослiдних даних від табличних величин залежності температури кипіння від тиску. Потім визначають ентальпiю і питомий об’єм вологої насиченої пари для трьох значень температур (за вказівкою викладача) для Х = 0,8; 0,85; 0,9.

Контрольнi питання

1. Що розуміють під вологою насиченою, сухою насиченою і перегрітою парою?

2. Структура таблиць водяної пари.

3. Визначте повну теплоту і ентальпiю рідини.

4. Визначте ентальпiю та ентропію вологої насиченої пари.

5. Визначте внутрішню енергію сухої насиченої пари.

6. Визначте кількість тепла, що пiдводиться до пари, при ізобарному та ізотермічному її розширенні.

Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ У ВОЛОГОМУ ПОВІТРІ

У даній роботі досліджується процес нагрівання вологого повітря і сушки вологої тканини. У результаті досліджень визначають кількість випареної вологи на 1 кг сухого повітря, витрати теплоти на 1 кг випареної вологи, кількість теплоти, витраченої установкою в навколишнє середовище, і економічність установки.

Методика визначення і розрахунку параметрів вологого повітря в процесi сушки

Експериментальна установка (рис. 5.1) являє собою модель сушильної установки, в якій сушильним агентом є кімнатне повітря, а матеріалом, що висушується, є бавовняна тканина, змочена водою.

Рис.5.1. Схема установки

Основні елементи установки – калорифер 1 і сушильна камера 2. Калорифер 1 складається з співвісних металевих циліндрів, усередині яких розміщений електронагрівач 3, що відключається дилатометричним терморегулятором при температурі повітря вище 100°С. Регулювання температури повітря здійснюється ручкою "Регулювання потужності". Сушильна камера складається з вертикальних труб різного діаметра, вставлених одна в одну, бавовняної тканини 4, рухомого піддона 5, крапельниці 6 і заливної воронки 7. Для зменшення втрат від охолодження сушильна камера теплоiзольована. Сушильна камера з'єднується з калорифером трубою 8, в якій встановлений датчик температури повітря, що надходить до сушильної камери (Т1). Температура повітря вимірюється термопарою Т2.

Зовнішня труба сушильної камери в нижній частині має вихідний патрубок з вихлопною трубою 9, в якій вмонтовані дві термопари: Т3 ‑ "суха" і Т4 ‑ "мокра".

Повітря, подане вентилятором 10, проходить діафрагму 11 і по трубі попадає у вхідний патрубок калорифера 1. Діафрагма 11 з'єднана з дифманометром (датчиком) 12. По кільцевому простору між трубами калорифера повiтря спускається вниз, потім піднімається догори і по сполучнiй теплоiзольованiй трубі надходить у сушильну камеру 2. У сушильній камері повітря надходить униз, потім піднімається догори, омиває зволожену бавовняну тканину 4 і насичується вологою. Для підтримки стаціонарного режиму випарювання вологи, до тканини крапельницею 6 додається по краплях вода. Системи виміру і регування температури, потужності і витрати повітря об'єднані в блоці управління 13, з якого значення параметрів виводяться на табло 15 через перемикач 14.

Рис.5.2. i – d – діаграма для вологого повітря

Відносну вологість повітря, що надходить у калорифер, визначають за показниками сухого і мокрого термометрів окремо встановленого психрометра.

Заводять механізм вентилятора психрометра. Через кожні 30 секунд записують у журнал покази сухого t_c і мокрого t_м термометрів доти, поки температура мокрого термометра не стане щонайнижчою і не почне знову підвищуватися. Покази термометрів заносять у журнал спостережень. За розрахункові температури беруть найнижчі значення t_м і відповідні їм t_с. За даними спостережень на і ‑ d дiаграму наносять точку 1 (рис.5.2), що характеризує стан повiтря, яке подається в калорифер. Положення точки 1 визначає відносну вологість j₁.

Вiдносну вологість можна визначити і за психрометричними таблицями, знаючи різницю показань t_с і t_м.