Порядок проведения работы

Включается электронагреватель и установка прогревается до установившейся температуры, о достижении которой свидетельствуют установившиеся показатели термопар 5.

При стационарном тепловом режиме производится несколько серий замеров по всем точкам с интервалом 2-3 мин.

Значения замеров вносятся в таблицу:

Nп/п	Jн a	Uн в	показатели термопар
			1	2	3	4

Обработка результатов опыта

1. Подсчитываются средние значения измеренных величин.

2. По формулам (1) и (3) определяется . Из выражений (4), (5) и (6) находится _л. Коэффициент _с определяется из равенства (2).

Оценка погрешности

О тносительная погрешность при определении  находится по формуле:

где I,U, F,T – абсолютные погрешности при измерении величин.

Вывод:

Полученные значения коэффициентов теплоотдачи сравнить с их табличными значениями при различных условиях взаимодействия с окружающей средой. В нашем случае при нагревании и охлаждении воздуха значение  может находиться в интервале от 1 до 60 .

Контрольные вопросы.

1. Виды конвективного теплообмена.

2. Физическая сущность конвективного теплообмена при свободном движении среды.

3. Закон Ньютона-Рихмана, коэффициент теплоотдачи.

4. Влияние на интенсивность теплообмена разности температур, физических свойств жидкости, расположение теплоотдающей поверхности в пространстве.

5. Условия подобия физических процессов, критерии подобия, определяющие данный процесс и их физический смысл(R_e, N_u, G_r, P_r).

6. Использование критериальных уравнений для расчета различных случаев теплоотдачи.

7) Порядок выполнения лабораторной работы.

РАБОТА №2

Определение коэффициента теплопроводности изоляционного материала методом трубы

Теплопроводность (кондукция) – это процесс передачи тепла вследствие теплового (хаотического) движения частиц вещества (молекул, атомов, свободных электронов, ионов). В чистом виде теплопроводность встречается в твёрдых телах и в неподвижных слоях жидкости или газа.

Интенсивность переноса тепла в твёрдом теле определяется температурным градиентом и значением коэффициента теплопроводности. Количество тепла, переданное теплопроводностью, может быть определено по закону Фурье:

где - температурный градиент, град/м;

F – поверхность, передающая тепло, м²;

 - коэффициент теплопроводности материала, который является функцией температуры и в более слабой степени – давления, Вт/м_*град;

Q – тепловой поток, Вт.

Для твёрдых тел могут быть получены частные решения применительно к телам определённой геометрической формы при конкретных граничных условиях.

В частности, для плоских стенок одномерного теплового потока уравнение принимает вид:

где F – поверхность, через которую передаётся тепло, м²;

 - толщина стенки в м;

t^|_ст и t^||_ст – температуры с горячей и холодной стороны стенки;

 - коэффициент теплопроводности материала стенки.

Коэффициент теплопроводности численно равен количеству тепла, проходящего через единицу поверхности в единицу времени при разности температур между стенками в один градус на единицу толщины стенки.

R= - термическое сопротивление теплопроводности плоской стенки, град/Вт. Для тел цилиндрической формы тепловой поток равен

l- длинна цилиндра, м;

d₁и d₂ - внутренний и наружный диаметры цилиндра, м;

t^|_ст и t^||_ст - температуры стенок внутренней и наружной поверх­ности цилиндров;

R= -термическое сопротивление теплопроводности цилинд­рической стенки в град /Вт.

Теплопроводность любого твердого вещества состоит из электронной проводимости, обусловленной движением свободных электронов и так называемой ионной проводимости, связанной с тепловыми колебаниями кристаллической решетки.

Соотношение этих проводимостей в различных телах раз­лично.

Для большинства чистых металлов распространение тепла, обусловленное колебанием решетки, можно считать пренебрежимо малым по сравнению с переносом за счет движения свободных электронов. Тепловая скорость движения, этих электронов очень велика. Поэтому металлы являются лучшими проводниками тепла по сравнению с другими телами. Различные металлы различно проводят тепло.

Твердые не металлические тела характеризуются значительно меньшим коэффициентом теплопроводности, особенно диэлектри­ки. Плохая проводимость этих веществ объясняется малой плотностью свободных электронов, поэтому перенос тепла осущест­вляется в них, главным образом, колебаниями атомов кристаллической решетки.

Если же твердое вещество имеет не сплошное, а пористое или волокнистое строение, т.е. имеется наличие пустот, то в этих пустотах находится какая-либо среда, чаще всего воздух. Поэтому в среде, заполняющей поры, перенос тепла осуществляется кроме теплопроводности еще и конвекцией и излучением. С увеличением размеров пор роль конвекции увеличивается. При уменьшении размеров пор и одновременном увеличении их количества получается уменьшение размеров твёрдых частиц, что приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности.

Кроме всего изложенного, коэффициент теплопроводности данного тела зависит от температуры тела, влажности, наличия примесей, рода термической и механической обработки. Следовательно, коэффициент теплопроводности зависит от большого количества взаимосвязанных факторов. Это делает эксперимент практически единственным источником получения точного коэффициента теплопроводности, так как приводимые в таблицах его значения дают зависимость только от температуры и то не всегда.

Значения коэффициента теплопроводности для разных веществ:

для газов 0,006 – 0,6 Вт/м_*град, с увеличением температуры увеличивается.

для жидкостей 0,07 – 0,7 Вт/м_*град, с увели­чением температуры уменьшается, исключением являются вода и глицерин, как сильно ассоциированные жидкости.

для строительных и теплоизоляционных материалов 0,02 – 2,9 Вт/м_*град, с увеличением температуры увеличивается.

для металлов 2 - 396 , с увеличением температуры для чистых металлов убывает.

Материалы с низкими значениями коэффициента теплопроводности (λ<0,25 вт/м^.град) обычно применяемые для тепловой изоляции, называются теплоизоляционными.

Описание установки определения коэффициента  методом трубы.

Изоляционная труба 1 представляет собой асбоцементную трубу с наружным ø…мм и внутренним Ø… мм и длинной l = …мм.

Внутри трубы находится нагреватель (ТЭН). Температура асбоцементной трубы измеряется на внутреннем и наружном диа­метре с помощью термопары или термометра.

Температура внутренней и наружной поверхности исследу­емой трубы измеряется по длине.

Порядок проведения опыта.

Измерения температур проводятся через каждые 7-10 минут и заполняется журнал измерений, в который вносятся показания замеров температуры до наступления установившегося теплового состояния системы. Замеры температур прекращаются тогда, когда показания термопары в течение 2-3 замеров остаются не­изменными. Желательно провести еще одну серию замеров, изме­нив силу тока, питающего нагреватель.

N n/n	Мощность		Показания термопары 0С
	J a	U b	Внутренняя температура t/сm				Наружная температура t||сm
			1	2	3	t|ср	1	2	3	t||ср

Обработка опытных данных.

1. В ычислить коэффициент теплопроводности исследуемого материала по уравнению:

Где Q - количество тепла, определяемое по мощности электрического нагревателя;

l - длинна трубы, м;

d₁ и d₂ - внутренний и наружный диаметры изоляции, м;

t^|_сm и t^||_{сm -} температура внутренней и наружной поверхности изоляции в ^оС.

П олученный коэффициент теплопроводности следует отнести к средней температуре исследуемого материала.

2. Если определяется несколько значений коэффициентов теплопроводности при разных температурах, то строится график зависимости коэффициента от средней температуры исследуемого материала: λ = f (t).

3. Полученные значения сравнить с табличными данными

Материал	t0C	ρ кг/м3			а.106 м2/с
Асбест листовой	30	770	0,1163	0,818	0,198
Асбест волокно	50	470	0,1105	0,818	0,290
Бетон	20	2300	1,28	1,13	0,494

4. Вычислить значение критического диаметра для иссле­дуемого материала. Критическим диаметром называется такой, величина которого соответствует полному минимальному терми­ческому сопротивлению передачи тепла. По величине критичес­кого диаметра судят о пригодности или непригодности теплои­золяционного материала в данном конкретном случае.

Чтобы теплоизоляционный материал работал надежно и эффективно необходимо иметь d _{кр } d₂

Критический диаметр вычисляется по формуле:

_ср - среднее значение коэффициента теплопроводности ма­териала, полученного при опыте.

₂ - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающему воздуху.

₂ = 8,4 + 0,06(t^||_сm - t_окр), Вт/м²_*град,

где t_окр - температура окружающего воздуха.

Полученное значение следует сравнить с d₂ и сделать вы­вод.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1.Физическая сущность процессов теплопроводности (для металлов и неметаллов, пористых тел)?

2.Содержание основного закона теплопроводности и его приложение для плоской стенки.

3.Коэффицент теплопроводности и факторы, влияющие на его величину?

4.Пределы значений коэффициентов теплопроводности для газов, жидкостей, твердых тел, металлов, теплоизоляторов?

5.Что такое термическое сопротивление, его размерность?

6.Что такое критический диаметр изоляции?

РАБОТА №3

Определение показателей адиабаты для воздуха

Процесс изменения состояния газа, происходящий без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным.

А диабатный процесс может быть осуществлён как при наличии тепловой изоляции системы, от окружающей среды так и при большой скорости протекания процесса, когда теплообмен с окружающей средой практически отсутствует. Уравнение адиабаты идеального газа имеет вид:

где Р - давление газа, Н/м;

V - удельный объём газа, м /кг;

К - показатель адиабаты.

В еличина К зависит от атомности газа и равна отношению теплоёмкостей при постоянном давлении C_p и постоянном объёме C_v, т.е.

К может быть определён из уравнения (1), если для адиабатного процесса известны параметры P₁ и V₁ в начальном состоянии и P₂ и V₂ - в конечном.

П осле подстановки этих значений в уравнение (1) и его логарифмирования, расчетная формула примет вид:

Цель работы: экспериментальное определение показателя адиабаты к для воздуха. При этом нужно исследовать процессы изменения состояния газа.

Методика: для определения показателя адиабаты К осуществляется адиабатный процесс изменения состояния воздуха (см. рисунок).

Р

Температура воздуха в точке А равна температуре окружающей среды. Ввиду сложности экспериментального определения удельного объёма газа в конце процесса расширения, этот параметр из формулы (3) целесообразно исключить. Для этого после адиабатного расширения осуществляется процесс ВС изохорного нагрева воздуха до температуры окружающей среды.

С остояние воздуха в точке С характеризуется параметрами P₃ и V₃ . Температура газа в точках А и С одинакова, поэтому по закону Бойля-Мариотта:

П осле подстановки (4) в равенство (3) и замены удельного объёма V₂ величиной V₃ (для изохорного процесса V₃ =V₂ ) получим:

Для определения показателя адиабаты К по этой формуле необходимо в опыте обеспечить условия, при которых отношение давлений P₁ /P₂ и P₁ /P₃ были бы больше единицы, тогда величины логарифмов можно определить достаточно точно. В том случае, когда эти отношения мало отличаются от единицы, нужно разложить логарифмы в ряд, в результате чего после преобразования выражение (5) примет вид:

где: P₁, P₂ и P₃ - абсолютные давления воздуха в точках А,В и С (см. рисунок)

О писание установки

Тонкостенный металлический сосуд 1 через клапан соединен с компрессором 3. Давление в сосуде 1 измеряется манометром 4.

С помощью нажатия клапана 2 сосуд 1 может быть соединён с атмосферным воздухом.

Порядок проведения опыта

Компрессором 3 в сосуд 1 нагнетается воздух до давления 0,2-0,3 атм. После того, как нагретый при сжатии воздух охладится до температуры окружающей среды и показания манометра не будут изменяться, определяется давление в сосуде Р₁ и открывается клапан 2. При этом начинается процесс истечения воздуха из сосуда, сопровождающийся падением давления и температуры. Процесс АВ изменения состояния воздуха в сосуде можно считать адиабатным, так как, ввиду его кратковременности, теплообменом с окружающей средой можно пренебречь.

Когда давление в сосуде снизится до атмосферного - клапан 2 быстро закрывается.

В результате теплообмена с внешней средой начинается процесс ВС изохорного нагрева воздуха, который понизил свою температуру при адиабатном расширении.

Процесс ВС заканчивается, когда температура воздуха в сосуде станет равной температуре окружающей среды, а давление примет некоторое постоянное значение Р₃ .

Опыт повторить несколько раз. Измеренные давления занести в таблицу.

N пп	Давление			К	Примечание
	Р1	Р2	Р3

По формуле (6) подсчитывается ряд значений К, определяется среднее значение.

О пределение относительной погрешности:

где ∆Р - абсолютная погрешность при определении давления.

Контрольные вопросы :

1.Порядок выполнения лабораторной работы?

2.Основные термодинамические процессы?

3.Зависимость показателя адиабаты от атомности газа?

4.Уравнение Майера?

5.Построение адиабатного процесса в P-V и T-S координатах?

6.Выразить показатель адиабаты через Cp и Cv?

7.Порядок описания термодинамического процесса?

РАБОТА №4

Определение газовой постоянной воздуха

Цель работы: экспериментальное определение газовой постоянной воздуха R.

При обработке результатов вычисляются также удельный объём воздуха

V, объём идеального газа при нормальных физических условиях V_μ и универсальная газовая постоянная R_μ .

Введение

Работа тепловых двигателей и других энергетических машин основана на использовании в процессах взаимопревращения энергии так называемых рабочих тел, которые в общем случае могут быть твёрдыми, жидкими или газообразными.

Важнейшими термодинамическими параметрами рабочего тела являются температура, удельный объём, давление, внутренняя энергия, энтальпия и энтропия.

Основные из этих параметров (удельный объём, давление, температура) связаны между собой термическим уравнением Клапейрона (для идеального газа). В это уравнение входит газовая постоянная рабочего тела R, имеющая важное значение в энергетической характеристике рабочих тел.