Termodinamika_metodichukazanija_k_laborrabotam

Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

ТЕРМОДИНАМИКА

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей 160302 «Ракетные двигатели», 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» очной формы обучения

Красноярск 2011

1

УДК 621.22.011:532.57

Рецензент кандидат технических наук, доцент М. Г. МЕЛКОЗЕРОВ

(Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева)

Печатается по решению методической комиссии ИКТ

Термодинамика : метод. указания к выполнению лабораторных работ для студентов спец. 160302 «Ракетные двигатели», 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» очной формы обучения / сост. : Н. Г. Измайлова, Д. А. Жуйков ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – Красноярск, 2011. – 28 с.

© Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, 2011

2

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Термодинамика» предназначены для студентов специальностей 160302 «Ракетные двигатели» и 140504 «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование» дневной формы обучения.

Методические указания включают 4 лабораторные работы: определение теплоемкости воздуха методом проточного калориметра; исследование политропного термодинамического процесса методом сжатия воздуха в цилиндре под поршнем; исследование процесса адиабатного истечения воздуха через сужающееся сопло; изучение парокомпрессионной холодильной машин. Студенты также познакомятся с основными уравнениями процессов течения в соплах и обратным циклом Карно на примере бытового холодильника.

В результате изучения студенты должны научиться определять теплоемкость газов, строить термодинамические циклы и иметь четкое представление значения термодинамики при проектировании тепловых и холодильных машин, в которых используются процессы преобразования энергии с помощью рабочего тела.

4

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА

Цель работы: получение знаний по основным термодинамическим законам, в частности, определение теплоемкости газа в изобарном процессе. Студенты знакомятся с понятием средней и истинной теплоемкости и методикой определения средней теплоемкости воздуха методом

проточного калориметра.

ЗАДАНИЕ

1.Определить среднюю объемную и среднюю массовую теплоемкости воздуха при постоянном давлении.

2.Сравнить полученные значения со справочными данными.

3.Составить отчет по выполненной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Теплоемкостью газа называется количество тепла, необходимое для нагрева тела на один градус. Теплоемкость единицы количества вещества называют удельной теплоемкостью. Теплоемкость определяется соотношением

Теплоемкость газа зависит от физических свойств тела, параметров состояния (температуры и давления) и характера подвода тепла. Экспериментальное определение теплоемкости газа по методу проточного калориметра сводится к изобарному нагреву известного количества газа, протекающего через калориметр при установившемся режиме. Тогда искомая величина средней объемной теплоемкости воздуха (Дж / м3 К) при постоянном давлении в интервале температур от t1 до t2 определится из следующего соотношения:

5

где q1 2 количество тепла, подведенное к воздуху электронагревателем калориметра, определяется по расходу электроэнергии; q1 2 W τ , Дж; W

мощность, потребляемая электронагревателем, Вт; время подвода тепла ( = 1 c, так как весь расчет проводится для объемного расхода воздуха, м3/с); t 2 t1 разность температур воздуха на входе и выходе из

калориметра, К; Vн объем воздуха, протекающий через калориметр за 1 с, приведенный к нормальным условиям (т. е. объемный расход воздух), м3/с.

Для приведения объема к нормальным условиям следует воспользоваться следующим выражением:

tн

Влевую часть уравнения (1.3) входят параметры состояния воздуха на выходе из калориметра, в правую при нормальных физических условиях (при рн = 760 мм рт. ст. = 1,013 бар и Tн = 273 K). Используя формулу (1.3),

где 22,4 и объем и масса моля газа при нормальных условиях (для воздуха = 29).

ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Установка (рис. 1.1) состоит из стеклянного проточного калориметра, в котором помещен электронагреватель, подводящий тепло к протекающему воздуху. Потребляемая этим нагревателем мощность регулируется автотрансформатором и измеряется ваттметром.

Температура воздуха на входе и выходе из калориметра измеряется ртутными термометрами. Измерение объема воздуха, протекающего через калориметр за 1 с, производится с помощью ротаметра. В результате опыта записываются показания по шкале ротаметра, а по градуировочному графику (рис. 1.2) эти показания переводятся в объемный расход воздуха (м3/с). В качестве насоса, прокачивающего воздух через калориметр, используется пылесос, его мощность регулируется автотрансформатором.

Барометрическое давление pt записывается по показаниям барометра.

6

7

4

6

5

Рис. 1.1. Схема опытной установки:

1 – проточный калориметр; 2 – термометр; 3 – электронагреватель; 4 – ваттметр; 5 – автотрансформатор; 6 – пылесос; 7 – ротаметр

n

80

60

40

20

0

Рис. 1.2. Градуировочный график ротаметра:

n – показания ротаметра; V – объемный расход воздуха

7

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Изучить схему опытной установки. Для записи показаний приборов следует заготовить следующую таблицу:

Включив насос, установить поток воздуха через калориметр, соответствующий показаниям ротаметра 60...80 делений, после чего включается ток в цепи нагревателя. Регулируя ток в нагревателе с помощью автотрансформатора, установить температуру выходящего из калориметра воздуха в пределах 40...50 °С (в целях безопасности эксперимента мощность нагревателя не должна превышать 50 Вт).

Через каждые 2...3 мин вести записи показаний всех приборов. После того как наступит установившийся режим, о чем можно судить по постоянным показаниям приборов, нужно сделать еще 2...3 замера по всем точкам и на этом закончить опыт.

ВНИМАНИЕ! Включение и выключение электрического тока производится преподавателем или лаборантом

ОТЧЕТ О РАБОТЕ

Отчет о выполненной работе должен содержать: 1) краткое описание работы; 2) схему установки;

3) протокол записи показаний приборов;

4) результаты расчета средней массовой и объемной теплоемкости воздуха при постоянном давлении;

5) сопоставление результатов опыта со справочными данными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Какой газ называется идеальным?

2.Какой объем занимает 1 кмоль любого газа при нормальных условиях?

3.В чем отличие понятий «истинная теплоемкость» и «средняя теплоемкость»?

4.Какие факторы влияют на теплоемкость газов?

8

5.Как определить CV, зная Cp?

6.Какие условия называются нормальными физическими условиями? 7. Какие факторы могут повлиять на погрешность определения

величины теплоемкости в этой лабораторной работе? Проанализируйте их.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Мухачев, Г. А. Термодинамика и теплопередача : учебник для авиац. вузов / Г. А. Мухачев, В. К. Щукин. – 3-е изд., перераб. – М. : Высш.

шк., 1991. – 480 с.

2. Кудинов, В. А. Техническая термодинамика : учеб. пособие для втузов / В. А. Кудинов, Э. М. Карташов. – М. : Высш. шк., 2000. – 261 с.

9

Лабораторная работа 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНОГО ПРОЦЕССА С ГАЗОМ

Цель работы: получение и углубление знаний по основным термодинамическим процессам, происходящих с газом. Политропный процесс обобщает все известные нам термодинамические процессы, что и должно быть усвоено в результате выполнения работы.

ЗАДАНИЕ

1.Определить значение показателя политропного процесса n.

2.Построить график политропного процесса (экспериментальный

ирассчитанный) в р–V- координатах.

3.Произвести проверку вычисленного значения n с помощью p–V-диаграммы.

4.Определить работу сжатия L.

5.Определить теплоемкость политропного процесса С.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Политропными называются обратимые процессы, удовлетворяющие уравнению

при произвольном, постоянном для данного политропного процесса значении n. Показатель политропы n может принимать любые значения от + до . Теплоемкость политропного процесса величина постоянная на протяжении всего процесса.

Понятие о политропных процессах широко используется при изучении процессов сжатия и расширения в газовых двигателях. Зачастую политропные процессы оказываются удобными для аппроксимации действительных газовых процессов в двигателях. Реальные процессы сжатия в газовых двигателях и компрессорах часто не являются ни адиабатными, ни изотермическими, а занимают промежуточные положения между ними.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОЛИТРОПНОГО ПРОЦЕССА

Для любых точек, расположенных на политропе, уравнение (2.1) можно записать в виде

Логарифмируя уравнение (2.2), получим

10