Лабораторные работы (практикум) по дисциплине Техническая термодинамика для студентов теплоэнергетических специальностей. В 4 ч. Ч. 2. Реальный газ

К4*/(«- *)

Рис. 22.Изобары теплоемкости ср для водяного пара: а) околокритическая область;

б) область при различных параметрах р и t

41

Теплоемкость перегретого пара в отличие от идеального газа за­ висит не только от температуры, но и от давления (либо объема), т.е. от двух независимых параметров. Зависимость эта достаточно слож­ на, в чем можно убедиться с помощью рис. 22, 23. И изобары, рис. 22, и изотермы, рис. 23, теплоемкости ср имеют четко выражен­ ный максимум. Величина этого максимума особенно выделяется вблизи околокритической области, однако с ростом давления вели­ чина пиков уменьшается и смещается в сторону более высоких тем­ ператур. При удалении от критической области отклонение свойств реального газа от свойств идеального газа, т.е. влияние давления на величину теплоемкости, ослабевает, кривые приближаются к асим­ птоте, в роли которой выступает теплоемкость идеально газового со­ стояния данного индивидуального вещества. Для воды в идеально газовом состоянии значение изобарной, удельной массовой теплоем­ кости оказывается близким к ср ~2 кДж/(кг-град) (рис. 22, б), в чем можно экспериментально убедиться в ходе выполнения соответст­ вующей лабораторной работы практикума.

42

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО СЖАТИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Цель работы

Изучение закономерностей изменения состояния реальных ве­ ществ при изотермическом сжатии в области температур выше и ниже критической температуры; аппроксимация эксперименталь­ ных данных; расчет других свойств диоксида углерода.

Описание установки

Принципиальная схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.1. Диоксид углерода находится в толстостенном стеклянном капилляре, позволяющем достигать давления до 10 МПа. Давление внутри капилляра создается с помощью масляного пресса, который посредством ртутного затвора воздействует на диоксид углерода. Снижение давления в установке осуществляется открытием игольча­ того вентиля, установленного на перепускном канале прессаГРтутный затвор необходим потому, что с ростом давления масло доста­ точно сильно абсорбирует диоксид углерода и, тем самым, искажает реальную картину сжатия. Давление внутри капилляра определяется с некоторым приближением, равным давлению масла, и измеряется манометроМуИзменение объема диоксида углерода определяется по границе раздела с ртутным столбиком, которая устанавливается пу­ тем отсчета по шкале измерительной линейки. Температура диоксида углерода принимается равной температуре термостатирующей воды, для чего необходимо поддерживать равновесное состояние между этими двумя системами. Температура термостатирующей воды опре­ деляется лабораторным термометром, а поддерживается на заданном уровне - с помощью термостата ТС-16.

43

Таким образом, описанная установка позволяет фиксировать в каждый момент времени давление, температуру и объем диоксида углерода, находящегося в капилляре. Для исключения разрушения капилляра при сжатии жидкой фазы, когда по причине низкой сжимаемости жидкости давление растет на очень большую вели­ чину при малом изменении объема, в капилляре вместе с диокси­ дом углерода находится небольшое количество газов (воздуха), неконденсирующихся в данных условиях. Они играют роль демп­ фера при сжатии жидкого диоксида углерода. Их влияние на изме­ нение объема системы необходимо учитывать. Назначение других узлов установки ясно из схемы (рис. 1.1).

Порядок проведения работы

1. Изучите необходимый теоретический материал и заготовьте протокол наблюдений.

2.Ознакомьтесь с экспериментальной установкой. Распределите функции между исполнителями.

3.Произведите замеры параметров окружающей среды (баро­ метрического давления В и температуры помещения toc).

4.С разрешения преподавателя, в присутствии лаборанта вклю­ чить установку и провести поэтапно следующие действия.

1 этап:

установить регулятор температуры термостата на значение из диапазона 1 5 - 2 2 °С, позволяющее без затруднений использовать таблицы свойств диоксида углерода (см. прил. 1);

добиться стационарного состояния системы; закрыть игольчатый вентиль, с помощью масляного пресса плав­

но поднимать давление в системе до появления столбика ртути в диапазоне измерительной шкалы линейки; произвести отсчет дав­ ления, температуры, положения столбика ртути относительно ли­ нейки йрт;

увеличить давление и повторить измерения предыдущего под­ пункта;

в момент появления жидкой фазы (при минимальном ее количест­ ве) сделать очередные измерения. Появляется дополнительное изме­ рение, связанное с замером высоты столбика жидкой фазы Ъж.ф\

45

продолжить подачу масла в систему, следить за перемещением столбика ртути, производить замеры. Обратить внимание на посто­ янство давления в системе. (Броски давления в системе в начальный момент сжатия вызваны кинетическими характеристиками системы, о чем речь пойдет ниже);

отметить момент окончания процесса конденсации по началу возрастания давления, сделать измерения параметров;

продолжить сжатие системы,состоящей из жидкой фазы диокси­ да углерода и неконденсирующихся газов (воздуха), и провести не­ обходимые измерения. Опыты заканчиваются по достижении вели­ чины давления 70 - 80 ат.

2 этап:

плавно понизить давление (с помощью игольчатого вентиля); повторить контрольные измерения, прежде всего на погранич­

ных кривых пара и жидкости; вернуть систему в начальное состояние.

3 этап:

изменить настройку регулятора температуры на значение, пре­ вышающее величину критической температуры диоксида углерода, но не выше 40 °С.

добиться стационарного состояния системы; закрыть игольчатый вентиль, с помощью масляного пресса плав­

но поднимать давление в системе до появления столбика ртути в диапазоне измерительной шкалы линейки;

произвести отсчет давления, температуры, положения столбика ртути относительно линейки (Лрт);

увеличивая давление, повторять измерения до тех пор, пока не достигнете предельного давления;

возвратить систему в состояние, когда избыточное давление системы достигнет 0.

Выключить установку.

46

Обработка результатов измерений

1). Оценить качество замеров. Очевидно, что в опыте с докрити­ ческой изотермой на участке жидкой фазы газовый столб можно считать воздухом. Поскольку имеет место изотерма, на этом участ­ ке давление и объемы соотносятся следующим образом:

Это соотношение выполняется достаточно точно и в случае вы­ хода воздуха из идеально-газового состояния,поскольку коэффици­ ент сжимаемости z = p V / R T хоть и отличен от единицы, но в близ­ ких состояниях практически одинаков. Допуская неизменной пло­ щадь капилляра (F* = 0,8 мм2) в различных сечениях, соотношение (1.1) можно переписать:

Теперь можно оценить качество замеров на основании выполне­ ния соотношения (1.2) для соответствующего участка э к с п е р и м е н т а .

\

47

2). Рассчитать массу воздуха в системе для оценки его влияния на измеренные показания. Для этого выбирается пара опытных дан­ ных, относящихся к наиболее достоверной группе. Далее из реше­ ния уравнения

находится масса воздуха Мв.

3). Используя значения М„ и F*, рассчитать длины столбов воз­ духа

hj = М в ■R -TjliPj -Fk)

и парциальный объем воздуха

Vj = h j- F k

на обеих изотермах в каждом состоянии, которое относится к паро­ вому участку.

4). Рассчитать длины столбов газообразного диоксида углерода, характеризующие его эквивалентные парциальные объемы в том или ином состоянии:

5). Определить массу диоксида углерода, используя очевидное соотношение

Для осуществления этого из прил. 1 выбираем значения удель­ ных объемов, например, значения удельных объемов в состояниях на пограничной кривой v или v , а из табл. 1.1 выбираем соответст­ вующие значения длин столбов жидкой или газообразной фаз СОг .

6). Определить по соотношению (1.5) удельные объемы диокси­ да углерода в каждом состоянии соответственно данным таблицы наблюдений. Результаты оформить в виде таблицы.

48

7). На основании полученных результатов построить графики обеих изотерм в ру-диаграмме.

8). Рассчитать коэффициенты уравнения состояния газообразно­

которые позволяют провести расчеты других свойств с помощью дифференциальных соотношений термодинамики. (Эти результаты будут использованы на практических занятиях и при выполнении расчетно-графической работы).

Вопросы для самопроверки

1.Что означает стационарное состояние системы?

2.Почему термостатирующая вода подается в стеклянную колбу

внижнем сечении, а отводится - в верхнем?

3.Назовите критические параметры для диоксида углерода.

4.Покажите, что соотношение давления и объема реального газа

визотермическом процессе для близких состояний соответствует закону Бойля - Мариотта.

5.Рассчитайте степень сухости влажного пара диоксида углеро­ да на участке фазового перехода для экспериментальных точек.

6.Что такое парциальный объем газа, являющегося компонентом смеси?

7.Что такое коэффициент сжимаемости (неидеальности) вещества?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ТЕМПЕРАТУРОЙ И ДАВЛЕНИЕМ ВОДЫ В СОСТОЯНИИ НАСЫЩЕНИЯ

НА КРИВОЙ ПАРООБРАЗОВАНИЯ

Цель работы

Закрепление основных сведений по устойчивому равновесию ге­ терогенной однокомпонентной системы; изучение свойств воды по таблицам, фазовым диаграммам, аналитическим зависимостям, от-

49