Термодинамика. Практикум
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТПЕТРАВЕЛИКОГО
Институт энергетики
Высшая школа атомной и тепловой энергетики
ТЕРМОДИНАМИКА
Практикум
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Санкт-Петербург
2023
ББК 31.31 Т35
Р е ц е н з е н т ы:
Кандидат технических наук, доцент ВШЭМ СПбПУ П. Н. Броднев Доктор технических наук, профессор, доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы» НИУ ИТМО
Н. В. Пилипенко
А в т о р ы:
С. З. Сапожников, В. Ю. Митяков, А. А. Гусаков, В. В. Сероштанов, А. В. Павлов, П. Г. Бобылев, Э. Р. Зайнуллина, М. А. Греков
Термодинамика : практикум / С. З. Сапожников [и др.]. – СПб. : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023. – 72 с.
Соответствует содержанию дисциплины «Техническая термодинамика» по направлениям подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика», 14.05.01 «Ядерные реакторы и материалы».
Лабораторный практикум включает в себя работы, посвященные экспериментальному определению теплофизических свойств веществ, применяемых в термодинамических циклах в качестве рабочих тел, и процессов преобразования энергии, происходящих в энергетическом оборудовании. Значительное внимание уделено измерениям, методам эксперимента и оценке точности полученных результатов. Методики, представленные в практикуме, соответствуют современным отечественным и международным стандартам.
Предназначено для студентов Института энергетики, а также для студентов заочного факультета при самостоятельном изучении дисциплины «Термодинамика».
Табл. 19. Ил. 18. Библиогр.: 10 назв.
Печатается по решению Совета по издательской деятельности Ученого совета
Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
ISBN 978-5-7422-8420-8 |
© Санкт-Петербургский политехнический |
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-709 |
университет Петра Великого, 2023 |
Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation
PETER THE GREAT ST. PETERSBURG
POLYTECHNIC UNIVERSITY
Institute of Energy
Graduate School of Nuclear and Heat Power Engineering
THERMODYNAMICS
Practicum
Peter the Great
St.Petersburg Polytechnic
University
Saint Petersburg
2023
R e v i e w e r s:
Candidate (PhD) of Engineering, associate professor
at the Graduate School of Power Engineering of SPbPU P. N. Brodnev Doctor of Engineering, professor, associate professor at the educational center “Energy-efficient engineering systems” of ITMO University N. V. Pilipenko
A u t h o r s:
S.Z. Sapozhnikov, V. Iu. Mityakov, A. A. Gusakov, V. V. Seroshtanov, A. V. Pavlov, P. G. Bobylev, E. R. Zaynullina, M. A. Grekov
Thermodynamics: practical course / S. Z. Sapozhnikov [et al.]. – St. Petersburg: POLYTECH-PRESS, 2023. – 72 p.
The practicum corresponds to the content of the discipline “Technical thermodynamics” in the majors 13.03.01 “Heat power engineering”, 13.03.03 “Power machine engineering”, 14.03.01 “Nuclear power engineering and thermophysics”, 14.05.01 “Nuclear reactors and materials”.
The laboratory practicum includes works devoted to the experimental determinationofthermophysicalpropertiesofsubstances,usedinthermodynamic cycles as working bodies, and of the energy conversion processes occurring in power engineering equipment. Considerable attention is paid to measurements, experimental methods, and assessment of the accuracy of the obtained results. The methodologies presented in the practicum comply with modern national and international standards.
ItisintendedforstudentsoftheInstituteofEnergy,aswellasforstudentsofthe extramural faculty for independent study of the discipline “Thermodynamics”.
Tables 19. Figures 18. References: 10 titles.
Printed by the Publishing Council
of the Peter the Great St. Petersburg polytechnic university Academic Council.
ISBN 978-5-7422-8420-8 |
© Peter the Great St. Petersburg |
doi:10.18720/SPBPU/2/id23-709 |
Polytechnic University, 2023 |
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение...................................................................................................... |
7 |
|
1. |
Работа ТД-1. Определение удельной изобарной теплоемкости |
|
воздуха ......................................................................................................... |
7 |
|
|
1.1. Экспериментальная установка ......................................................... |
9 |
|
1.2. Порядок выполнения работы ......................................................... |
10 |
|
1.3. Обработка и оформление результатов ........................................... |
11 |
2. |
Работа ТД-2. Определение коэффициента Пуассона для воздуха.......... |
13 |
|
2.1. Экспериментальная установка ....................................................... |
17 |
|
2.2. Порядок выполнения работы......................................................... |
18 |
|
2.3. Обработка и оформление результатов ........................................... |
19 |
3. |
Работа ТД-3. Определение термического коэффициента |
|
давления воздуха........................................................................................ |
20 |
|
|
3.1. Экспериментальная установка ....................................................... |
20 |
|
3.2. Порядок выполнения работы......................................................... |
22 |
|
3.3. Обработка и оформление результатов ........................................... |
23 |
4. |
Работа ТД-4. Исследование процессов во влажном воздухе .................. |
25 |
|
4.1. Экспериментальная установка ....................................................... |
28 |
|
4.2. Порядок выполнения работы......................................................... |
31 |
|
4.3. Обработка и оформление результатов............................................ |
32 |
5. |
Работа ТД-5. Эффект Джоуля–Томсона в реальном газе....................... |
33 |
|
5.1. Экспериментальная установка ....................................................... |
38 |
|
5.2. Порядок выполнения работы......................................................... |
39 |
|
5.3. Обработка и оформление результатов............................................ |
40 |
6. |
Работа ТД-6. Определение теплоты фазового превращения |
|
при кристаллизации олова.......................................................................... |
41 |
|
5
6.1. Экспериментальная установка ....................................................... |
45 |
6.2. Порядок выполнения работы......................................................... |
46 |
6.3. Обработка и оформление результатов ........................................... |
47 |
7. Работа ТД-7. Определение удельной теплоты парообразования |
|
воды ........................................................................................................... |
49 |
7.1. Экспериментальная установка ............................................................ |
50 |
7.2. Порядок выполнения работы ............................................................. |
51 |
7.3. Обработка и оформление результатов ................................................ |
52 |
Библиографический список ......................................................................... |
53 |
Приложения .................................................................................................. |
54 |
ВВЕДЕНИЕ
Термодинамика – важнейшая дисциплина для теплоэнергетиков и энергомашиностроителей, фундаментальная наука, законы и выводы которой тесно связаны с преобразованием энергии. Для того чтобы их правильно использовать, необходимо видеть и понимать, как происходят термодинамические процессы, как реализуются состояния термодинамических систем в условиях физического эксперимента.
Предлагаемый лабораторный практикум позволяет изучить термодинамические процессы с различными рабочими телами, часть которых подчиняется уравнению идеального газа. В ходе опытов определяют термодинамические параметры состояния, а затем рассчитывают и калорические параметры.
Значительное внимание уделено методам эксперимента. Неопределенность измерений и расчетов находят согласно соотношениям, входящим в современные отечественные и международные стандарты.
Обозначения величин и объем лабораторных работ совпадают восновномстеми,которыевходятвлекционныекурсыисоответствуют их содержанию.
1. РАБОТА ТД-1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОЙ ИЗОБАРНОЙ
ТЕПЛОЕМКОСТИ ВОЗДУХА
Количество теплоты, которое нужно сообщить веществу для повышения его температуры на 1 К, называется полной теплоемкостью вещества.
7
Истинная полная теплоемкость рабочего тела – отношение ко-
личества теплоты dQ, переданного веществу на бесконечно малом участке термодинамического процесса, к изменению его температуры dT на том же участке, что представлено в формуле (1.1):
Cx = dQ |
|
|
= |
dQx |
, |
Дж |
. |
(1.1) |
|
||||||||
|
|
|
|
|||||
dT |
|
x=const |
|
dT |
К |
|
||
|
|
|
|
|||||
Теплота – функция процесса. Однако если теплота подведена к веществу, например в изохорном процессе v = const, то она расходуется на изменение внутренней энергии вещества, которая являетсяфункциейсостояния.Следовательно,приближеннопризаданном x = const, теплоемкость близка к функции состояния. При v = const формула (1.1) имеет вид
Cv = dQ |
|
|
= |
dQv |
= dU |
, |
Дж |
. |
(1.2) |
|
|||||||||
|
|
|
|
||||||
dT |
|
v=const |
|
dT dT |
|
К |
|
||
|
|
|
|
|
|||||
В расчетах чаще используют удельную массовую теплоемкость, которая определяется через удельную теплоту q, представленную в формуле (1.3):
cx = |
Cx |
= |
dq |
|
|
|
= |
dqx |
, |
Дж |
. |
(1.3) |
|
|
|
||||||||||
|
m dT |
|
x=const |
|
dT |
кг К |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||||
Теплоемкость определяют экспериментально. В опытах реализуют изохорный (v = const) или изобарный (p = const) подвод те-
плоты, а теплоемкости называют изохорной cv = dqdTv или изобар-
ной cp = dqdTp .
Если температура вещества в процессе подвода теплоты измениласьотT1 доT2,тотеплотувэтоминтервалетемпературопределяют интегрированием, что показано в формуле (1.4):
T |
|
|
|
|
|
||
qx = ∫2 cxmdT =cxm |
|
TT2 |
(T2 |
-T1), |
Дж |
, |
(1.4) |
|
|||||||
|
кг |
||||||
1 |
|
|
|
|
|||
T1 |
|
|
|
|
|
||
где c xm T2 – средняя удельная теплоемкость вещества в процессе
T1
x = const в интервале температур от T1 до T2.
8
В таблицах теплоемкостей удобнее задавать средние теплоемкости в интервале от условно принятой за нуль температуры t = T -273, °C. В этом случае получаем формулу (1.5):
t |
t |
t |
|
||||
qx = ∫2 cxmdt= ∫2 cxmdt –∫1 cxmdt= cxm |
|
t02 t2 –cxm |
|
t01 t1. |
(1.5) |
||
|
|
||||||
t1 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
Следовательно,средняяудельнаятеплоемкостьвеществавпроцессе x = const рассчитывается по формуле (1.6):
|
|
|
c |
xm |
|
t2 |
t |
2 |
–c |
xm |
|
t1 |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
cxm |
|
tt2 = |
|
|
0 |
|
|
|
0 |
1 |
. |
(1.6) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
t2 |
–t1 |
|
|
|
||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Влабораторнойработеудельнаяизобарнаятеплоемкостьвоздуха в заданном интервале температур определяется опытным путем.
1.1. Экспериментальная установка
Передняя панель и принципиальная схема установки представленынарис.1.1.Напереднейпанели(рис.1.1,а)находятся:двухканальныйизмерительтемператур1 (марки2ТРМОклассаточности 0,5),подключенныйкдвумхромель-копелевымтермопарамТП1и ТП2; источник питания постоянного тока 2; ротаметр 3; тумблер «Сеть»4;тумблервключениякомпрессора5;разъемыдляподключения мультиметра 6; переключатель 7 для измерения напряжения U0 на образцовом сопротивлении R0.
На рис. 1.1, б показана принципиальная схема рабочего участка.Воздухпритемпературеt1 подаетсякомпрессором8 черезхолодильник9иротаметрпотрубке10,покрытойтепловойизоляцией, всосудДьюара11.Втрубкенаходитсянихромовыйнагреватель12, к которому последовательно подключено образцовое сопротивление R0 = 0,1 Ом. Нагреватель питается от источника постоянного тока. Напряжение на нагревателе UН и на образцовом сопротивлении U0 измеряют мультиметром, точность которого в диапазоне 0…40 В составляет ±0,5 %. Протекая через трубку, воздух нагревается. Температуру воздуха на входе в сосуд Дьюара и на выходе из трубки после нагрева измеряют прибором 2ТРМO. Объемный
9
a) |
|
б) |
|
t1 |
|
|
|
2 ТРМО |
|
|
|
|
|
R0 |
|
3 |
|
10 |
|
|
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3 |
t2 |
2 6 |
|
13 |
11 |
||
|
|
|||
|
2 |
|
|
|
5 |
UH 7 |
6 |
|
|
4 |
|
9 |
|
|
U0 8
Рис. 1.1. Установка для определения изобарной теплоемкости воздуха:
а – передняя панель; б – принципиальная схема
расход воздуха измеряют ротаметром РМ-0,4ГУЗ с равномерной шкалой от 0 до 100 делений. Расход воздуха 1,1 · 10–4 м3/с на делении «100» имеет относительную неопределенность ±2,5 %.
Входеопытаизмеряюттемпературыt1 иt2,°С,объемныйрасход воздуха Gv, м3/с, падение напряжения на нагревателе UН, В, и образцовом сопротивлении U0, мВ.
1.2.Порядок выполнения работы
1.Включают мультиметр и устанавливают режим измерения постоянного напряжения.
2.Включают питание установки тумблером «Сеть», измеритель температуры – тумблером 13, компрессор − тумблером 5.
3.Включают источник постоянного тока и устанавливают первое значение напряжения UН = 6 В.
4.МультиметромизмеряютзначенияUН и U0,переключаятумблер 7 в соответствующие положения.
5.Дожидаютсявыходанастационарныйтепловойрежим:значе-
ние t2 должно перестать меняться во времени. Измеряют температурыt1 и t2 измерителемиобъемныйрасходвоздухаGv ротаметром.
10