Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплофизические основы судовой энергетики. Раздел 1 «Теплотехника». Практикум
.pdf
21
положите в воду второй кусок и т. д., до тех пор, пока температура воды в
2
t
V
2
m
ý
э
Т
э
Т
э
Т
Т
1
m
, кг
1
t
,°С
2
t
,°С
V
, м
3
2
m
, кг
э
, Дж/кг
2
N
V
p
к
T
к
p
3
см
3
см
калориметре не достигнет значения
, равного температуре воздуха в комнате.
Перелейте воду из стакана калориметра в измерительный цилиндр. По
увеличению объема
воды найдите массу
растаявшего льда.
Вычислите удельную теплоту плавления льда
. Результаты измерений и
вычислений занесите в табл.4.1.
Сравните экспериментальное значение удельной теплоты плавления
табличным значением
=|
=(
—
—
|. Подсчитайте относительную погрешность измерения
)/
. Определите абсолютную погрешность измерения
с
Таблица 4.1
Результаты измерений и вычислений
4. Задания студентам для самостоятельной работы
4.1. 56 г азота
= 4 атм. Найти температуру газа, зная, что для азота
Ответ: V 3
занимают объем
.
= 18 л и находятся под давлением
= 126 К и
= 33,5 атм.
4.2. Вычислить критическую плотность воды, если постоянные Ван-дер-
Ваальса для воды а = 5,47 л
Ответ:
= 0,2 г/
2
атм/моль2 и b = 0,03 л/моль.
.
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия.
1. Почему при выполнении расчетов не учитывалась теплоемкость
калориметра?
2. В каком случае погрешность измерений будет меньше: при быстром
выполнении всех операций или при медленном их выполнении? Почему?
3. Если в закрытом (запаянном) сосуде находится некоторое количество
жидкости, что будет происходить с плотностью ее насыщенного пара с
повышением температуры сосуда?
4. Какая температура называется критической? Чему равна она для
воды? Какое вещество обладает самой низкой критической температурой и
чему она равна?
5. Что надо знать для ответа на вопрос: можно ли газы, например,
аммиак и хлор, перевести в жидкое состояние при комнатной температуре и
каким способом?
22
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 5
г
OH
E
2
3
T
2
CO
E
5,3
T
l
г
l
г
2
СО
ОН
2
Тема: «Изучение спектральных характеристик излучения газов»
Продолжительность 2 часа
1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы
Процесс распространения лучистой энергии в газовой (незапыленной)
среде имеет много общего с описанным процессом распространения лучистой
энергии в запыленной среде. Здесь роль пылинок играют молекулы газа,
концентрация которых увеличивается с ростом давления газа.
Различные газы обладают различной способностью излучать и поглощать
энергию. Одно– и двухатомные газы (кислород, азот и др.) практически
прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и
поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода
СО
и серы SО
2
, водяной пар Н
2
О, аммиак NН3 и др. Наибольший интерес
2
представляют сведения об излучении СО2 и водяного пара, возникающих при
сгорании топлив. Интенсивностью их излучения в основном определяется
теплообмен раскаленных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми
телами в топках. Газы являются селективными излучателями. Участки спектра,
в которых газ излучает и поглощает энергию, называют полосами излучения
(поглощения). В световой (видимой) части спектра СО
и пары Н
2
О не
2
излучают и не поглощают энергию. В коротковолновой части спектра газы
поглощают и излучают хуже, чем в длинноволновой.
С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в область
коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень черноты газа
существенно зависит от температуры, «закон четвертой степени» Стефана–
Больцмана строго не выполняется. Так, плотность потока излучения
~
. Излучение газов носит объемный характер. Способность газа
~
, а
излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и толщины газового
слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси,
определяемая парциальным давлением р, и чем больше толщина слоя газа
тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его
излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому степень
черноты газа
обычно представляют в виде зависимости от произведения р
или приводят в номограммах. Поскольку полосы излучения диоксида углерода
и водяных паров не перекрываются, степень черноты содержащего их
топочного газа в первом приближении можно считать по формуле
=
+
.
Излучение "чистых" продуктов сгорания (Н2О, С02 и др.) характеризуется
инфракрасной частью спектра. Имеющиеся в продуктах сгорания раскаленные
твердые частицы (зола и т. п.) придают пламени видимую окраску, и его
степень черноты может быть большой, достигая значений 0,6…0,7. Поэтому
,
23
при сжигании твердых, жидких, и газообразных топлив, особенно при
S
S
Геометрическое место всех
изображений, даваемых
различными лучами,
входящими в состав
исследуемого пучка, называется
призматическим спектром
данного излучения. Так как
изображение спектра
S
мало,
то для увеличения его
применяют окуляр О
3
,
действующий как обычная
лупа.
Рис. 5.1. Принципиальная схема двухтрубного
спектроскопа призматического типа
аsа -б
выделении сажи (горение с недостатком воздуха) основное количество теплоты
в топках передается излучением пламени. Излучение горящего пламени
(факела) при теплообмене в топках рассчитывается по специальным формулам
2. Перечень (образцы) раздаточного материала, используемого на занятии
Для определения спектральных характеристик источников излучения
используется двухтрубный спектроскоп призматического типа (рис. 5.1). Он
состоит из следующих основных узлов: коллиматорная труба с щелевым
устройством — а; призмы — б и зрительной трубы — в.
В фокальной плоскости объектива О
имеется узкая щель, длинная
1
сторона которой перпендикулярна плоскости чертежа. Щель освещается
исследуемыми лучами. Параллельные лучи, выходящие из объектива
коллиматора а, пропускаются сквозь призму б. Из призмы лучи различных
цветов спектра выходят под различными углами.
Все лучи с одинаковыми длинами волн, выходящие из призмы, параллельны,
поэтому объектив О
плоскости лучи одного цвета дают изображение узкой щели
собирает их в одну точку фокальной плоскости
2
.
. В этой
В фокальной плоскости окуляра имеется металлическая нить, расположенная
вертикально. Нить предназначена для фиксации спектральных линий.
Для определения относительного положения линий в спектре служит
микрометр.
3. Практические задачи, задания, упражнения
спектра получилось наиболее ярким. Это достигается тогда, когда
лучеиспускающая поверхность (рис. 5.2) целиком заполняет сечение
конуса
объектива.
Источник излучения света устанавливают так, чтобы изображение
, образованного крайними лучами, идущими от щели к краям
24
Такое расположение источника не всегда
возможно: слабые источники пришлось бы
ставить слишком близко от щели, что при
некоторых источниках света, например, газовая
или спиртовая горелка, может вызвать перегрев
спектрометра и порчу оптики. Чтобы выполнить
необходимые требования, пользуются
следующим приемом.
Рис. 5.2. Расположение
источника излучения света
аsа -б
D
d
F
l
D
l
1
Перед щелью коллиматорной трубы, строго на ее оси, помещают
собирательную линзу (конденсор) так, чтобы она заполняла сечение конуса
. Ее расстояние от щели определяется из пропорции
=
. Здесь:
— диаметр линзы коллиматора; d — диаметр линзы конденсора; F — фокусное
расстояние коллиматорной трубки;
— расстояние от конденсора до щели.
Источник излучения помещают на таком расстоянии от линзы
конденсора, чтобы его отчетливое изображение находилось в плоскости щели
коллиматорной трубки.
Для установки зрительной трубки на бесконечность следует передвигать
окуляр относительно объектива до получения отчетливого изображения щели,
то есть спектра. При этом нить должна быть расположена параллельно полосам
спектра и не вызвать параллакса при совмещении ее с линиями спектра.
Параллакс отсутствует, если при малом перемещении глаза вдоль
выходного зрачка окуляра трубки не наблюдается смещение изображения.
Градуировка микрометра осуществляется при помощи неоновой лампы. В
спектре неона имеется ряд ярких линий, расположенных в различных частях
спектра. Длины волн этих линий даны в табл. 7.1.
Определив положение линий спектра на барабане микрометрического
винта, строят в прямоугольной системе координат график градуировки
микрометра, откладывая на оси абсцисс деления барабанчика, а на оси ординат
– длины волн неоновых линий.
Воспользовавшись графиком градуировки, определить границы полос
поглощения в веществах: «дидимовое»1 стекло, пары йода, раствор
перманганата калия (KMnO4). Для этого необходимо воспользоваться
источником сплошного спектра (лампа накаливания), между которым и
спектроскопом расположено одно из указанных веществ.
4. Задания студентам для самостоятельной работы
Исходные данные для самостоятельной работы даны в табл. 5.1.
«Дидимовое» стекло — стекло с добавкой солей неодима.
25
Таблица 5.1
№№
Положение и окраска линии
, нм
1.
Сине–зеленая одинокая
485,9
2.
Зеленая правая из двух одиноких линий
533,0
3.
Зеленая левая из двух одиноких линий
540,0
4.
Желтая
585,2
5.
Оранжевая, первая заметная влево от 4–й линии
594,5
6.
Ярко–красная
640,2
Распределение длин волн в спектре неона
Определив положение линий спектра на барабане микрометрического
винта, строят в прямоугольной системе координат график градуировки
микрометра, откладывая на оси абсцисс деления барабанчика, а на оси
ординат — длины волн неоновых линий. После этого вычерчивают
соответствующую спектральную кривую. На графике определяется длина
волны любой линии в видимом спектре.
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия
1. Напишите закон экспоненциального ослабления излучения в
лучепоглощающей среде.
2. Почему с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере Земли
(при сжигании больших количеств органического топлива в процессе
производственной деятельности человека) возможно потепление климата?
3. От каких факторов зависит степень черноты слоя запыленной среды?
4. Какие газы практически прозрачны для теплового излучения?
5. В каких случаях степень черноты газа уменьшается?
6. Не перекрываются ли полосы излучения диоксида углерода и водяных
паров?
7. Когда, при каких обстоятельствах основное количество теплоты в
топках передается излучением пламени?
8. С каким явлением связано превращение внутренней энергии тел в
энергию электромагнитных колебаний?
26
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6
Т
А
Е
0
Т
0
А
0
Е
Е
0
Е
А
0
Е
А
0
Е
Т
0
Т
рез
q
А
0
Е
Т
0
Т
рез
q
А
0
Е
0
Е
1
Е
/
1
А
=
2
Е
/
2
А
=
3
Е
/
3
А
=…=
0
Е
. (6.3)
Зависимость (6.2) — математическое
выражение закона Кирхгофа: отношение
плотности потока излучения серого тела к его
поглощательной способности не зависит от
природы тела и равно плотности потока
излучения абсолютно черного тела при той же
температуре.
Так как
Е
/
0
Е
= , то из выражения (6.2)
следует, что
= А (4.4)
Это вторая форма записи закона Кирхгофа, в
соответствии с которой при
термодинамическом равновесии
поглощательная способность и степень
черноты тела численно равны между собой.
Рис. 6.1. Схема лучистого
теплообмена между двумя
параллельными поверхностями
Тема: «Закон Кинхгофа. Наблюдение сплошного и линейчатых спектров»
Продолжительность 2 часа
1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы
Закон Кирхгофа устанавливает взаимосвязь между способностями тела
излучать и поглощать энергию. Эта связь может быть получена из
рассмотрения термодинамического равновесия при лучистом теплообмене
между двумя параллельными поверхностями (рис. 6.1), левая из которых —
серая, а правая — абсолютно черная.
Серая поверхность характеризуется температурой
способностью
и плотностью потока собственного излучения
черная — величинами
,
и
. Собственное излучение серой поверхности
, поглощательной
, а абсолютно
поглощается абсолютно черным телом.
Абсолютно черная поверхность за то же время излучает поток
плотностью
, который частично (в количестве
) поглощается серой
поверхностью, а частично [в количестве (1 —
Отраженная часть затем поглощается абсолютно черным телом. Плотность
потока результирующего излучения в случае
энергетического баланса для серой поверхности:
При
=
система находится в термодинамическом равновесии, т. е.
между поверхностями имеет место лучистый теплообмен, но
Тогда выражение (4.1) примет вид ЕСоотношение (4.2) справедливо для любых серых тел, поэтому
)
] отражается от нее.
>
=Е-
= 0, откуда Е/А=
находится из
(6.1)
= 0.
.(6.2)
Из закона Кирхгофа можно сделать следующие выводы.
27
1. Чем больше тело способно излучать, тем больше его возможность
Рис. 6.2. Теплоприёмник
поглощать лучистую энергию.
2. Чем меньше поглощательная способность тела, тем меньшие его
излучательная способность. Следовательно, тела, хорошо отражающие
лучистую энергию, сами излучают очень мало (излучательная способность
абсолютно белого тела равна нулю). Поэтому для уменьшения тепловых потерь
аппарата его поверхность должна иметь наименьшее значение .
3. При одинаковой температуре излучательная способность абсолютно
черного тела всегда больше излучательной способности серого тела.
2. Перечень (образцы) раздаточного материала, используемого на занятии
Теплоприёмник (рис. 6.2) служит для обнаружения тепловых
(инфракрасных) лучей и для сравнения излучения и поглощения лучей
поверхностями светлой и чёрной. Он соединяется при помощи гибкой
резиновой трубки с открытым демонстрационным водяным манометром.
Теплоприёмник (рис. 6.2) представляет собой плоскую, тонкостенную
металлическую коробку цилиндрической формы. Коробка имеет ручку и
ниппель, на который надевается резиновая трубка, соединяющая прибор с
манометром. Одна из плоских поверхностей коробки — светлая, блестящая,
другая — чёрная матовая. В этом положении теплоприемника уровень
жидкости в открытом колене манометра поднимается выше. Поглощение лучей
чёрной поверхностью интенсивнее, чем светлой.
В данном случае излучателем служит сам теплоприёмник.
3. Практические задачи, задания, упражнения
За экраном помещают металлический сосуд с охлаждающей смесью (снег
с солью). Устанавливают теплоприёмник светлой поверхностью к сосуду и,
удалив экран, замечают показание манометра.
Повёртывают теплоприёмник чёрной стороной к сосуду, наполненному
охлаждающей смесью, и наблюдают более значительное снижение уровня
жидкости в открытом колене манометра за тот же промежуток времени.
Лучеиспускание чёрной поверхности интенсивнее, чем светлой.
Для проведения указанного опыта можно, имея два теплоприёмника и два
манометра, использовать в качестве излучателя закрытый сосуд, кубической
28
формы, у которого поверхности граней различные (матовые — белая и чёрная,
а также полированные — металлическая и чёрная).
4. Задания студентам для самостоятельной работы
Можно ли считать черную дыру (астрофизика) моделью абсолютно
черного тела?
Опираясь на закон Кирхгофа доказать, что =А.
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия.
1. Почему для уменьшения тепловых потерь аппарата его поверхность
должна иметь наименьшее значение
?
2. Верен ли закон Кирхгофа для монохроматического излучения?
3. Можно ли использовать понятие термодинамического равновесия при
выводе закона Кирхгофа?
29
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 7
r
r
4
3
3
r
1
4
3
3
r
2
1
2
2
с
м
12
2
9
2
r
12
2
9
1 2,4
r
R
2
r
Тема: «Закон трения Ньютона.
Определение коэффициента динамической вязкости»
Продолжительность 2 часа
1. Краткие теоретические, справочно-информационные материалы
При малых значениях числа Рейнольдса, близких к единице, толщина
пограничного слоя имеет величину порядка размеров тела. При еще меньших
значениях числа Рейнольдса, когда оно мало по сравнению с единицей,
пограничный слой уже не удается выделить, так как он занимает значительную
часть потока или почти весь поток.
Для шарообразного тела, как установил Стоке, сила сопротивления
движению шара в жидкости F=6
, где r — радиус шара; —
коэффициент динамической вязкости жидкости;
— скорость.
С помощью этого выражения, называемого формулой Стокса, по
скорости установившегося движения шарообразного тела можно определить
его радиус, если известна вязкость жидкости. В частности, этим часто
пользуются для определения размеров мелких капель, зерен эмульсий и т. д.
Если же размеры шарика известны, то по скорости его установившегося
движения с помощью формулы Стокса можно определить вязкость среды.
Пусть небольшой тяжелый шарик падает вертикально в жидкости или
газе. Лишь в самом начале его падение будет ускоренным. Так как сила
сопротивления среды растет пропорционально скорости шарика, то его
ускорение будет уменьшаться. Когда шарик достигнет скорости, при которой
его ускорение станет равным нулю, сила сопротивления будет уравновешивать
результирующую двух сил — силы тяжести и выталкивающей силы:
где
6
— плотность шарика,
=
g –
g,
— плотность среды, g=9,81
. Тогда
безгранично по всем направлениям. Если же маленький шарик падает в
жидкости, налитой в сосуд, то нужно учитывать еще и влияние стенок сосуда.
учет влияния его боковой поверхности приводит к формуле
=
g
. (7.1)
Эта формула справедлива для падения шарика в среде, простирающейся
Для шарика, падающего вдоль оси цилиндрического сосуда радиусомR,
=
g
. (7.2)
30
2. Перечень (образцы) раздаточного материала, используемого на занятии
Материал, используемый на занятии:
Мерный цилиндр, наполненный вязкой жидкостью, шарик, секундомер,
линейка.
3. Практические задачи, задания, упражнения
Задание:
1. Опустив шарик в жидкость, определить скорость установившегося
движения шарика
.
2. Рассчитать вязкость по формулам (7.1) и(7.2).
3. Повторить опыт не менее пяти раз.
4. Найти средние значения вязкости.
5. Вычислить относительные погрешности результатов выполненных
опытов.
4. Задания студентам для самостоятельной работы
1. Как зависит сила сопротивления движению тела при больших
значениях чисел Рейнольдса?
2. Доказать, что затрачиваемая на движение судна мощность главных
двигателей пропорциональна кубу скорости судна.
3. Показать, что при увеличении радиуса мерного цилиндра формула
(7.2) переходит в зависимость (7.1).
Контрольные вопросы, тесты, задания по теме занятия.
1. Что такое «градиент скорости»?
2. Напишите закон трения Ньютона.
3. Все ли жидкости подчиняются закону трения Ньютона?
4. Что такое коэффициент кинематической вязкости?
5. Напишите закон Стокса.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]