6. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как она достигается?

2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и укажите их назначение.

3. Какими методами измеряется температура в данной работе?

4. Как измеряется и регулируется расход воздуха в данной работе?

5.По каким признакам можно судить о стационарном режиме теплообмена с окружающей средой?

6. Как осуществляется выбор контрольной оболочки рассматриваемой термодинамической системы?

7.Дайте формулировку и математическое выражение уравнения первого закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта.

8. Укажите способы определения величин, входящих в уравнение 1-го закона термодинамики, используемого для решения задачи данного опыта, с полным обоснованием используемых расчетных формул.

9. Какие существуют методы и приборы для измерения температуры, давления и расхода?

10. Как определяется плотность воздуха в условиях лабораторной установки?

11. Какие виды конвекции существуют, в чем их различие?

12. В чем сущность "Теории подобия" и как с ее помощью определяются коэффициенты теплоотдачи?

13. Как составляются критериальные уравнения?

14. Составьте в общем виде критериальные уравнения для вынужденной и свободной (естественной) конвекции.

15. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для свободной конвекции?

16. Каков физический смысл критериев подобия, входящих в уравнение для вынужденной конвекции?

17. Что такое "определяемый" и "определяющий" критерий?

18. Как выбирается определяющий (характерный) размер и определяющая температура при расчете критериев подобия?

Таблица 3

Лабораторная работа № 7

Температура и методы ее измерения

1. Цель работы

Ознакомление с понятием температуры и методами ее измерения.

2. Температура - мера кинетической энергии составляющих тело молекул

Температура является основным термическим параметром системы. Она является мерой нагретости тела. Температура определяет направление передачи теплоты. Если температура первого тела t₁°С, выше, чем температура второго тела t₂°С, то при тепловом контакте тел теп­лота передается от первого тела ко второму. Если передачи теплоты между телами не происходит, то их температуры одинаковы (t₁ = t₂).

Температура, являясь мерой нагретости тела, представляет собой меру средней кинетической энергии движения составляющих тело атомов и молекул, т.е. температура характеризует среднюю интен­сивность движения молекул; и чем больше кинетическая энергия движения молекул, тем выше температура тела.

При повышении температуры не только возрастает кинетическая энергия движения молекул, но меняется и сам характер движения молекул. Это вызывает изменение и самого состояния тела.

Рассмотрим это на примере последовательного изменения агре­гатного состояния вещества при увеличении его температуры.

При очень низких температурах все вещества находятся в твер­дом состоянии. Их молекулы (атомы) располагаются в узлах крис­таллической решетки и удерживаются в этих положениях силами молекулярного взаимодействия (притяжения). На рис.1 изобра­жена наиболее простая (кубическая) крис­таллическая решетка. Молекулы обозначены точками, а силы молекулярного притяже­ния - условно в виде пружинок.

Рис.1. Кристаллическая (кубическая) решетка вещества

Молекулы не являются неподвижны­ми - они колеблются около состояний рав­новесия. С увеличением температуры ве­щества возрастают кинетическая энергия и амплитуда колебаний этого колебательного движения. В твердых телах температура яв­ляется мерой кинетической энергии коле­бательного движения молекул. С увели­чением температуры кинетическая энергия и амплитуда колебатель­ного движения возрастают, и при некоторой температуре они дости­гают такой величины, что вещество плавится - переходит из твер­дого состояния в жидкое. Температура этого перехода называется температурой плавления t_пл.

В жидкостном состоянии вещества его молекулы по-прежнему образуют кристаллическую структуру и находятся в узлах крис­таллической решетки. Но здесь уже рвутся молекулярные связи (пружинки) на границе больших конгломератов (кусков) молекул, которые получают возможность двигаться (скользить) относительно друг друга - жидкость течет.

При увеличении температуры жидкости от t_пл и выше еще больше возрастают кинетическая энергия и амплитуда колебательного движе­ния молекул относительно состояния равновесия (узлов) в кристалли­ческой решетке. В жидкостях (как и в твердых телах) температура яв­ляется мерой кинетической энергии колебательного движения молекул.

С увеличением температуры энергия колебательного движения еще больше возрастает и достигает такой величины, когда кинети­ческая энергия колебательного движения превышает потенциальную энергию притяжения молекул и кристаллическая решетка разруша­ется. Пружинки (см. рис. 1) рвутся, и молекулы отправляются в свободный полет. Вещество при этом переходит из состояния жид­кости в пар, а температура этого фазового перехода называется тем­пературой кипения t_кип.

В парообразном состоянии вещества его молекулы находятся в состоянии беспорядочного теплового движения. Мерой интенсив­ности этого теплового движения является кинетическая энергия сво­бодного поступательного движения молекул. Между средней кине­тической энергией поступательного движения молекулы mV²/2 и температурой пара (газа) выполняется простое соотношение

mV²/2= 3/2 kT, (1)

где Т - абсолютная температура;

m - масса молекулы;

V - средняя скорость поступательного теплового движения молекул;

k - постоянная Больцмана.

Из этого соотношения следует, что при увеличении температуры пара (газа) линейно возрастает и кинетическая энергия поступатель­ного движения молекул.

Таким образом, независимо от вида агрегатного состояния вещест­ва, температура является мерой кинетической энергии движения его молекул. Отсюда становится ясным и то, почему при тепловом кон­такте теплота передается от нагретого тела к холодному: если два тела с различными средними кинетическими энергиями движения молекул привести в соприкосновение, то тело с большей средней кинетической энергией молекул (с большей температурой) будет отдавать кинети­ческую энергию движения молекул (теплоту) телу с меньшей средней кинетической энергией молекул (с меньшей температурой) в результате взаимодействия молекул соприкасающихся тел.