5169

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель работы – установление соотношения между двумя формами передачи энергии – затраченной работой и количеством выделившегося тепла. Задачей работы является экспериментальное определение теплового эквивалента работы и механического эквивалента тепла.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первая попытка определения соотношения между теплотой и работой была предпринята Майером в 1842 г. Используя полученное им уравнение

Майер вычислил значение механического эквивалента тепла J.

Для этого он использовал значение (cp – cv) в килокалориях (ккал/кг град) по результатам экспериментальных измерений теплоемкости газов при невысоких давлениях и расчетное значение газовой постоянной R в килограммометрах (кгс м/кг град) по уравнению состояния идеальных газов. Он приравнял эти величины друг к другу и таким путем вычислил механический эквивалент тепла. Численное значение J найденное Майером было приближенным вследствие невысокой точности использованных им экспериментальных значений теплоемкостей cp и cv газов.

Более точное определение соотношения между теплотой и работой провел Джоуль в своих опытах в период 1843 – 1850 г. Цель опытов состояла в том, чтобы установить соотношение между работой, затрачиваемой при выделении тепла, и количеством выделившегося тепла.

Схема опытной установки Джоуля изображена на рис. 1. В теплоизолированный медный сосуд 1, заполненный водой, погружена мешалка 2, снабженная лопатками. К стенкам сосуда также прикреплены лопатки 3, затрудняющие движение воды при вращении мешалки. Мешалка приводится во вращение при опускании груза 4 весом mg связанного с ней тросом через блок 5. При опускании груза на высоту h работа, производимая грузом (и следовательно мешалкой), равняется убыли потенциальной энергии груза mg¿Δh. Тепло Q, выделившееся в сосуде с водой, вычисляется по повышению температуры воды, измеряемой термометром.

4

сосуде при вращении мешалки 2. Привод мешалки осуществляется от электродвигателя 9 через редуктор 8. Вспомогательный сосуд 4 соединен с прибором 1 трубкой и служит для заполнения экспериментального прибора заранее измеренным количеством дистиллированной воды при подъеме его выше прибора 1. При опускании сосуда 4 ниже уровня прибора 1, вода из экспериментального прибора перетекает в вспомогательный сосуд. Лабораторный стенд снабжен измерительными приборами. Температура воды измеряется тремя термометрами сопротивления 10 и электронным прибором в блоке управления 5. Потребляемая мощность электродвигателя измеряется ваттметром 6. Температура корпуса электродвигателя 9 контролируется термопарой и милливольтметром 7 (Щ4316).

Работа, подведенная к приводу мешалки, расходуется на: совершение работы трения Lв, при движении воды в сосуде; на работу трения L0, в подшипниках и редукторе и на

При движении жидкости в сосуде возникают силы трения, на преодоление которых затрачивается работа Lв. Эта работа превращается в тепло Qв, которое сообщается воде, повышая её температуру и часть теплоты Qс, воспринимает корпус прибора, перегородки и мешалка. Следовательно, теплота Q эквивалентная затраченной работе равна:

сопротивления 10, расположенными в экспериментальном сосуде. Показания термометров выводятся на блок управления 5.

где cp – теплоемкость воды при постоянном давлении, Дж/кг К, m –масса воды в сосуде, кг, t1, t2 – начальная и конечная температура воды в сосуде.

Работа трения L0 в подшипниках мешалки и редукторе 8 определяется при вращении мешалки в незаполненном водой приборе, используя показания ваттметра W0:

Работа Lэ затраченная на электромагнитные потери в двигателе превращается в теплоту и определяется по повышению

где mэ – масса электродвигателя; cэ – средняя теплоемкость материала электродвигателя; tк, tн – конечная и начальная температура электродвигателя в течение опыта.

Теплота Qс, воспринятая стенками прибора, перегородками и мешалкой, определяется, используя массу стенок прибора, массу перегородок и мешалки, а также, теплофизические свойства материала, из которого изготовлен экспериментальный прибор перегородки и мешалка. Потери тепла в окружающую среду не учитываются вследствие малой разности температур между корпусом сосуда и окружающим воздухом.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед выполнением лабораторной работы необходимо изучить устройство экспериментального стенда и методику проведения лабораторной работы. Следует проверить заземление и в течение опыта строго выполнять правила техники безопасности при работе на электроустановках.

Все измеряемые параметры заносятся в журнал наблюдений (приложение, табл. 1), отражающий ход лабораторной работы.

Лабораторная работа выполняется в следующей последовательности:

1.Включить блок управления 5 кнопкой ◙ и милливольтметр Щ 4316 красной клавишей на панели прибора.

2.Включить блок управления для измерения температуры клавишей t.

3.Включить электродвигатель мешалки клавишей 1 и измерить потребляемую мощность двигателя W0 ваттметром 6 без воды в экспериментальном приборе. Показание ваттметра записать

вжурнал наблюдений.

4.Заполнить экспериментальный прибор водой, для чего поднять вспомогательный сосуд на верхнее положение стола. Провести измерение потребляемой мощности двигателя W и температуры воды в экспериментальном приборе t1 по показанию термометра блока управления. Записать в журнал наблюдений

6

время начала опыта, показание ваттметра и электронного термометра.

5. По истечении 30 минут работы прибора произвести запись показаний всех измерительных устройств. Определить изменение температуры поверхности электродвигателя по показаниям милливольтметра Щ 4316 по формуле

(tк – tн), = (mVк – mVн)/0,0667.

Записать значение температуры t2 по показаниям термометра блока управления.

6.Опустить вспомогательный сосуд 4 на нижний уровень поверхности стола, для слива воды из экспериментального прибора.

7.Выключить мешалку клавишей 2, блок управления кнопкой ◙ и милливольтметр Щ 4316 красной клавишей на панели прибора.

6.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Определение теплового эквивалента работы А и механического эквивалента тепла J производится в следующей последовательности.

По разности между потребляемой мощностью при вращении мешалки в приборе, заполненном водой, и при вращении мешалки в приборе без воды, определяют работу на преодоление сил трения при движении жидкости в сосуде Lв, (Дж), учитывая электромагнитные потери работы в электродвигателе:

Lв = (W – W0) τ – Lэ, (10) где W, W0– потребляемая мощность измеренная ваттметром при полном и пустом сосуде, Вт (Дж/с); τ – время проведения эксперимента, с; Lэ – работа, затраченная на электромагнитные потери в двигателе, (Дж).

Работа Lэ затраченная на электромагнитные потери в двигателе определяется по формуле (9). Масса электродвигателя mэ = 0,2124 кг, средняя теплоемкость материала электродвигателя (медная обмотка якоря и сталь корпуса) сэ = 0,45 кДж/кг К.

Определяем теплоту трения Q как сумму теплоты Qв, воспринятую водой по формуле (7) и теплоту Qс, затраченную на нагрев стенок экспериментального прибора, перегородок и мешалку.

где Qс определяется по формуле:

7

Qс = (t2 – t1)( mст сст + mм см).

Масса стенок экспериментального сосуда, омываемых водой, составляет mст = 1,5 кг. Средняя теплоемкость материала прибора (органического стекла) составляет сст = 1,5 кДж/(кг К). Масса перегородок и мешалки равна mм = 1,1 кг. Средняя теплоемкость материала перегородок и мешалки (сталь Х18Н10Т) составляет см = 0,5 кДж/кг К. Средняя теплоемкость воды в экспериментальном приборе составляет ср = 4,19 кДж/(кг К). Разность температур (t2 – t1) соответствует повышению температуры воды в экспериментальном приборе.

Из полученных результатов измерений вычисляют величину А, которая носит наименование теплового эквивалента работы и J – механического эквивалента тепла, используя значение теплоты

Данные результатов расчета сводят в табл. 2 приложения.

7. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При работе на лабораторном стенде необходимо соблюдать правила техники безопасности. Стенд должен быть заземлен и находится в исправном состоянии. Все токоведущие части должны иметь надежную изоляцию. Работать только в присутствии

лаборанта или преподавателя.

Запрещается:

1.Производить исправления в электрической схеме, находящейся под напряжением.

2.Работать с неисправным оборудованием.

3.Касаться проводников, металлических клемм и других деталей, находящихся под электрическим напряжением.

Если возникло возгорание, следует немедленно обесточить лабораторную установку, вызвать пожарную команду и тушить огонь только углекислотным огнетушителем.

8

8. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет оформляется на листах писчей бумаги формата А4 с рамками и штампами и должен содержать:

1.титульный лист установленной формы;

2.цель работы и методику определения теплового эквивалента работы и механического эквивалента тепла

3.принципиальную схему лабораторной установки с основными техническими параметрами;

4.обработку результатов опыта и таблицу измеренных и расчетных величин;

5.сопоставление результатов опыта и известных величин, расчет погрешности опыта;

6.выводы по работе.

Чертежи, схемы и таблицы следует оформлять в соответствии с ГОСТ 2105–95 žОбщие положения¤.

9. ФОРМЫ И СРОКИ КОНТРОЛЯ

Студент выполняет лабораторную работу в 3 семестре. Конкретные сроки выполнения и контроля лабораторной работы зависят от подгруппы и бригады, в которой состоит данный студент.

После выполнения лабораторной работы, обработки результатов опытов и оформления отчета проводится текущий контроль в форме коллоквиума. Студент отвечает по теме лабораторной работы на контрольные вопросы из следующего списка.

Контрольные вопросы

1.Цель лабораторной работы.

2.Дайте определение теплоты и работы.

3.В чем различие между теплотой и работой?

4.Единицы измерения теплоты в системе СИ и соотношения с другими системами измерения.

5.В чем заключается смысл первого закона термодинамики?

6.Дайте определение вечного двигателя первого рода.

7.Дайте формулировку закона сохранения и превращения энергии.

9

8.Напишите уравнение теплового баланса лабораторного стенда.

9.Как можно определить механический эквивалент тепла используя уравнение Майера?

10.С какой целью в начале лабораторной работы проводили измерения потребляемой мощности в экспериментальном приборе без заполнения водой?

11.Вследствие чего температура воды в экспериментальном

сосуде увеличивается при перемешивании?

12.Для чего установлены перегородки в экспериментальном приборе?

13.Перечислите механизмы передачи теплоты от одного тела к другому.

14.Чему равен коэффициент полезного действия лабораторного стенда?

10.СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Мазур, Л. С. Техническая термодинамика и теплотехника: учебник / Л. С. Мазур. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 352 с.

2.Теплотехника: учеб. для вузов / В.Н. Луканин [и др.]; под общ. ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2003. – 671 с.

3.Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А.Носков. –ООО ТИД žАльянс¤, 2006.- 575 с.

4. Кириллин, В. А. Техническая термодинамика / В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А.Е. Шейндлин. – М.: Энергия, 1974.–448 с.

5. Рабинович, О. М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. – 344 с.

6. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие для вузов / Т. Н. Андрианова, Б. В. Дзамнов, В. Н. Зубарев и др. – М.: Энергоиздат, 1981. – 240 с.