I. Постановка задачи

Целью работы является углубление знаний по теории теплоем­кости, изучение методики опытного определения теплоемкости га­зов в изобарном процессе методом проточного калориметрирования и получение навыков в проведении эксперимента.

К выполнению работы следует приступить после проработки следующей литературы:

1. Техническая термодинамика. Под ред. В. И. Крутова. - М.: Высшая школа, 1971, с.116-126.

2. Зубарев В.Н., Александров А.А. Практикум по технической термодинамике,- М.: Энергия, 1971, с. 23-132, с. 226-232.

Продолжительность работы -2 ч, домашняя работа -2 ч.

2. Теоретические основы

При сообщении телу бесконечно малого количества теплоты δQ температура его изменяется на бесконечно малую величину dT; теплоемкостью С тела называют отношение этих величия, т.е.

В практике расчетов значение имеют удельные теплоемкости, т.е. теплоемкости, отнесенные к какой-либо количественной еди­нице тела.

Рассматривая удельную теплоемкость для газообразных рабочих тел, следует отметить, что величина ее зависит от природы рабоче­го тела, от количественной единицы, к которой ее относят, от ха­рактера процесса теплообмена и от параметров состояния рабочего тела.

Таким образом, удельная теплоемкость численно равна коли­честву теплоты, которое необходимо сообщить какой-то количествен­ной единице рабочего тела, чтобы в данном процессе и пря данных его параметрах изменять температуру этого тела на I К.

Различают массовую С (кДж/(кг∙К)), объемную С`(кДж/(м³∙К)) и мольную С_μ (кДж/(моль∙К)) удельные теплоемкости (я дальнейшем для краткости слово "удельная" будем опускать). Тогда истинная (т.е. для данных параметров рабочего тела) массовая теплоемкость в каком-то процессе s=Const может быть вычислена как

Если процесс s=Const конечный, т.е. в процессе подведено конеч­ное количество теплоты qs и изменение температуры dT так­же конечное, то иногда целесообразно получить значение средней теплоемкости:

или ,

где m - масса рабочего тела в кг; Qs - количество подведен­ной к телу теплоты.

Из всего множества теплоемкостей, соответствующих различным встречающимся на практике процессам, для термодинамического ана­лиза и теплотехнических расчетов имеют особое значение теплоем­кости в процессах при постоянном объеме С_v и при постоянном давления С_р.

Значения теплоемкостей для наиболее важных рабочих тел опре­деляется экспериментально. Наиболее просто определяется изобарная теплоемкость С_р. Экспериментальное определение изохорной теплоемкости С_v в силу ряда причин является более сложным. Но при известном С_р и p , υ, Т - для данного ра­бочего тела С_v может быть рассчитана при помощи дифференциальных уравнений термодинамики.

Изобарную теплоемкость газов и паров почта всегда определяют путем проточного калориметрирования. Для этого к газу, проходящему через проточный калориметр, подводят теплоту, например, при помощи электронагревателя. Измеряют расход газа, количество под­веденной теплоты, температуры газа на входе в калориметр и выхо­де из него (рис.1).

При установившемся режиме течения газа через калориметр для сечений 1 и 2 можно записать уравнение первого закона термодина­мики для потока

(1)

Здесь q_эл - теплота, подведенная от электрического нагревателя к 1 кг проходящего газа; q_тп - тепловые потеря в окружающую среду, отнесенные к 1 кг газа.

Скорости W₁ и W₂ незначительно отличаются друг от друга, техническая работа l_тех , а H₂=H₁, так как калориметр рас­положен горизонтально.

Тогда уравнение (I) перепишется так:

(2)

В общем случае энтальпия газа зависит от температуры и давле­ния и

(3)

Воздух при атмосферном давлении по своим свойствам близок к идеальному газу. Уравнение состояния идеального газа pυ=RT, следовательно второй член в правой части уравнения (3) равен ну­лю. Т.е. вместо уравнения (3) будет

(4)

или, для конечного изменения температуры,

(5)

Здесь С_рср - средняя массовая теплоемкость воздуха при изобарном процессе в интервале температур опыта.

Подставляя разность энтальпий из (5) в (2) и решая относи­тельно С_рср, получим:

(6)

Поскольку в эксперименте теплота определяется в единицу вре­меня (за 1 с ), то

(7)

где m (кг/с) - секундный расход газа через калориметр.

Формулой (7) и будем пользоваться при обработке эксперимен­тальных данных.

Следует помнить, что для реальных газов приходится учитывать зависимость энтальпии от давления (уравнение (3)), и формула для расчета теплоемкости усложняется.