3. Описание лабораторной установки

Схема экспериментальной установки показана на рис.3.1.

Между двойными стенками баллона 1 циркулирует проточная вода, которая поддерживает во время опыта постоянную температуру стенок, равную Т₀.

Внутри баллона установлен электрический нагреватель 2, через который проходит воздух, подаваемый в баллон из компрессора 3.

В трубопроводе, соединяющем компрессор с баллоном, установлены два крана: первый 4 – для соединения воздушной системы с атмосферой; второй 5 – для регулирования подачи воздуха в баллон и для герметичного перекрытия входного трубопровода.

В верхней крышке баллона установлены: электромагнитный клапан ЭМК 6, через который выпускается воздух из баллона; трубка, через которую полость баллона соединяется с манометром 7 и с отсечным механизмом ЭМК 8; термометр 9, с помощью которого измеряется температура воздуха в баллоне перед опытом.

Электромагнитный клапан работает на постоянном токе и подключен к выпрямителю 10. При прохождении тока через катушку электромагнита сердечник втягивается и открывает клапан 11, который соединяет полость баллона с атмосферой. При выключении электромагнита пружина 12 возвращает сердечник и закрывает клапан 11.

Включение ЭМК производиться тумблером 13, а выключение – отсечным механизмом 8, который срабатывает при падении давления в баллоне до атмосферного.

Для исключения повторного замыкания электрической цепи, в отсечном механизме 8 установлен кулачковый предохранитель, который взводится ручкой 14. Включение нагревателя 2 производится тумблером 15, при этом загорается контрольная лампочка 16.

Рис.3.1. Схема установки для исследования термодинамических процессов.

4. Порядок проведения эксперемента и обработка опытных данных

На рис.4.1. показаны графики процессов, которые исследуются на рассмотренной установке.

Опыты проводятся в баллоне, где термодинамические процессы осуществляются путем нагрева, охлаждения или изменения массы воздуха.

Начальное состояние воздуха в баллоне обозначается на диаграмме цифрой 0. Для его получения необходимо соединить полость баллона с атмосферой, открыв краны 4 и 5, и включить подачу воды в систему охлаждения. Чтобы температура воздуха в баллоне стала равной температуре охлаждающей воды необходимо выждать некоторое время (не менее 20 минут). После этого снимают показания термометра 9: t₀ в ⁰С и барометра: p_б в мм. рт. ст. Затем рассчитывают начальные параметры состояния воздуха в баллоне (точка 0):

Т₀ = t₀ + 273, К; р₀ = 0,133· р_б, кН/м²;

v₀ = , м³/кг.

Где: R = 287 Дж/кг·К (газовая постоянная для воздуха).

Рис. 4.1. Графики исследуемых процессов.

Процесс политропического сжатия (на диаграмме кривая 0 – 1) производиться путем нагрева и подачи в баллон дополнительной массы воздуха.

Для этого необходимо:

1. Ручку 14 отвести от себя и таким образом развести кулачки предохранителя.

2. Перекрыть краны 4 и 5.

3. Подключить установку к электросети.

4.Установить на выходе из выпрямителя напряжение 24 В.

5. Включить тумблером 15 нагреватель и проверить его работу по контрольной лампочке 16.

6. Через 5 минут включить компрессор 3 и открыть кран 5.

7. Освободить предохранитель отсечного клапана, поставив ручку 14 в исходное положение.

8. При достижении в баллоне избыточного давления воздуха по показаниям манометра 7 р_м1 = 0,8 – 0,9 кг/см², выключить нагреватель 2 и закрыть кран 5. Рассчитать давление воздуха в баллоне в конце процесса:

р₁ = р₀ + 98,1· р_м1, кН/м².

Определить показатель политропы на участке 0 – 1 по формуле (4):

n = lg(p₁/p₀) / lg(v₀/v₁)

Изохорный процесс (кривая 1 – 2 на диаграмме) протекает в результате охлаждения воздуха водой. Чтобы температура воздуха понизилась до первоначальной (Т₂ = Т₀), его продолжительность должна быть достаточной (не менее 30 минут). В конце процесса измеряют по манометру 7 давление воздуха в баллоне р_м2 и рассчитывают:

р₂ = р₀ + 98,1· р_м2 кН/м²;

v₂ = R·T₀ / (p₂·10³)= R·T₂ /( p₂·10³) м³/кг;

так как v₁ = v₂, то Т₁ = Т₀ · р₁ / р₂ К.

Процесс сжатия воздуха 0-1 может приближенно рассматриваться как политропный; при этом средний показатель политропы на участке 0-1 определяется по формуле (4):

n = lq(p₁/p₀) / lq(v₀/v₁).

Процесс расширения воздуха в баллоне (кривая 2 – 3 на диаграмме) происходит при открытии тумблером 13 электромагнитного клапана 6 и истечении воздуха из баллона. Вследствие кратковременности процесса истечения теплообмен между воздухом и стенками баллона пренебрежимо мал, так что этот процесс получается практически адиабатным. При снижении давления воздуха в баллоне до атмосферного отсечной механизм 8 выключает ЭМК 6 и клапан 11 закрывается.

В конце процесса адиабатного расширения давление воздуха в баллоне равно атмосферному (р₃ = р₀), а температура Т₃ ниже чем первоначальная Т_{2 ,} т.е. чем температура стенок Т₀.

Следующий изохорный процесс (кривая 3 – 4 на диаграмме) протекает в результате нагрева воздуха от стенок баллона до температуры Т₄ = Т₀. В конце процесса, продолжительность которого должна быть не менее 20 минут, по манометру 7 измеряют давление р_м4 и рассчитывают:

р₄ = р₀ + 98,1· р_м4 кН/м²; v₄ = R·T₄ / (p₄·10³) м³/кг;

а так как v₃ = v₄, то Т₃ = Т₀· р₃ / р₄ К.

Показатель адиабатного процесса k определяется по формуле (4):

k = lq(p₂/p₃) / lq(v₃/v₂).

Результаты измерений и расчетов заносят в протокол (Таблица 4.1.)

Таблица 4.1.

Параметры воздуха	Точки на диаграмме							Процессы	Показатели политроп процессов n
	0	1	2	3	4	а	б
рм, кг/см2								0 – 1
p, кН/м2								1 – 2
Т, 0К								2 – 3
v, м3/кг								3 – 4
								0 – 4 – 2