Определение изобарной теплоемкости воздуха при атмосферном давлении

Цель работы – закрепление знаний по разделу «Теплоемкость системы в

различных процессах». Ознакомление с методикой проведения калориметрического эксперимента.

Содержание – измерение средней изобарной теплоемкости воздуха при атмосферном давлении и интервале температур от комнатной до 50 –70 ⁰С.

Теоретическая основа эксперимента

При расчете теплообменной аппаратуры наиболее важным моментом является определение количества тепла, передаваемого от одного теплоносителя другому. Точный расчет обеспечивает оптимальный режим работы теплообменника.

Сообщение телу тепла при изменении его состояния сопровождается изменением температуры тела, зависящим от характера процесса. Отношение количества тепла dq, подведенного к единицы массы вещества при бесконечно малом изменении его состояния, к изменению температуры dt называют удельной теплоемкостью вещества в данном процессе:

, Дж/(кг ⁰С) (1)

Другими словами, теплоемкость численно равна количеству тепла, которое нужно сообщить единице вещества в некотором процессе для того, чтобы изменить температуру на 1⁰С.

Теплоемкость С_х зависит от того, в каких условиях протекает процесс нагревания (охлаждения) тела. На эту зависимость указывает индекс х в уравнении (1) у частной производной , означающей, что процесс изменения температуры системы происходит вполне определенным образом, а именно, при постоянном значении некоторого параметра х, которым может быть, например, объем системы V, давление р и т.д.

Теплоемкость системы С_х является, таким образом, функцией процесса. Наиболее часто в различного типа теплообменниках происходит процесс передачи тепла при постоянном давлении. Характеристикой системы в таких случаях является удельная изобарная теплоемкость

(2).

Уравнение (2) определяет значение теплоемкости при фиксированных величинах параметров t и p, поэтому вычисленная по формуле (2) теплоемкость называется истинной. Истинная теплоемкость является калориметрической характеристикой бесконечно малых процессов, в которых параметры системы изменяются на бесконечно малые величины.

На практике в различных процессах параметры системы меняются на конечные величины. Для расчета конечных процессов применяют средние теплоемкости.

В частности, средней удельной изобарной теплоемкостью в интервале температур от t₁ до t₂ называют отношение количества тепла q_1-2, которое необходимо сообщить одному килограмму вещества в процессе при постоянном давлении, чтобы вызвать изменение температуры от t₁ до t₂:

(3).

Средняя изобарная теплоемкость переходит в истинную, когда величина изменения температуры стремится к нулю t₂ – t₁ 0.

Для идеального газа истинная изобарная теплоемкость рассчитывается из следующего выражения:

(4)

где d = число степеней свободы молекул газа (зависит от атомности молекул I

следующим образом: i =1, d =3; i= 2, d =5; i 3, d =6);

= 8314 Дж/(кмоль× град)– универсальная газовая постоянная;

– молекулярный вес газа (для воздуха =29, i =2, d =5), кг/кмоль.

Описание установки

Экспериментальная установка для определения изобарной теплоемкости воздуха методом протока (проточный калориметр) изображена на стенде. В установке измеряется количество тепла Q, которое необходимо подвести к количеству воздуха G для того, чтобы повысить его температуру на измеряемую величину t₂– t_1.

Основным элементом калориметра является электрический нагреватель 8, от которого отводится тепло к обтекающему его воздуху. Тепловыми потерями от нагретого воздуха в окружающую среду на участке от нагревателя до точки замера температуры воздуха t₂ можно пренебречь вследствие малости этого расстояния. Питание нагревателя переменным током осуществляется от лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа) 1, позволяющего регулировать количество тепла, выделяемого нагревателем. Контроль напряжения и силы тока в цепи нагревателя производится с помощью вольтметра 1 и амперметра 2.

Движение воздуха через калориметр создается вентилятором 6, приводимым во вращение электродвигателем. Реостат 3 дает возможность изменить скорость вращения электродвигателя и тем самым изменять расход воздуха через калориметр.

Температура t₁ воздуха, засасываемого вентилятором из помещения измеряется термометром 7, а температура t₂ нагретого воздуха на выходе из калориметра – термометром 5.

Расход воздуха через калориметр определяется по перепаду давления на трубках полного напора и статического давления, закрепленных у выходного конца трубы. Перепад давления на этих трубках измеряется чашечным микроманометром 4.

Во избежание перегара электродвигателя при отсутствии охлаждающего потока воздуха через трубку, создана такая схема включения нагревателя и электродвигателя в электросеть, при которой в первую очередь включается электродвигатель вентилятора.

Проведение эксперимента.

Автотрансформатор перед включением должен быть выведен в крайнее положение вращением ползунка против часовой стрелки, а ползунок реостата необходимо установить в первое положение, указанное перед началом работы. Положение ползунка реостата L определяется по делениям шкалы, отмеченной на корпусе реостата.

После включения электродвигателя установить вращением ползунка автотрансформатора заданную величину тока в цепи нагревателя. Температура воздуха на выходе из калориметра начинает повышаться. В установившемся режиме, наступающем примерно через 4 минуты (когда температура воздуха на выходе перестает изменяться) производится запись показаний амперметра, вольтметра, термометров на входе и выходе калориметра, а также показание чашечного микроманометра.

Подобные измерения проводятся во всех заданных режимах. Режимы устанавливаются изменением положения ползунка реостата (расход воздуха) и изменением тока в цепи нагревателя (количество подводимого к воздуху тепла).

Один раз во время опыта определяется барометрическое давление по барометру – анероиду, закрепленному на стене в помещении лаборатории.

Данные измерения заносятся в таблицу 1.

Обработка результатов измерений.

Средняя удельная изобарная теплоемкость воздуха в диапазоне температур t₁ – t₂ рассчитывается из соотношения:

(5)

где Y– показания амперметра;

U– показания вольтметра;

G– массовый расход воздуха через калориметр.

Массовый расход вычисляется следующим образом:

(6)

где d = 0,037 м– внутренний диаметр трубы сечения, где производится замер скорости;

– средняя скорость потока воздуха в замеряемом сечении вблизи выхода из калориметра;

r– плотность воздуха на выходе, определяемая из уравнения состояния идеального газа Клайперона – Менделлева (формула 7)

(7)

здесь р – давление воздуха в помещении, выраженное в Н/м², переведенное из показания барометра – анероида с помощью соотношения: 760 мм.рт.ст. = 10⁵ Н/м²;

– абсолютная температура воздуха на выходе из калорифера;

– смотри пояснение к формуле (4).

Скорость воздуха в трубе определяется по методике, изложенной в работе «Измерение скорости воздуха» и вычисляется по формуле:

(8)

здесь =1000 кг/м³– плотность заполняющей микроманометр жидкости (вода);

g =9,81м/сек² – ускорение силы тяжести;

k = 0,2– коэффициент на нониусе микроманометра;

l– длина столбика жидкости в трубе микроманометра.

Объединяя формулы (5)и (8), получаем окончательное выражение для расчета средней удельной изобарной теплоемкости воздуха:

(9)

Вычисление теплоемкости производится для всех режимов и полученные данные изобразить в координатах в виде зависимости средней изобарной теплоемкости воздуха от диапазона температур t₂ – t_1.

Подробный пример обработки данных для одного из режимов должен быть приведен в отчете. Кроме того, необходимо вычислить изобарную теплоемкость воздуха по формуле (4), считая ее идеальным двухатомным газом и сравнить полученные результаты с экспериментальными. Результаты расчетов свети в таблицу.

Таблица 1

№ пп	Положение реостата	U	Y	l	t1	t2	t2 – t1
		В	А	м	0С	0С	0С	Дж/(кг×К)

Поиск по сайту: