Влияние типа термодинамического процесса

Лабораторная работа № 2

Определение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении

Цель работы

1. Ознакомление с устройством экспериментальной установки для определения теплоемкости воздуха при постоянном давлении.

2. Определить экспериментальным путем среднее значение теплоемкости воздуха в изобарном процессе.

 

Задание:

1. Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.

2. Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента на заданном режиме ее работы, произвести замер термодинамических параметров.

3. Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу.

4. Сделать выводы по работе.

Общие сведения

Теплоемкостьютела называется количество теплоты, поглощаемой телом, при повышении его температуры на один градус.

Теплоемкость характеризует способность газа (как рабочего тела тепловой машины) воспринимать или отдавать энергию в форме теплоты.

Различают: истинную, среднюю, удельную, объемную и молярную теплоемкости газа.

Истинной теплоемкостью газа называют отношение элементарного количества теплоты, полученного газом в каком-либо процессе, к соответствующему изменению температуры газа в этом процессе.

Теплоемкость обозначают символом С, тогда

, (1)

где С - истинная теплоемкость газа, Дж/К;

dQ - элементарное количество теплоты, Дж;

dT - элементарное изменение температуры, К.

Физически истинная теплоемкость выражает теплоемкость газа в данной точке процесса, т.е. при данной температуре газа.

Опыты показывают, что теплоемкость газа в термодинамическом процессе изменяется, так как зависит от температуры газа. В связи с этим вводят понятие о средней теплоемкости газа.

Средней теплоемкостью газа называют отношение количества теплоты, полученного газом в процессе, к изменению температуры газа в этом процессе

, (2)

где - средняя теплоемкость газа, Дж/К;

Q_1,2 - количество теплоты, полученное газом в процессе 1-2, Дж;

Т₁ и Т₂ - температуры газа в начале и конце процесса, К;

Т₂-Т₁=DТ - изменение температуры газа в процессе, К.

Формулы (1) и (2) выражают теплоемкость произвольной массы газа (рабочего тела). Однако при расчетах теплоты удобнее использовать удельную. Удельной теплоемкостью газа называют отношение теплоемкости газа к его массе. Разделив указанные выше выражения (1) и (2) на массу газа (рабочего тела), получим:

,

где с - истинная удельная теплоемкость газа, Дж/(кг×К);

m - масса газа;

dq - элементарная удельная теплота процесса, Дж/кг.

 

Теплоемкость газа зависит от:

1) типа термодинамического процесса;

2) рода газа;

3) параметров состояния газа.

 

Влияние типа термодинамического процесса

Значение теплоемкости газа (рабочего тела) зависит от типа процесса. На практике чаще всего приходится встречаться со случаями нагрева газа при постоянном объеме (изохорный процесс) или при постоянном давлении (изобарный процесс). Соответственно различают:

- удельную изохорную теплоемкость газа с_υ, Дж/(кг×К);

- удельную изобарную теплоемкость газа с_р, Дж/(кг×К).

Подведенная в изохорном процессе теплота полностью идет на нагрев газа (увеличение внутренней энергии газа). В изобарном процессе по мере нагрева газ будет расширяется и подведенная теплота частично пойдет на нагрев газа, а частично на совершение газом работы.

Между с_υ и с_р существует связь:

c_р - c_υ = R,

где R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг×К).

Данное уравнение называется уравнением Майера. Из него следует, что для идеальных газов разность между удельной изобарной и удельной изохорной теплоемкостями равна удельной газовой постоянной или работе совершаемой 1кг газа при нагреве его на 1К.

В теплотехнических расчетах часто используют понятие, именуемое показателем адиабаты. Показателем адиабаты называется отношение удельной изобарной теплоемкости к удельной изохорной теплоемкости газа.

 

Его обозначают символом к:

.

Используя уравнение Майера и выражение для показателя адиабаты, можно получить формулу для определения удельных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме газа

или .

 

Влияние рода газа.

Идеальный газ состоит из материальных точек, совершающих поступательные и вращательные движения.

Поступательное движение можно разложить по направлениям трех координатных осей, определяющих три степени свободы поступательного движения молекул.

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией газов, внутренняя энергия газов равномерно распределяется по степеням свободы поступательного и вращательного движения молекул. Тогда на основании молекулярно-кинетической теории теплоемкости можно записать для 1 моль газа следующие зависимости:

и ,

 

где Y - число степенной свободы молекул газа.

По формулам, зная число степеней свободы, можно определить для любого газа с_m.p и с_m.υ, а также показатель адиабаты, имея в виду, что молекула одноатомного газа имеет Y =3 (только поступательного движения), двухатомного - Y =5 (три поступательного и две вращательного), находящегося на линии, соединяющей оба атома, трех- и многоатомного - Y =6 (три поступательного и три вращательного).