Измерение теплоемкости Срт воздуха методом проточного калориметрирования

 

В лабораторном калориметре (рис. 2) к потоку газа подводится теплота от электронагревателя и измеряются все величины, необходимые для расчета теплоемкости: расход газа, количество подведенной теплоты, температуры газа на входе в калориметр и на выходе из него.

Расчетное уравнение для определения теплоемкости С_рт в таком калориметре может быть получено следующим образом. Запишем уравнение первого закона термодинамики для стационарного потока газа для сечения 1 на входе и 2 на выходе:

, (12)

где - тепловой поток – количество теплоты, подведенной от электронагревателя в единицу времени, Дж/с или Вт;

- массовый расход газа, кг/с;

h – энтальпия газа, Дж/кг;

W – скорость газа, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

y – координата сечений 1 и 2 канала по высоте, м.

В данном случае работой, затрачиваемой на изменение кинетической энергии газа , можно пренебречь, так как скорости газа W₁ и W₂ мало отличаются друг от друга. Работа, затрачиваемая на изменение потенциальной энергии , равна нулю, поскольку калориметр расположен горизонтально .

Таким образом, уравнение (12) принимает вид:

. (13)

Проинтегрировав известное выражение для идеального газа

(14)

в интервале температур от t₁ до t₂, получим:

, (15)

где - средняя теплоемкость при в интервале температур от t₁ до t₂.

Из уравнений (13) и (15) следует:

. (16)

Проведение опытов

1.

t1

t2

Включить установку (рис. 2).

 

Рис.2. Схема экспериментальной установки:

1 – проточный калориметр, изготовленный из стекла; 2 – вакууммированная оболочка, предназначенная для уменьшения потерь тепла в окружающую среду; 3 – электронагреватель; 4 – дифференциальная термопара, 5,8 – лабораторные автотрансформаторы; 6 – стабилизатор напряжения; 7 – переключатель; 9 – милливольтметр; 10 – вольтметр; 11 – амперметр; 12 – вентилятор; 13 – ротаметр.

2. Установить заданные значения силы тока и расхода воздуха при помощи трансформаторов 5 и 8.

3.

Стационарный режим

Нестационарный режим

4 12 20 t, мин Рис.3. График стационарности.

е, мВ

После включения установки, в которой исследуются тепловые процессы, требуется некоторое время, в течение которого происходит стабилизация измеряемых величин. Нестационарный период прогревания элементов установки постепенно сменяется стационарным и измеряемые величины становятся достоверными.

На графике стационарности (рис. 3) через каждые 2 мин наносить показания милливольтметра е, мВ до наступления стационарного режима.

4. После наступления стационарного режима, о чем свидетельствует неизменность е ~ t₂ - t₁ в течение 3-х измерений, занести показания приборов в таблицу опытных данных, таблица 2,

Таблица 2

Прот . делений	, м3/с	I, A	Uэл, В	е, мВ	, °С	t1, °С	t2, °С	B, мм рт. ст.	р=В, Па

 

где П_рот. – показания ротаметра; - объемный расход – определяется по градуировочному графику; I – сила тока в электронагревателе – показания амперметра; U_эл –падение напряжения на электронагревателе – измеряется с помощью вольтметра; е – термо-э.д.с. – показания милливольтметра; - изменение температуры газа в калориметре – определяется по градуировочному графику; В – барометрическое давление, р – давление газа, равное атмосферному, т.е. барометрическому давлению, р=В.

 

Обработка опытных данных

1. Рассчитать значения теплоемкостей и некоторые характеристики процесса. Результаты занести в таблицу обработки опытных данных (таблица 3).

Таблица 3

Расчетная величина	Формула	Значение
Тепловой поток, выделяемый в электронагревателе	, Дж/с
Массовый расход воздуха	, кг/с, где р 1 =В
Средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха в интервале температур t1 и t2	, кДж/(кг×град)
Средняя массовая изохорная теплоемкость воздуха в интервале температур t1 и t2	, кДж/(кг×град) где , кДж/(кг×град)
Изменение внутренней энергии	, кДж/кг
Изменение энтальпии	, кДж/кг
Изменение энтропии в процессе при	, кДж/(кг×град)
Изменение энтропии в процессе при	, кДж/(кг×град)
Показатель адиабаты

 

2. Определить теплоемкости С_v и C_p воздуха, используя молекулярно-кинетическую теорию газов (таблица 1) и соотношения (11).

Вычислить расхождения с экспериментальными данными

.

3. Рассчитать систематическую погрешность измерений при экспериментальном определении С_рт:

.

Подробно материал к этому пункту изложен в разделе «Оценка погрешности эксперимента».

 

Контрольные вопросы

1. Удельные теплоемкости газов. Определение, обозначения и размерности. Использование для расчетов Q_x.

2. Зависимость теплоемкости от характера процесса подвода теплоты. Уравнение Майера.

3. Зависимость теплоемкости от температуры. Понятие о средней теплоемкости.

4. Сущность метода проточного калориметрирования. Схема экспериментальной установки.

5. Первый закон термодинамики для газового потока. Расчетное выражение для определения теплоемкости.

6. Методика расчета , и .

7. Элементы молекулярно-кинетической теории теплоемкости.

8. Понятие об истинной теплоемкости и ее связи со средней теплоемкостью.

9. Техника проведения теплотехнического эксперимента. Понятие о стационарном режиме.

Лабораторная работа № 23