Определение удельной теплоты парообразования воды
цель работы
Усвоение и закрепление теоретического материала по теме курса термодинамики "Водяной пар", а также овладение методами эксперимента и обработки полученных данных, ознакомление с таблицами "Теплофизические свойства воды и водяного пара".
ЗАДАНИЕ
1. Изучить схему экспериментальной установки, включить её и вывести на заданный стационарный тепловой режим.
2. Провести опыт в соответствии с методическими указаниями, заполнить таблицу 1.
3. Определить удельную теплоту, затраченную на парообразование воды в опыте.
4. Для изобарного процесса парообразования определить табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, а также удельную теплоту парообразования.
5. Вычислить внутреннюю энергию жидкости на линии насыщения пара для условий опыта.
6. Вычислить погрешность найденного значения удельной теплоты парообразования по отношению к табличному.
7. Изобразить процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
8. Сделать вывод по работе.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Переход вещества из жидкого состояния в газообразное, называется парообразованием, обратный переход - конденсацией. Кипение жидкости - это процесс парообразования внутри жидкости, происходящий при строго определенной температуре tн, °C, определяемой давлением. Если газообразная фаза существует с жидкой фазой того же вещества, то её называют паром. Газообразной фазой системы является сухой насыщенный пар, а жидкой фазой - жидкость, сохраняющая состояние, соответствующее началу парообразования.
При парообразовании по изобарно-изотермическому процессу, согласно первому закону термодинамики, удельная теплота фазового превращения (удельная теплота парообразования) r, Дж/кг,
r = u" - u' + p (v" -v'), (1)
или
r = i" - i', (2)
где u", i", v" - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём сухого насыщенного пара, м3/кг;
u', i', v' - соответственно внутренняя энергия, энтальпия, Дж/кг, и удельный объём жидкости в состоянии насыщения, м3/кг.
Давление р, Па, не отмечается специальными индексами, так как оно не меняется в течение всего фазового перехода и равно давлению насыщения.
Таким образом, удельная теплота парообразования включает в себя изменение внутренней энергии вещества и работу изменения объёма при фазовом переходе.
Удельная теплота парообразования функционально связана с параметрами состояния. Для большинства применяющихся на практике веществ определены и сведены в таблицы свойства жидкости и пара на линии насыщения. В этих таблицах приводятся значения р и t на линии насыщения и соответствующие им значения величин v', v", i', i", r, s', s". Внутренняя энергия жидкости на линии насыщения u', Дж/кг, и сухого насыщенного пара u", Дж/кг, определится соответственно по уравнениям
u' = i' -pv' (3)
и
u" = i" -pv" (4)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Рисунок. Схема экспериментальной установки
Экспериментальная установка (рисунок) состоит из сосуда Дьюара 1 с электронагревателем 2, в который из емкости 3 наливается порция дистиллированной воды, регулируемая вентилем 4. Образующийся пар в конденсаторе 5, по которому проходит водопроводная вода, превращается в жидкость. Расход воды регулируется вентилем 7 по контрольному фонарю 8. Образующийся конденсат собирается в мерный цилиндр 9. На щите управления находятся: переключатель "СЕТЬ" 10, вольтметр 11, амперметр 12, переключатель режимов 13; 6 - стеклянная воронка.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА
1. Включить установку в сеть поворотом переключателя 10 в положение "1".
2. Проверить заполнение сосуда Дьюара 1, установив переключатель режимов 13 в положение "ЗАПОЛНЕНИЕ". Если при этом загорится зеленая сигнальная лампа "Сосуд заполнен", можно приступать к выполнению эксперимента. В противном случае сосуд заполняется дистиллированной водой, для чего открывается вентиль 4. После загорания зеленой сигнальной лампы сосуд плотно закрыть.
3. Перевести переключатель 13 в положение "НАГРЕВАНИЕ".
4. Поворачивая ручку автотрансформатора 14, установить заданное преподавателем значение напряжения на нагревателе U, В (и силу тока I, А).
5. Подать охлаждающую воду на конденсатор 5, открыв вентиль 7 и отрегулировать расход воды по контрольному фонарю 8.
6. При установлении стационарного режима кипения воды в сосуде Дьюара (в мерном цилиндре 9 наберется 15-20 см конденсата) произвести контрольный сбор конденсата в количестве, указанном преподавателем (V, м3). Продолжительность контрольного сбора t, с, определить по секундомеру.
7. По барометру определить атмосферное давление Pa, мм.рт.ст.
8. Данные измерений внести в таблицу наблюдений и подписать ее у преподавателя.
9. Включить установку поворотом переключателя "0", закрыть вентиль 7, рукоятку автотрансформатора повернуть против часовой стрелки до упора, конденсат слить в емкость 3.
Т а б л и ц а 1
|
Номер замера |
U, В |
I, А |
Pа мм. рт. ст. |
V, м3 |
t, с |
|
1. 2. и т.д. |
|
|
|
|
|
ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ
1. Вычислить количество теплоты, затраченной на парообразование 1 кг воды rоп , Дж/кг:
rоп = (W - Q) / (Vr),
где W = UI - мощность нагревателя, Вт;
Q = 0,04W - тепловые потери, Вт;
r - плотность конденсата, кг/ м3. Принимаем r = 1000 кг/ м3.
2. Считая, что кипение воды происходит при атмосферном давлении, определить по [4] табличные значения параметров воды на линии насыщения и сухого насыщенного пара, которые занести в таблицу 2.
Т а б л и ц а 2
|
v', м3/кг |
i', кДж/кг |
S', кДж/(кгК) |
v", м3/кг |
i", кДж/кг |
S", Дж/(кгK) |
r, кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Вычислить значения внутренней энергии воды на линии насыщения u' и сухого насыщенного пара u", кДж/кг, по формулам (3) и (4).
4. Вычислить погрешность, %, найденного значения удельной теплоты парообразования rоп , кДж/кг, по отношению к табличному r, кДж/кг, по формуле:
D = (rоп - r) 100 / r .
5. Представить графически процессы, происходящие в сосуде Дьюара, в Р-v и T-s-диаграммах.
6. Сделать вывод по работе.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ [1 - 3]
1. Парообразование жидкости; сущность процессов кипения и испарения жидкости.
2. Изобарный процесс перехода жидкости в перегретый пар в Р-v и T-s-диаграммах.
3. Пограничные кривые со степенью сухости х = 0 и х = 1, критическое состояние вещества
4. Понятия: жидкость на линии насыщения, влажный насыщенный пар, сухой насыщенный пар, перегретый пар.
5. Удельная теплота парообразования жидкости.
6. Степень сухости, степень влажности пара.
7. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара, их значение.
8. Определение параметров влажного пара.
9. i-s-диаграмма водяного пара, ее назначение.
10. Паровые термодинамические процессы в Р-v, T-s, i-s-диаграммах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплотехника / Под ред. А.П.Баскакова.- М.: Энергоиздат, 1991.- 224 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.- М.:: Высшая школа, 1980.- 496 с.
3. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1998.- 480 с.
4. Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.- М.: Энергия, 1980.- 408 с.
РАБОТА № 4