ЛР-ТД_1

8

Порядок проведения лабораторных работ и составления отчёта

Без разрешения преподавателя установки не включать.

1. Все студенты, пришедшие в лабораторию, обязаны пройти инструктаж по технике безопасности, о чём должна быть сделана запись в журнале, и строго выполнять требования охраны труда. Студенты, нарушающие эти требования, удаляются из лаборатории.

2. На каждой установке работают не более двух – трёх человек.

3. Перед выполнением работы следует изучить её содержание по руководству и проверить готовность установки к работе: убедиться в плотности всех зажимов, проверить нулевые положения стрелок на шкалах приборов, затем после собеседования с преподавателем начать эксперимент.

4. При ознакомлении с описанием лабораторных установок и порядка проведения эксперимента следует иметь в виду, что содержание методического руководства не всегда может полностью совпадать с реальным воплощением лабораторной установки, что объясняется постоянным усовершенствованием материальной части лаборатории. О наличии возможных изменений сообщается преподавателем.

5. Во время проведения эксперимента необходимо тщательно производить отсчёты по приборам и немедленно записывать их показания в заранее заготовленные таблицы.

6. По окончании каждой работы студент должен произвести подсчёт результатов опыта и показать их преподавателю. Только после утверждения результатов опыта преподавателем студент может приступить к составлению отчёта по работе.

7. Отчёты аккуратно оформляются в тетради лабораторных работ или на скреплённых листах формата А4. На титуле должны быть указаны фамилия и инициалы студента, номер группы, год.

8. Отчёт о работе должен содержать:

• наименование и цель работы;

• принципиальную схему установки и её описание;

• таблицы с опытными и расчётными данными;

• расчёт результатов опыта по формулам и необходимые графики;

• оценку погрешности искомой величины;

• выводы по работе (факультативно).

Лабораторная работа №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЁМКОСТИ ВОЗДУХА

ПРИ ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ

Цель работы

Экспериментальное определение средней теплоёмкости воздуха при постоянном давлении методом проточного калориметра.

Введение

Теплоёмкость в термодинамике определяется как коэффициент пропорциональности между количеством теплоты и изменением температуры термодинамической системы. При этом если изменение температуры в процессе бесконечно мало, то количество теплоты определяется следующим образом:

, (1.1)

где C, Дж/К, – теплоёмкость термодинамической системы, зависящая в общем случае от процесса, количества вещества, температуры, давления и химического состава. Обычно теплоёмкость относят к единице количества вещества таким образом, что

, (1.2)

где – соответственно масса, объём и число киломолей вещества; – удельные теплоёмкости, соответственно массовая, объёмная и мольная с размерностями Дж/кг/К, Дж/м³/К и Дж/кмоль/К. Здесь учтено, что удельные теплоёмкости заметным образом зависят от температуры, зависимостью же от давления в инженерных расчётах можно пренебречь. Из (1.2) следует связь между удельными теплоёмкостями, отнесёнными к различным единицам измерения количества вещества:

, (1.3)

где – соответственно плотность и молярная масса вещества.

При конечном изменении температуры (в частности, в изобарном процессе) количество теплоты вычисляется интегрированием:

. (1.4)

Здесь учтено, что во всех процессах, кроме изохорического, объём системы изменяется с температурой. По этой причине объёмную теплоёмкость относят к единице объёма при фиксированных давлении и температуре. Обычно в качестве стандартного состояния выбирают нормальные физические условия (НФУ), т.е. , T₀=273 К. В случае идеального газа, каковым можно считать воздух, переход от объёма при заданных температуре и давлении к НФУ осуществляется с помощью термического уравнения состояния . В результате получаем

. (1.5)

С учётом этого цепочка равенств (1.4) может быть записана в виде произведений соответствующих количеств вещества, средних удельных теплоёмкостей в интервале температур (T₁…T₂) и самого интервала температур, т.е.

. (1.6)

Отсюда, в частности, для удельной теплоёмкости при постоянном давлении в расчёте на единицу объёма при НФУ получаем

. (1.7)

Очевидно, что в формулах (1.6) и (1.7) температура в кельвинах T может быть заменена на температуру в градусах Цельсия t ,^oC, так как теплоёмкость определена только для некоторого интервала температур, который в кельвинах и в градусах Цельсия совпадает.

В лабораторной работе требуется:

1. опытным путём определить среднюю теплоёмкость воздуха при постоянном давлении в интервале температур от комнатной до 30…60^оС;

2. сравнить опытное значение теплоёмкости с табличными данными и определить погрешность эксперимента.

Описание экспериментальной установки

В настоящей лабораторной работе удельная теплоёмкость воздуха определяется методом проточного калориметра. Проточный калориметр представляет собой стеклянную трубу 1 с двойными стенками, между которыми создан вакуум для сведения к минимуму потерь тепла в окружающую среду через боковую поверхность (рис.1.1). В трубе размещён электрический нагреватель 2, мощность которого измеряется с помощью вольтметра 3 и амперметра 4 и регулируется автотрансформатором 5. Окружающий воздух прокачивается через калориметр с помощью вентилятора 6, производительность которого регулируется посредством автотрансформатора 7. Для измерения объёмного расхода воздуха, протекающего через калориметр, используется ротаметр 8, представляющий собой стеклянную коническую трубку с нанесённой на ней шкалой, внутри которой размещён поплавок 9. При протекании газа через ротаметр поплавок под его напором всплывает на высоту, пропорциональную его объёмному расходу через прибор. Значение объёмного расхода газа (л/мин) находится по показаниям прибора с помощью тарировочной кривой (рис.1.2). Температуры воздуха на входе в калориметр t₁ и на выходе из него t₂ измеряются с помощью ртутных термометров 10 и 11.

П орядок проведения опыта

1. Подготовить в тетради лабораторных работ табл.1.1 с 10…15 строками.

2. Включить установку.

3. Установить необходимый расход воздуха по ротаметру (задаётся преподавателем) с помощью лабораторного автотрансформатора 7. Во время проведения опыта следует постоянно следить за показаниями ротаметра и при необходимости поддерживать расход с помощью автотрансформатора.

4. Установить с помощью лабораторного автотрансформатора 5 необходимое напряжение на контактах электронагревателя 2 (задаётся преподавателем).

5. По истечении 5…10 минут, когда установка прогреется, приступить к записи показаний термометров через каждую минуту до тех пор, пока три последовательных замера температуры на выходе не совпадут по величине. Это означает, что наступил стационарный режим, который характеризуется неизменностью во времени измеряемых величин.

6. Используя результаты последнего замера, осуществляют расчёт удельной теплоёмкости воздуха по формулам (1.11) и (1.12).

Обработка результатов измерений

На начальной стадии опыта джоулево тепло, выделяемое электронагревателем, идёт на нагрев прокачиваемого воздуха и на прогрев элементов установки (стекла и керамики, на которой намотана спираль электронагревателя). После их прогрева наступает стационарный режим, при котором всё тепло, выделяемое электронагревателем, поглощается воздухом. В расчёте на единицу времени в соответствии с (1.6) имеем

, (1.8)

где точка над величиной обозначает производную по времени. В частности, означает объёмный расход воздуха при нормальных физических условиях. U, I – соответственно напряжение (в вольтах) и сила тока (в амперах) электронагревателя. Объёмная теплоёмкость определится тогда из соотношения

. (1.9)

Объёмный расход воздуха находится из (1.5):

, (1.10)

где – соответственно давление и температура воздуха на входе в проточный калориметр, , л/мин, – объёмный расход воздуха при параметрах на входе в калориметр, который определяется по тарировочной кривой (рис.1.2) при известном показании ротаметра.

Подставив (1.10) в (1.9), получим расчётную формулу для вычисления объёмной теплоёмкости воздуха:

. (1.11)

Массовая теплоёмкость находится в соответствии с (1.3):

, (1.12)

где – плотность воздуха при нормальных физических условиях.

Полученное в эксперименте значение массовой теплоёмкости воздуха следует сравнить с табличным значением (стр.40, прил.1) и вычислить относительную ошибку в соответствии с формулой

. (1.13)

Таблица 1.1

№ замера	Температура воздуха		Барометрическое давление	Показания миллиамперметра	Показа- ния вольт- метра	Показания рота- метра	Расход воздуха по тарировочной кривой
	на входе	на выходе
1
2
3
и т.д.

Рис.1.2. Тарировочный график ротаметра