Контрольные вопросы

1. Как называется кривая зависимости p_s = f(t_s)? Изобразите её условно в координатах р,Т полностью с указанием других линий фазовых переходов. Перечислите линии фазовых переходов, охарактеризуйте физические свойства веществ в различных областях фазовой диаграммы.

2. Изобразите пограничную кривую реального газа в координатах p,t, p,v и T,v . Как называется диаграмма p,t?

3. Какие приборы и оборудование используются в лабораторной установке? Объясните их назначение и принцип действия.

4. Сколько независимых параметров необходимо задать для указания состояния насыщенного пара либо кипящей жидкости? Какими параметрами чаще всего задаётся это состояние?

5. Каким физическим состояниям вещества соответствуют правая и левая ветви пограничной кривой? Как изменяются термодинамические свойства в этих состояниях с ростом температуры и давления?

6. Как называется процесс превращения вещества из твердого состояния в парообразное состояние? Где он встречается на практике?

7. Изобразите пограничную кривую вещества в координатах T,s и h,s. Охарактеризуйте особенности состояния вещества в характерных точках на этой кривой.

8. Определите понятие «нормальная температура кипения». Как подразделяются вещества в зависимости от значения этой температуры?

9. Какое практическое значение имеет зависимость давления насыщенного пара от температуры?

10. Какие явления имеют место при изобарном переходе вещества из твердого состояния в парообразное , если р_зад  р_тр?

11. Какие явления имеют место при изобарном переходе вещества из твердого состояния в парообразное , если р_зад  р_тр?

12. Как вещество, находящееся в твердом состоянии при р р_тр, превратить в пар с минимальным числом фазовых переходов?

13. Изобразите в координатах p,v и T,s изотермический процесс превращения жидкости в пар. Какие состояния при этом наблюдаются?

14. Изобразите в координатах p,v и T,s изобарный процесс превращения жидкости в пар. Какие состояния при этом наблюдаются?

16. Какой процесс происходит в баллоне с ацетоном после окончания опытов. Ваш ответ изобразите на диаграммах p,T и p,v.

Лабораторная работа № 4 посвящена определению теплоты парообразования воды. При её выполнении надо знать следующее:

Теплотой парообразования называется количество теплоты, необходимое для превращения одного килограмма кипящей жидкости в насыщенный пар при постоянном давлении. Подвод при этом теплоты не повышает температуру, а вызывает дисгрегацию, то есть увеличение расстояния между молекулами при преобразовании жидкости в пар. Определив массу пара (конденсата) и количество теплоты, затраченное на его образование, рассчитывают теплоту парообразования воды в условиях опыта.

Для определения массы пара (конденсата), образующегося за время опыта, достаточно взвесить змеевик со сборником конденсата в начале и конце опыта. Для определения количества подведенной теплоты необходимо измерить температуру воды в калориметре также в начале и конце опыта. Тогда значение теплоты парообразования r можно рассчитать из уравнения теплового баланса

(ср, в·Мв+W)·(t2–t1) = Мк·r+Мк·ср, в(ts–t2)

(6.7)

где с_р,в = 4,1868 кДж/(кг·К) — удельная изобарная теплоёмкость воды;

М_в — масса воды, находящейся в калориметре (обычно 5 кг);

W — водяной эквивалент калориметра, кДж/К.

t₁, t₂ — начальная и конечная температура воды в калориметре, °С;

М_к = (М₂–М₁) — масса образовавшегося конденсата (пара), кг;

М₁, М₂ — масса змеевика в начале и конце опыта, кг;

t_s — температура насыщения (кипения) воды при давлении опыта, °С.

Водяной эквивалент калориметра — количество теплоты, необходимое для нагрева на 1 К его смачиваемых частей: корпуса, мешалки, змеевика со сборником конденсата и термометра. Он определен ранее и равен 5,4 кДж/К.

Температура насыщения при давлении опыта определяется интерполяцией соответствующих величин из таблиц свойств воды и водяного пара [3] по атмосферному давлению в момент проведения опыта.

Началом опыта является момент подключения змеевика к кипятильнику, в котором кипит вода, а концом — момент выравнивания температуры конденсата (змеевика) и температуры воды в калориметре, когда последняя достигает максимума.

В уравнении (6.7) левая часть — теплота, полученная водой и калориметром за время опыта. Первое слагаемое правой части — теплота, выделившаяся при конденсации М кг пара: (М_к·r), а второе — теплота, отданная конденсатом при его охлаждении от температуры конденсации (t_s), до температуры, установившейся в конце опыта (t₂).

Процессы образования (1-2-3) и конденсации (3-2) пара, а также охлаждения конденсата до конечной температуры в опыте (2-К) представлены на диаграмме T,s (рис. 6.7). Площадь (c-2-3-d-с) соответствует теплоте парообразования r в условиях опыта; площадь (a-1-2-c-а) – теплоте, затрачиваемой на подогрев воды от начальной (комнатной) температуры до температуры кипения (насыщения) t_s; площадь (c-2-K-b-с) – теплоте, отдаваемой конденса- том при его охлаждении от температуры конденсации t_s до конечной температуры воды в калориметре t₂.

Рис. 6.7. Изображение процессов образования и конденсации пара

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка для определения теплоты парообразования воды (рис. 6.8) состоит из: электронагревателя 1 (электроплитки), кипятильника 2 (стеклянной колбы), паропровода 3 (соединительной трубки), конденсатора 4 (змеевика со сборником конденсата), калориметра 5 (ёмкости с двойными стенками, между которых находится изоляционный материал), мешалки с электрическим приводом 6, термометра 7, экрана 8, препятствующего передаче теплоты лучеиспускания от горячей плитки и колбы к наружной поверхности калориметра. В лабораторную установку также входят электронные весы, точность взвешивания которых 0,01 грамма.

Методика выполнения опыта:

Убедившись, что змеевик со сборником конденсата пустой, взвешиваем его на электронных весах. Перед каждым взвешиванием надо протирать змеевик насухо ветошью.

Рис.6.8. Схема установки для определения теплоты парообразования воды

Помещаем змеевик в калориметр; плотно закрываем крышки калориметра и замеряем начальную температуру воды в калориметре с помощью термометра. Как отмечено ранее, термометр не следует полностью вынимать из калориметра, так как он установлен стационарно.

Включаем электронагреватель кипятильника (электроплитку). После достижения устойчивого кипения воды в кипятильнике соединяем его паропроводом со змеевиком-конденсатором и включаем электропривод мешалки;

После повышения температуры воды в калориметре на (3…5)°С отсоединяем змеевик-конденсатор от кипятильника, выключаем электрическую плитку и продолжаем непрерывно наблюдать за изменением этой температуры при работающей мешалке;

После окончания процесса повышения температуры воды в калориметре (определяется по показаниям термометра и изменению температуры змеевика-испарителя на ощупь), замеряем максимальную температуру воды и останавливаем мешалку. Взвешиваем змеевик-конденсатор и определяем атмосферное давление по имеющемуся в лаборатории барометру.

Измеряемые величины записываем в таблицу наблюдений (табл. 6.4).

Таблица 6.4. Измеренные в опыте величины

Атмосферное давление, ратм, мм рт. ст. или бар	Температура воды в калориметре, ^оС		Масса змеевика в опыте, кг
	в начале, tо	в конце, t1	в начале, Мо	в конце, М1

Рассчитываемые при выполнении лабораторной работы величины записываем в таблицу 6.5

Таблица 6.5.Рассчитанные в опыте величины

Водяной эквива-лент калориметра W, кДж/кг	Температура кипения воды ts,^oC	Повышение температуры воды в калориметре t,^oC	Масса конденсата Мk, кг	Теплота парообразования r, кДж/кг

Контрольные вопросы

1. Как устроена лабораторная установка? Какие величины измеряются в этой работе и с какой целью?

2. На что расходуется теплота, подводимая к воде калориметра?

3. Что такое водяной эквивалент калориметра? Зависит ли он от количества воды, залитой в калориметр?

4. Какие величины входят в формулу для расчета теплоты парообразования воды в данной лабораторной работе?

5. Дайте определение понятию «теплота парообразования». Какова размерность теплоты парообразования?

6. Как зависит теплота парообразования от температуры и давления? Изобразите эти зависимости в координатах r,T и r,p.

7. Когда и каким прибором измеряется максимальная температура воды в калориметре?

8. От чего зависит температура конденсата, образующегося в змеевике-конденсаторе? Как она определяется в опыте?

9. От чего зависит и как определяется табличное значение теплоты парообразования (r_табл)? Запишите соотношения для расчета теплоты парообразования через энтальпию и энтропию.

10. Покажите на диаграмме T,s теплоту, подводимую к воде калориметра за счет охлаждения конденсата после отключения паропровода и конденсации остатков пара. Из какого уравнения можно рассчитать эту теплоту?

11. Покажите на диаграмме T,s теплоту парообразования. Запишите соотношения для её расчета через значения энтальпии и энтропии.

12. Почему температура воды в калориметре продолжает повышаться после прекращения подачи пара в змеевик-конденсатор?

13. Можно ли на данной лабораторной установке определить теплоту парообразования фреона R-22 и аммиака NH₃ при атмосферном давлении?

14. Как изменятся опытное и табличное значения теплоты парообразования воды, если атмосферное давление повысится?

15. Равны ли значения теплоты парообразования у разных веществ при нормальном атмосферном давлении, чем это объясняется?

16. Изобразите на диаграмме T,s процессы, происходящие в испарителе (колбе) с момента включения электроплитки до выхода установки на режим проведения опыта.

17. Изобразите на диаграмме T,s процессы, происходящие в конденсаторе-змеевике после отключения от него испарителя и до его взвешивания.

Лабораторная работа № 5 посвящена исследованию теплоотдачи трубы при свободной конвекции. Работа относится к дисциплине «Основы тепломассообмена», но рассматривается в данном пособии, поскольку при её выполнении студенты осваивают методику измерения температуры с помощью термопар.

Свободной (естественной) конвективной теплоотдачей называется процесс передачи теплоты от стенки (к стенке) при движении теплоносителя относительно неё, обусловленном разностью плотностей нагретых и холодных объемов теплоносителя. Количество отдаваемой стенкой теплоты зависит от разности температур и скорости движения теплоносителя относительно стенки. Эта скорость при естественной конвекции прямо пропорциональна разности температур стенки и теплоносителя. Интенсивность теплоотдачи зависит также от теплофизических свойств теплоносителя, формы теплоотдающей (тепловоспринимающей) поверхности, ее пространственного положения и от ряда других факторов.

Количество теплоты, отдаваемое (воспринимаемое) поверхностью стенки, рассчитывается по уравнению Ньютона-Рихмана

Q_к = α·FΔt

где α — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²К);

F — поверхность стенки, м²;

Δt=t_ст-–t_т — разность температур стенки и теплоносителя.

В работе исследуется теплоотдача от стенки трубы к воздуху помещения лаборатории при свободной конвекции. В частности, исследуется зависимость коэффициента теплоотдачи трубы α при различных её пространственных положениях (горизонтальном, вертикальном и под 45° к горизонтали).

A

Рис.6.9. Схема установки для исследования теплоотдачи трубы при свободной конвекции

Описание экспериментальной установки

В установку, схема которой приведена на рис. 6.9, входят:

Труба 1, подогреваемая вмонтированным внутрь электрическим нагревателем (электроспиралью) 2. Потребляемая нагревателем мощность регулируется при помощи лабораторного автотрансформатора (ЛАТР-1) 3 и рассчитывается по показаниям вольтметра 4 и амперметра 5. Для измерения температуры наружной поверхности трубы на ней закреплены пять термопар 6, подсоединяемых поочередно при помощи переключателя 7 к зеркальному гальванометру 8. Гальванометр отградуирован в милливольтах (мВ), поэтому для определения температуры в °С на лабораторном стенде имеется график перевода мВ в °С. Температура воздуха в лаборатории измеряется при помощи обычного ртутного термометра. Температура стен лаборатории измеряется дистанционным лазерным термометром.

Размеры трубы лабораторной установки: диаметр 35 мм, длина 1 м.

Методика проведения опыта:

– последовательно устанавливаем трубу в одно из трёх положений (горизонтально, вертикально либо под углом 45°);

– включаем электронагреватель, устанавливаем автотрансформатором напряжение U 100 В;

– замеряем и записываем в соответствующую колонку таблицы измерений, значения напряжения и силы тока в цепи нагревателя;

– для достижения стационарного температурного поля трубу выдерживают в соответствующем положении примерно 5 минут перед началом измерений; стационарность определяется малым изменением температуры стенки трубы (не более 0,5°С в минуту по показаниям термопары №3);

– измеряем ЭДС всех пяти термопар; усредненное значение ЭДС переводим в °С при помощи графика, имеющегося на лабораторном столе.

При определении истинной средней температуры стенки трубы учитываем, что термопары показывают температуру относительно холодного спая,

Таблица 6.6. Измеряемые в опыте величин

Положение трубы	Температура стенки трубы, tс,^оС					Показания электроприборов		Температура воздуха, ^оС
	№№ термопар					напряжение, U, В	сила тока, I, А
	1	2	3	4	5
горизонтальн.
45^о
вертикальное

находящегося при температуре помещения. Поэтому окончательно истинная температура трубы (t_тр) рассчитывается из соотношения

t_тр = t_изм–(t_т–t_и)

где t_изм — температура стенки трубы по показаниям гальванометра, °С;

t_т, t_и — температура воздуха в лаборатории в момент тарировки термопар и при выполнении лабораторной работы.

На основании измеренных величин рассчитываем:

– количество теплоты Q, Вт, выделяемое электронагревателем

Q = U·I ,

где U — напряжение, В,

I — сила тока, А,

– количество теплоты Q_р, Вт, отдаваемое трубой излучением

где ε = 0,87 — степень черноты окисленной латуни;

с₀ = 5,67 Вт/(м²·К⁴) — коэффициент излучения абсолютно черного тела;

F_тр = πdL, м² — наружная поверхность трубы (d = 35 мм, L = 1 м)

Т_тр, К — температура наружной поверхности трубы;

Т_ст, К — температура стен лаборатории во время опыта;

– количество теплоты, отводимое от трубы свободной конвекцией

Q_к = Q – Q_р

Значение коэффициента теплоотдачи рассчитывается из соотношения

По полученным трем значениям α при горизонтальном и вертикальном расположении трубы и при её наклоне под 45° к горизонту (α_гор, α_вер,α₄₅) надо сделать заключение о том, как и почему изменяется значение коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции от одиночной трубы при изменении её пространственного положения.

Контрольные вопросы

1. Как устроена экспериментальная установка? Какие величины, с какой целью и как измеряются в опыте?

2. Какие факторы влияют на интенсивность теплоотдачи при свободном движении теплоносителя относительно трубы?

3. Как в лабораторной работе определяется количество теплоты, отводимое от трубы конвекцией?

4. Как определяется количество теплоты, отдаваемое трубой излучением? Какое допущение при этом принято?

5. От чего зависит и как рассчитывается значение приведенного коэффициента излучения? Почему в лабораторной работе _пр = ₁?

6. Как изменится коэффициент теплоотдачи от трубы, если её поместить в поток воздуха, движущегося поперёк трубы?

7. Как зависит коэффициент теплоотдачи от трубы от угла атаки потока теплоносителя?

8. Как изменятся значения конвективного и эффективного коэффициентов теплоотдачи, если трубу окрасить в белый цвет?

9. Как изменятся значения конвективного и эффективного коэффициентов теплоотдачи после окраски трубы в чёрный цвет?

10. Как изменится коэффициент теплоотдачи от трубы, если её поместить в воду той же температуры, что и температура воздуха в помещении?

11. В каком случае и с какой целью делается внешнее либо внутреннее оребрение труб?

13. Какие методы интенсификации процесса теплоотдачи используются на практике?

14. При каком условии изоляция трубы уменьшает теплоотдачу от неё?

15. Запишите общий вид критериальных уравнений для определения коэффициента теплоотдачи при вынужденной и свободной конвекции?

16. Определите понятия «теплоотдача» и «теплопередача». Какие коэффициенты характеризуют эти процессы? Какой из них является составляющим другого?