9658
.pdf10
5. Повторите измерения « Т » при всех значениях температур, указанных в таблицу 1.1, при проведении опытов с твердыми телами материалами и по-
рошком. При испытании жидкости ограничиться температурой 125 °С.
6.Выключите нагреватель кнопкой «Нагрев» при достижении желаемого уровня или предельной температуры разогрева образца.
7.Выключите прибор Ф195.
8.Установите переключатель «Измерение» в положение «Уст. 0».
9.Выключите блок питания и регулирования.
10.Поднимите верхнюю часть корпуса измерительной ячейки.
11.Проведите расчет удельной теплоемкости по формуле (1.8) и полу-
ченные данные занесите в таблицу 1.1.
12. При определении теплоемкости воды измерение проводить до макси-
мальной температуры 125 °С.
|
|
|
|
Таблица 1.1 |
|
Таблица регистрации результатов эксперимента |
|
||
|
|
|
|
|
|
Дата |
|
Опыт № |
|
|
|
|
ИТ-С-400 |
|
Испытуемый образец: |
|
|
(кг) |
|
Смазка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
tс , °С |
Т , с |
τТ0 , с |
KТ , Вт/град |
с, Дж/(кг∙град) |
25 |
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
75 |
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
125 |
|
|
|
|
150 |
|
|
|
|
175 |
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
225 |
|
|
|
|
250 |
|
|
|
|
275 |
|
|
|
|
300 |
|
|
|
|
325 |
|
|
|
|
350 |
|
|
|
|
375 |
|
|
|
|
400 |
|
|
|
|
Измерение проводил
11
1.7 Оценка погрешности опытов
Логарифмируя и дифференцируя выражение (1.8), получим формулу для расчета максимальной относительной погрешности в экспериментальном опре-
делении теплоемкости материалов
c |
|
K |
|
m |
|
|
0 |
||
|
|
|
|
Т |
0 |
|
Т |
|
0Т . |
c |
K |
|
m |
|
|||||
|
Т |
|
|
|
|||||
|
|
|
0 |
|
Т |
Т |
Относительная погрешность параметра KТ составляет 2 %, абсолютная погрешность времени
Т 0Т 0,2 с.
Определив все составляющие погрешности и просуммировав их, найдем относительную максимальную погрешность.
1.8 Содержание отчета лабораторной работе
Отчет по работе должен содержать:
1.Краткое описание работы.
2.Принципиальную схему установки определения теплоемкости.
3.Таблицу регистрации результатов эксперимента.
4.Обработку результатов опыта, оценку погрешности эксперимента.
5.Графики изменения удельной теплоемкости материалов от температуры.
6.Сравнение полученных данных с литературными данными.
1.9Контрольные вопросы
1.Понятие о теплоемкости. Факторы, влияющие на нее.
2.Теплоемкость строительных материалов. Характер изменения теплоем-
кости исследуемых материалов от температуры.
3.Методика эксперимента.
4.Источники возможных систематических погрешностей.
12
2. Лабораторная работа № 2.
«Изохорное нагревание воды и водяного пара»
2.1 Цель работы
Целью настоящей работы является определение зависимости температу-
ры насыщенного пара от давления при изохорном нагревании воды и водяного пара. По результатам опыта необходимо определить теплоту парообразования,
степень сухости и энтальпию насыщенного пара для 10 точек, построить кри-
вую насыщения и график зависимости теплоты парообразования от температу-
ры насыщенного пара.
Прежде чем приступить к проведению опытов, необходимо усвоить крат-
кие теоретические сведения, изучить основные положения техники безопасно-
сти и порядок проведения работы.
2.2 Краткие теоретические сведения
Изменение состояния рабочего тела вследствие воздействия на него внешней среды в термодинамике называется процессом. Термодинамический процесс характеризуется изменением основных параметров состояния рабочего тела: давления p, удельного объёма v, температуры T.
Термодинамические процессы могут быть равновесными и неравновес-
ными. Равновесный процесс должен протекать столь медленно, чтобы в каждый выбранный момент времени значение параметров p, v, T характеризовали рав-
новесное состояние всей системы, а не отдельной его части. Однако бесконечно медленное протекание процессов практически невыполнимо. Равновесные про-
цессы можно описать графически, при этом кривая процесса характеризует со-
вокупность равновесных состояний системы. Неравновесный процесс не подда-
ется графическому изображению, т.к. рабочее тело системы одновременно име-
ет несколько разных значений параметров в различных частях.
В общем случае два любых параметра рабочего тела могут изменяться произвольно, однако наибольший интерес представляют некоторые частные
13
случаи. К числу таковых относится и изохорный процесс равновесный процесс,
протекающий при v = const. Согласно первому закону термодинамики для изо-
хорного процесса dq = du, то есть подводимая к рабочему телу извне теплота идёт целиком на приращение внутренней энергии, отводимая же теплота равна убыли внутренней энергии.
Рассмотрим нагрев сосуда постоянного объема V, в котором заключена жидкость (например, вода) в равновесии со своим насыщенным паром. Обозна-
чим G массу воды и ее пара, находящихся в сосуде. В этом случае удельный
объем v (м3/кг) двухфазной смеси в сосуде будет равен VG .
Рассмотрим два случая: первый, когда в сосуд залито такое количество воды, что удельный объем двухфазной смеси v1 меньше критического удельно-
го объема vкр и второй, когда v2 >vкр . Выясним, как будет изменяться состояние пароводяной смеси в каждом из этих сосудов при изохорном нагреве от одной и той же температуры Т. Состояние смеси в каждом из сосудов удобно изобра-
зить в Т-v диаграмме (рис. 2.1). Здесь точка 1 соответствует состоянию парово-
дяной смеси в первом сосуде до нагрева (удельный объем v1 , температура Т),
точка 2 – состоянию во втором сосуде до нагрева ( v2 , Т).
Рис. 2.1
14
Степень сухости x в каждом из сосудов определяется известным соотно-
шением:
х |
vх v |
, |
(2.1) |
|
v v |
||||
|
|
|
где v и v – удельные объемы соответственно воды и сухого насыщенного пара при температуре Т;
vх – удельный объем двухфазной смеси в сосуде (в данном случае v1 или v2 ).
В процессе изохорного нагрева будет изменяться соотношение между ко-
личеством воды и пара в сосуде, то есть будет изменяться величина х степени сухости двухфазной смеси. Как видно из рис. 2.1 при v1 = const в начале нагрева степень сухости смеси растет, затем уменьшается и на нижней пограничной кривой равна нулю. При v2 = const ( v2 >vкр ) степень сухости пара всегда увели-
чивается. При достижении температуры ТА (нагрев при v1 = const) весь пар в со-
суде сконденсируется. (ТА это температура, при которой удельный объем ки-
пящей воды равен v1).
Во втором сосуде нагрев сопровождается увеличением степени сухости смеси, уровень испаряющейся вода в сосуде понижается. При достижении тем-
пературы ТВ весь сосуд заполняется сухим насыщенным паром и дальнейший нагрев происходит в области перегретого пара.
Если бы удельный объем vx был равен удельному объему vкр, то в двухфаз-
ном состояний вода находилась бы при максимальных температуре и давлении.
Зависимость между давлением насыщенного пара pн и температурой насыщенного пара Тн может быть представлена в p-Т диаграмме линией, назы-
ваемой кривой насыщения.
15
Рис. 2.2
Каждой точке кривой насыщения соответствует состояние равновесия жидкой и паровой фазы. Оканчивается кривая критической точкой «К»
(рис. 2.2). Выше и ниже этой кривой фазового равновесия расположены обла-
сти однофазного состояния вещества: А – жидкая фаза; Д – паровая фаза.
На кривой насыщения свойства вещества изменяются скачком: при дав-
лении, несколько выше давления насыщенного пара pн вещество является жид-
костью, при давлении немного ниже pн – паром. В p-v диаграмме фазовый пере-
ход изображается горизонтальной линией между нижней и верхней погранич-
ными кривыми. Кривая насыщения является важной характеристикой вещества,
необходимой для расчета многих термодинамических свойств. Для этой цели необходимо иметь её аналитическое выражение. Такую упрощенную зависи-
мость можно получить из уравнения Клапейрона-Клаузиуса:
dpн |
|
r |
, |
(2.2) |
|
dT |
T (v v ) |
||||
|
|
|
|||
н |
|
|
|
|
если допустить некоторые упрощающие предположения, а именно: величина r
– не зависит от Т и величина v пренебрежимо мала по сравнению с v (для об-
ласти низких давлений эти упрощения допустимы). Тогда зависимость pн = f(Тн)
примет известный вид
16
lg p А В |
1 |
, |
(2.3) |
н |
Тн |
|
где постоянные А и В определяются по экспериментальным данным для каждо-
го конкретного случая. Для этого используют графики в координатах lg pн – |
1 |
, |
|
||
|
Tн |
в которых кривая насыщения изображается прямой линией в широком интерва-
ле давлений (рис. 2.3).
Выше упоминалось, что параметры p и Т следует снимать в равновесном состоянии системы. Однако для достижения такого состояния на практике сле-
довало бы включить нагревательный элемент установки, нагреть воду до задан-
ной температуры (давления) и удерживать этот параметр неизменным, регули-
руя мощность нагревателя так, чтобы параметры p и Т успели выровняться по всему объему. Записав эти параметры, перейти к следующему равновесному состоянию и т.д. Проведение такого опыта потребовало бы длительного време-
ни, и поэтому нагревание ведется медленно, но непрерывно, с синхронной за-
писью параметров p и Т.
При анализе полученных результатов следует иметь в виду, что величины p и Т, строго говоря, не принадлежат одной изохоре, так как во время опыта ни
V, ни G не являются постоянными величинам (объем баллона с ростом p и Т увеличивается, а часть воды (пара) заходит в трубку, пружину манометра,
предохранительный клапан).
2.3 Описание экспериментальной установки
Экспериментальная установка изображена на рис. 2.4. Установка состоит из стального баллона (ГОСТ 949-73), в который залито некоторое количество дистиллированной воды. В горловину баллона ввернута головка, к которой стальными трубками подсоединены образцовый манометр на максимальное давление 25 кгс/см2 и предохранительный клапан, отрегулированный на выпуск пара при давлении 18 кгс/см2.
17
Рис. 2.3
Вбаллоне, под углом к стенке установлена гильза из нержавеющей стали,
вкоторую вставлен ртутный термометр с диапазоном измерения от 0 до 200 °С.
Для лучшего контакта чувствительной части термометра с гильзой в послед-
нюю залито 3 грамма машинного масла. Термометр защищен от механических повреждений кожухом. Днищевая часть баллона обогревается электронагрева-
телем мощностью 1 кВт (нихромовая спираль). Для исключения нагрева наружной поверхности установки выше допустимой, днищевая часть баллона окружена тремя концентрическими экранами, остальная часть баллона – двумя.
Выделяющаяся на экранах теплота конвективным потоком окружающего воз-
духа через перфорацию днища корпуса и его крышу удаляется в окружающую среду. Корпус установки изготовлен из алюминиево-магниевого сплава. Элек-
трическая часть установки состоит из выключателя, провода подвода напряже-
ния к нагревательному элементу и провода заземления корпуса установки.
2.4 Техника безопасности при выполнении лабораторной работы
Перед началом работы убедиться, что провод заземления установки надежно соединен с шиной заземления, а выключатель на установке перед по-
дачей напряжения на установку (т.е. перед соединением штепселя с розеткой)
находится в положении «выкл.».
18
Рис 2.4. Экспериментальная установка (общий вид): 1 – баллон стальной с головкой и гильзой для термометра; 2 – нагревательный элемент; 3 – экраны; 4 – корпус;
5– выключатель;
6– термометр;
7– манометр образцовый;
8– клапан предохранительный;
9– провод заземления;
10– провод питания.
Проверить визуально целостность и исправность термометра, манометра,
предохранительного клапана, трубок и их соединений.
Если через 7-8 минут после включения установки показание термометра останется первоначальный, выключатель установить в положение «выкл.»,
обесточить установку и выяснить причину неисправности.
19
При утечке пара через соединения установку выключить, обесточить и устранить неплотность.
При срабатывании предохранительного клапана установку выключить и обесточить (срабатывание предохранительного клапана свидетельствует о пе-
регреве баллона выше допустимого).
2.5Порядок проведения работы
1.Проверить надежность заземления установки и поставить выключатель
вположение «выкл.».
2.Записать показания манометра и термометра в таблицу 2.1.
3.Включить штепсель в розетку.
4.Повернуть выключатель в положение «вкл.».
5.Производить одновременную запись показаний манометра (число де-
лений) и термометра (°С) для выбранных моментов времени. Рекомендуется за-
писывать показания обоих приборов в те моменты, когда стрелка манометра будет показывать 2, 4, 6, 8, 10 делений; далее записывать показания через пять делений манометра, т.e. 15, 20, 25 и т.д. до 75 делений, – всего 18 точек.
6.При показании манометра 75 делений установку выключить и обесточить.
7.В процессе остывания установки в таблицу 2.1 записывать показания термометра при теx же показаниях манометра. В дальнейших расчетах прини-
мается средне-арифметическое показаний термометра в процессе нагрева и остывания.
Процесс остывания установки происходит медленнее, чем нагрев и сле-
довательно, величины pн и Тн ближе к равновесным.
Длительность эксперимента: процесс нагрева длится 27-30 минут, про-
цесс остывания – около 1 часа.
Рекомендация по распределению обязанностей между участниками экс-
перимента: экспериментатор, следящий за манометром, называет число деле-
ний по манометру; другой экспериментатор в этот момент называет температу-
ру, а третий – записывает в таблицу 2.1 сообщенные результаты.