новая папка 1 / 241512

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГ О ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ АДИАБАТЫ ВОЗДУХА. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторной работы №24

Составители: Ю.В. Шацких, В. Я. Губарев

Липецк Липецкий государственный технический университет

2013

УДК 620.9 (07) Ш 326

Рецензент А.И. Шарапов

Шацких, Ю.В.

Ш 326 Определение показателя адиабаты воздуха. Исследование термодинамических процессов [Текст]: методические указания к выполнению лабораторной работы № 24/ сост. Ю.В. Шацких, В.Я. Губарев – Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2013. – 13 с.

Рассмотрена методика экспериментального определения показателя адиабаты. Приведен пример анализа термодинамических процессов идеального газа.

Предназначены для студентов второго курса физико-технологического факультета, специальности «Промышленная теплоэнергетика», изучающих дисциплину «Термодинамика».

Табл. 3. Ил. 2. Библиогр.: 1 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2013

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

4

Цель работы – изучение термодинамических процессов в идеальном газе и экспериментальное определение показателя адиабаты воздуха

1.Техника безопасности

1.Приступать к выполнению лабораторной работы разрешается только после прохождения инструктажа по технике безопасности.

2.Выполнять лабораторную работу можно только в присутствии лабо-

ранта.

3.Запрещается самостоятельно включать и выключать установку.

2.Основные теоретические сведения

Адиабатные процессы совершаются без теплообмена между рабочим телом и окружающей средой. При адиабатном сжатии газа увеличение внутренней энергии газа достигается за счет подведенной извне работы. При адиабатном расширении работа расширения совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа.

Уравнение адиабатного процесса Показатель адиабаты равен отношению теплоемкостей при постоянном

давлении ср и при постоянном объеме сv

Для воздуха и для других двухатомных газов k = 1,41.

В технической термодинамике рассматривают обратимые адиабатные процессы, т.е. они совершаются без изменения энтропии, в них отсутствуют необратимые потери энергии. Однако, чтобы термодинамический процесс был обратимым, необходимо соблюсти два условия:

1) рабочее тело должно находиться в равновесном состоянии, т.е. во всех точках данного объема параметры состояния в данный момент должны быть одинаковыми;

5

2) разность температур между рабочим телом и внешней средой в каждый момент должна быть бесконечно малой.

В реальных процессах эти условия не соблюдаются, поэтому сжатие и расширение газа только условно можно считать адиабатными процессами. С некоторым приближением принимаются адиабатными процессы сжатия воздуха в компрессоре, расширения при истечении газа через сопла, расширения продуктов сгорания в цилиндрах ДВС и в лопаточных решетках турбин и т.д.

3. Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка, представленная на рис. 1, состоит из стеклянного баллона 1, жидкостного манометра 2, микрокомпрессора 3 и перепускного трехходового клапана 4, позволяющего соединить баллон 1 с микрокомпрессором или окружающей средой. Установка работает следующим образом: микрокомпрессор 3 нагнетает воздух через клапан 4 в стеклянный баллон 1. При достижении определенного давления, регистрируемого манометром 2, клапан 4 закрывают, и через некоторое время в баллоне устанавливается температура, равная температуре окружающей среды, и соответствующее избыточное давление . Если теперь соединить баллон с окружающей средой, то часть воздуха из баллона перейдет в окружающую среду, и давление в баллоне упадет до атмосферного. Так как истечение происходит очень быстро, то его можно принять адиабатным. После прекращения истечения воздуха клапан 4 закрывают, и в баллоне происходит нагревание воздуха при постоянном объеме до температуры окружающей среды, при этом избыточное давление в баллоне становится равным .

При проведении эксперимента используются два последовательно протекающих термодинамических процесса – адиабатный и изохорный. На рис. 2 изображены протекающие процессы в p-v и Т-s координатах. После отключения компрессора состояние воздуха в баллоне характеризуется давлением и температурой несколько большей, чем температура окружающего воздуха.

6

4

2

1

3

Рис. 1. Экспериментальная установка:

1 – баллон; 2 – жидкостный манометр; 3 – микрокомпрессор; 4 – перепускной клапан

Рис. 2. Используемые для определения показателя адиабаты термодинамические процессы:

1-2 – адиабатный; 2-3 – изохорный; 1-3 – изотермический

7

Через некоторое время в баллоне состояние воздуха вследствие его охлаждения будет определяться давлением и температурой (точка 1, рис. 2). После открытия клапана происходит адиабатное расширение воздуха до давления окружающей среды , и температура его падает (точка 2), а затем при закрытом клапане он нагревается до температуры окружающего воздуха , и давление увеличивается до (точка 3).

Связь между p и v для адиабатного процесса 1-2 представляется в виде

После проведения изохорного процесса 2-3 () температура воздуха снова равна и, следовательно, .

Таким образом,

После логарифмирования получаем показатель адиабаты:

4. Порядок проведения работы

Включить микрокомпрессор 3 и при помощи клапана 4 соединить его с баллоном 1. При достижении избыточного давления в баллоне закрыть клапан 4 и сделать выдержку 1–2 минуты до тех пор, пока не установится постоянное избыточное давление . Занести показания манометра в таблицу. Быстро открыть клапан 4 и, как только прекратится истечение воздуха из баллона (исчезнет характерный звук), тотчас закрыть его. Через несколько минут после

мм вод. ст. Измерить и записать температуру и давление воздуха в лаборато-

Таблица 1

Экспериментальные данные Температура окружающей среды _______ °С. Барометрическое давление = ________ мм. рт. ст.

№ опыта 1 2 3 4 5 6

, мм. вод. ст

, мм вод. ст

k

5.Обработка результатов эксперимента

Врасчётах используют систему СИ. В результате обработки экспериментальных данных необходимо рассчитать показатель адиабаты, параметры в рабочих точках, изменение внутренней энергии, энтропии, подведенную теплоту

иработу расширения в процессах 1-2 и 2-3.

1.Измеренные давления, в том числе и барометрическое, переводят в Па.

2.Абсолютное давление в баллоне после отключения компрессора

3.Абсолютное давление в баллоне после выпуска части воздуха из баллона

4.Абсолютное давление в баллоне после изохорного нагрева

5.Рассчитываем показатель адиабаты для каждого опыта по формуле (3) и определяем среднее значение k.

Дальнейший расчет ведем по средним значениям давлений и .

6. Температура воздуха в конце процесса адиабатного расширения (точка 2), К

где

9

7.Масса воздуха в баллоне, находящаяся при давлении и температуре (точка 1), кг

где V = 2; R = 287 Дж/(кг.

8.Удельный объем воздуха в точке 1, м3/кг

9.Масса воздуха, оставшаяся в баллоне после адиабатного расширения (точка 2), кг

10.Удельный объем воздуха в точке 2, м3/кг

11.Удельная работа, совершаемая воздухом в процессе адиабатного расширения, кДж/кг

12.Так как процесс 1-2 – адиабатный, то изменение внутренней энергии

.

13.Удельная работа изохорного расширения .

14.Удельная работа, совершаемая при переходе газа из точки 1 через состояние 2 в точку 3, .

15.Изменение внутренней энергии воздуха в процессе 2–3 равно количеству подведенного тепла, кДж/кг

.

16.Изменение энтропии воздуха в процессе 2-3, кДж/(кг·К)

17.Если бы переход из состояния 1 в состояние 3 совершился по изотермиче-

скому процессу 1-3, то удельная работа изменения объема была бы, кДж/кг

10