Ткаченко С.Й., Чепурний М.М., Співак О.Ю. Лабораторний практикум з дисциплін Теоретичні основи теплотехніки і Технічна термодинаміка і теплопередача
Подождите немного. Документ загружается.
зумовлює більш швидкий темп
остигання рідини на початку
дослідів. У міру остигання
температура рідини
асимптотично наближається до
температури навколишнього сере
Рисунок 4.2 – Крива охолодження системи
довища Т
0
. Термічна рівновага досягається за великий період часу ().
Тому на початковій стадії вимірювань температур рідини Т
р
() інтервал
має бути меншим, ніж на кінцевій.
Результати вимірювань заносять в журнал спостережень 3.1.
Журнал спостережень 3.1
,хв
Т
р
,К
За даними вимірювань будують температурний графік остигання
рідини Т
р
=f() (рис.3.2). Обчислення змін ентропії рідини і навколишнього
середовища здійснюється на підставі узагальненого рівняння термодинаміки.
TdS = dQ = dU + dL (3.1)
Оскільки в даній системі робота не виконується, то разом з теплотою
в навколишнє середовище переноситься ентропія, значення якої відповідає
значенню внутрішньої енергії рідини, тобто:
dS
p
= dQ
p
/T
p
= -dU
p
/T
p
= m
p
C
p
dT
p
/T
p
(3.2)
23
Т
d
Т
dТ
р
T
p
()
2
5
6
Тоді ентропія навколишнього середовища має зростати на величину:
dS
0
= dU
0
/T
0
= dQ
p
/T
0
= = m
p
C
p
dT
p
/T
0
(3.3)
Відзначимо, що зміна ентропії навколишнього середовища враховує
також перенесення ентропії, виробленої в стінках посудини. Інтегрування
(3.2) і (3.3) в межах від =0 при Т=Т
в
до при Т = Т
р
() дає:
S
р
() = S
р
(0) + m
p
C
p
ln[Т
р
() /T
в
] (3.4)
S
0
() = S
0
(0) + m
p
C
p
[T
в
- Т()]/T
0
(3.5)
Якщо прийняти, що S
0
(0)=0 і S
р
()=0, то при Т=Т
0
:
S
р
(0) = m
p
C
p
ln[Т
в
/T
0
] (3.6)
Ентропія термодинамічної системи, утвореної посудиною з рідиною
і навколишнім середовищем, дорівнюватиме:
S() = S
0
(0) + S
р
(0) + m
p
C
p
{[(Т
в
-Т())/Т
0
- ln[Т
в
/ Т()]} (3.7)
Ентропія, що вироблена внаслідок необоротності процесу
теплообміну, складатиме:
S
но
() = S
0
() - S
р
(0) = m
p
C
p
{[(Т
в
-Т())/Т
0
- ln[Т
в
/ Т()]} (3.8)
Граничне значення ентропії S
но
() у стані рівноваги визначиться за
формулою:
S
гр
но
() = m
p
C
p
[(Т
в
-Т
0
)/ ln[(Т
в
/ Т
0
)] (3.9)
24
S
но
S
гр
но
, хв
S
p
(
0
)
S
0
()
S
p
(0)
2
5
6
Рисунок 3.3
Користуючись залежністю Т
р
= f(), для кількох (7-8) значень за
формулами (3.4)-(3-9) обчислюють відповідні поточні значення ентропії і
будують залежності, які показані на рис.3.3.
Контрольні запитання
1. Чи є розглянута в роботі термодинамічна система адіабатною?
2. Чи можливе зменшення ентропії адіабатної системи?
3. Як залежить необоротне зростання ентропії від температур Т
р
і Т
0
?
4. Як в Т-s координатах зоображуються основні термодинамічні процеси?
5. Внаслідок чого виникає вироблення ентропії в процесах теплообміну?
6. З теорії теплообміну відомо, що теплота, котра передається за час d,
дорівнює dQ = k(T
p
-T
0
)d. Який вигляд буде мати вираз для ентропії, що
виробляється в процесі необоротного теплообміну за час d?
Лабораторна робота № 4
ІЗОХОРНЕ НАГРІВАННЯ ВОДИ І ВОДЯНОЇ ПАРИ
Мета: Експериментально визначити залежність температури
насичення від тиску, скласти методику обробки дослідних даних,
визначити параметри насиченої пари.
Принципова схема дослідної установки показана на рис.4.1.
Товстостінна посудина 1 з відомим об’ємом V, в яку залита дистильована
вода обігрівається нагрівником 5. Потужність нагрівника регулюється
трансформатором 6. При нагріванні вода у посудині закипає. Температура
насичення фіксується термопарою 7 і мілівольтметром 4, а тиск -
манометром 2. Посудина добре теплоізольована шаром ізоляції 3. При
ізохорному нагріванні маса суміші (води і водяної пари) залишається
сталою.
25
2
5
6
Рисунок 4.1 - Схема лабораторної установки.
В ході дослідів доцільно записувати покази приладів для
рівноважних станів в посудині, але такі досліди дуже тривалі. Тому зручно
здійснювати безперервне, але дуже повільне нагрівання і записувати
показання тиску і температури через рівні проміжки підвищення тиску.
Результати вимірювань записують в журнал спостережень 4.1.
Журнал спостережень 4.1
№
досліду
Тиск по
маномет
ру, Р
м
,
кг/см
2
Абсолю
тний
тиск,
Р
н
, МПа
Темпера
т.
Насичен
ня, t
н
, С
Таблич.
зн.
Темпера
тури
T
т
н
, С
Питоми
й об’єм,
v
”
, м
3
/кг
Міра
сухості,
х
1
2
3
…..
10
Результати вимірювань Р
н
і Т
н
наносять на завчасно підготовлену
діаграму Р
н
= f(Т
н
), яку будують за табличними даними (додаток В). Для
дослідних точок визначають міру відхилення від табличної кривої
насичення. Для точок, що найкраще збігаються з табличними даними
визначають питомий об’єм з додатку Г, масу води, що залишилась в
посудині та міру сухості пари. Далі залежність Р
н
= f(Т
н
) будують в
26
2
5
6
7
5
1
3
4
2
6
координатах lnР
н
=f(1/Т
н
), яка усереднюється прямою лінією ln Р
н
= A – B /
Т
н
.
За даними дослідів визначають сталі А і В, тобто визначають
рівняння кривої насичення для дослідженого інтервалу зміни параметрів.
Для однієї з точок на кривій насичення визначають значення теплоти
пароутворення за рівнянням Клапейрона-Клаузіуса і порівнюють його з
табличними даними.
Контрольні запитання
1. Що розуміють під станами насиченої, сухої насиченої і перегрітої пари?
2. Як визначаються параметри насиченої пари?
3. Що називають теплотою пароутворення, її фізична суть?
4. В чому полягає суть рівняння Клапейрона-Клаузіуса?
5. Яка пара називається вологою насиченою і що таке міра сухості пари?
6. Як змінюється теплота пароутворення з ростом тиску?
Лабораторна робота № 5
ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ СТАНУ ВОЛОГОГО ПОВІТРЯ
Мета: за допомогою аспіраційного психрометра визначити
параметри стану вологого повітря.
Лабораторна робота складається з психрометра, вентилятора і
барометра – анероїда. Психрометр складається з двох однакових
термометрів, 1 і 2, які закріплені в спеціальній оправі 3. Головки
термометрів захищені екранами. Резервуар одного з термометрів (2),
загорнутого бавовняною тканиною, змочується дистильованою водою.
Термометри з’єднані трубкою 4 з пружинним механізмом 5, який
заводиться ручкою 6 (рис. 5.1).
Дослід виконується в такій послідовності. Визначається і
записується в журнал спостережень 5.1 барометричний тиск.
Перевіряється наявність води в резервуарі мокрого термометра.
27
2
5
6
Рисунок 5.1 - Схема аспіраційного психрометра
Ручкою 6 заводиться пружинний механізм 5 і вентилятор починає
протягувати повітря через оправу 3 і трубку 4. Через 5 хвилин
вимірюються покази обох термометрів, які записуються в журнал
спостережень. Після записування кількох показань виміри закінчуються.
Обробка результатів
Результати вимірювань усереднюються. За усередненими даними
визначається відносна вологість повітря за психрометричною формулою:
= Р
м
н
/Р
с
н
– 712,6 (В/Р
с
н
)t10
-6
(5.1)
де Р
м
н
, Р
с
н
– тиск насичення для температури відповідно мокрого і сухого
термометрів, Па (додаток Г); В – барометричний тиск, Па.
Журнал спостережень 5.1
№
досліду
Барометр.
тиск В, Па
Температури, С
Різниця
температур
t, C
Cухого
термометра, t
c
Мокрого
термометра,
t
м-
1
2
Середнє
Парціальний тиск пари у вологому повітрі, Па:
Р
п
= Р
с
н
(5.2)
Вологовміст повітря, г/кг:
d = 622Р
с
н
/(B-Р
с
н
) (5.3)
28
2
5
6
4
1
3
Абсолютна вологість повітря, кг/м
3
:
пв
= P
п
/(R
пв
Т
с
) (5.4)
де R – газова стала повітря, Дж/(кгК).
Ентальпія вологого повітря, кДж/кг:
h = C
c
p
t
c
+ (2500+C
pп
t
c
)d (5.5)
де: C
c
p
= 1 кДж/(кгК) - теплоємність сухого повітря; t
c
- температура
сухого термометра, С, C
pп
= 1,93 кДж/(кгК) – теплоємність перегрітої
пари.
Густина волого повітря, кг/м
3
;
вн
= В(1+d)/[0,622+d)R
пв
Т
с
] (5.6)
або
вн
=
сп
(1+d)/(1+1,61d) (5.7)
де
сп
– густина сухого повітря, кг/м
3
(див. додаток В), d – вологовміст, кг/кг.
Отримані результати порівнюють з результатами, визначеними за
допомогою h-d діаграми.
Контрольні запитання
1. Що розуміють під насиченим і ненасиченим вологим повітрям?
2. Що розуміють під абсолютною і відносною вологістю повітря?
3. Який зв’язок існує між вологовмістом і відносною вологістю повітря?
4. Що таке вологовміст повітря?
5. Що являє собою температура вологого термометра?
6. Що розуміють під температурою точки роси?
7. Як впливає вологовміст на густину повітря?
Лабораторна робота №6
ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТА ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ
МАТЕРІАЛУ МЕТОДОМ ЦИЛІНДРИЧНОГО ШАРУ
29
Мета: Скласти методику обробки експериментів, визначити
коефіцієнт теплопровідності ізоляційного матеріалу, визначити його
залежність від температури.
Експериментальна установка складається із стальної труби 1
довжиною м, і зовнішнім діаметром d
зн
, мм. Всередині труби
розташований електронагрівник 2, потужність якого регулюється
регулятором 3 і контролюється амперметром 4 і вольтметром 5. З торців
труба закрита заглушками 6. Температура поверхні труби (стінки) у різних
точках по довжині і периметру вимірюється термопарами 7, які через
перемикач 8 підключені до потенціометра 9. На зовнішню стінку труби
покладений шар теплоізоляції завтовшки , мм. Температура зовнішнього
шару ізоляції t
i
вимірюється за допомогою термопар 10, які закріплені в
різних точках по довжині і периметру ізоляції. (див. рис. 6.1).
Досліди проводяться в такій послідовності. Лаборантом або
викладачем вмикаються електронагрівники, встановлюється повна
потужність за показами приладів 4 i 5. Стрілку перемикача переводять на
риску першої з термопар 7, яка вимірює температуру стінки труби
(внутрішню температуру теплоізоляції).
30
9
1
7
2
6
3
V
8
d
зн
A
10
Рисунок 6.1 - Принципова схема дослідної установки
Далі слідкують за показами потенціометра 9, з метою визначення
усталеного режиму, який досягається тоді, коли покази потенціометра
залишаються незмінними протягом деякого часу. Усі вимірювання
здійснюють тільки при усталеному режимі і записують в журнал
спостережень 6.1.
Досліди проводять для різних навантажень нагрівника
(температурних режимів).
Журнал спостережень 6.1
№
Покази
Електропри
ладів
Покази внутрішніх
термопар
Середнє
значення
Покази зовнішніх
термопар
Середнє
значення
А
В
1
2
3
4
МВ
1
2
3
4
мВ
1
2
3
Обробка результатів
Покази однойменних термопар 7 і 10 усереднюються. За допомогою
градуювальної кривої або за формулою : t
x
= (ЕРС/ 0,04) + t
н.с
.
визначаються температури зовнішньої та внутрішньої стінки ізоляції t
зов
та
t
вн
, °С. Визначається різниця температур t = t
вн
– t
зов
. Далі визначають
тепловий потік за формулою:
q
l
= U*I/ (6.1)
де - довжина труби, м.
31
Коефіцієнт теплопровідності шару ізоляції визначають,
використовуючи формулу:
= ( q
l
ln(d
зов
/d
вн
))/ (2(t
вн
-t
зов
)) (6.2)
де d
зов
=43 мм, d
вн
= 33 мм
-
діаметри ізоляції внутрішній та зовнішній.
Обчислення проводять окремо для кожного досліду. Отримані результати
порівнюють із довідниковими (додаток Б) і визначають похибку
експерименту.
За результатами дослідів будують залежність :
і
=f(t
i ср
), де t
ср
-
середня температура шару ізоляції. Оскільки більшість матеріалів, які
застосовуються в техніці, можна приблизно назвати ізотропними, то
залежність
і
=f(t
i
), можна прийняти лінійною.
Після закінчення розрахунків і побудування графіка роблять
висновки по роботі.
Контрольні запитання
1. В чому полягає фізична суть процесу теплопровідності ?
2. Що характеризує температурний градієнт?
3. Що розуміють під одновимірним тепловим потоком?
4. Що таке термічний опір і як його визначати для циліндричних
поверхонь?
5. За яким законом змінюється температура в циліндричних поверхнях при
сталому ?
6. Яку поверхню називають ізотермічною?
7. Як визначити питомий тепловий потік теплопровідності ?
8. Як змінюється температура в багатошаровій стінці?
Лабораторна робота №7
32