Лабораторная работа №1. оформления титульного листа лабораторной работы по дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен»

ОБРАЗЕЦ

оформления титульного листа лабораторной работы по дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен»

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесский национальный морской университет

 

 

Кафедра: "Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация"

Лабораторная работа №

"Исследование зависимости........."

 

 

Выполнена студентом -го курса -ой группы судомеханического факультета Одесского национального морского университета

Ивановым Константином Ивановичем

Работу принял:

 

Перечень и краткое содержание лабораторных работ

 

№	Название	Краткое содержание	стр.
	Исследование изотермического процесса	На специальном стенде при постоянной температуре изменяются давление и изменяющийся при этом объём воздуха. Используя измеренные величины, рассчитывают абсолютное давление, удельный объём воздуха и константу уравнения изотермического процесса: p×u = const и погрешности измерений.
	Определение средней изобарной теплоёмкости воздуха	В проточном калориметре при постоянном давлении измеряется расход воздуха через калориметр, изменение его температуры и характеристики тока, подаваемого на электронагреватель. На основании этих величин рассчитывается значение средней объёмной изобарной теплоёмкости, а затем и значения массовой и мольной теплоёмкостей.
	Определение зависимости давления насыщения от температуры	При помощи экспериментальной установки калориметрического типа измеряется давление насыщенного пара ps при различных температурах ts. По полученным данным строится зависимость ps = f(ts). Определяется нормальная температура кипения исследуемого вещества.
	Определение удельной теплоты парообразования	При помощи экспериментальной установки калориметрического типа измеряется количество подведенной теплоты и конденсата, образовавшегося в сборнике конденсата, а также изменение температуры воды в калориметре. На основании этих данных рассчитывается удельная теплота парообразования воды и погрешность опыта.
	Исследование теплоотдачи трубы при свободной конвекции	Измеряется температура поверхности трубы в пяти точках, температура воздуха в лаборатории, а также характеристики тока, подаваемого на электронагреватель трубы. На основании этих данных рассчитывается значение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности трубы к воздуху. Эксперимент проводится при трех характерных положениях трубы.

Лабораторная работа №1

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

1. Цель работы:

а) приобретение навыков измерения давления, экспериментального определения удельного объёма газа и пересчета термических параметров состояния из практической системы измерения в международную (SI);

б) опытная проверка зависимости между р и v в изотермическом процессе; определение константы изотермического процесса pv = const в условиях опыта; оценка погрешности измерений и расчета опытных величин.

2. Пояснение к работе

Состояние рабочего тела задаётся термическими и калорическими параметрами состояния. К калорическим параметрам относятся: внутренняя энергия, энтальпия и энтропия. Эти величины объединяются общим названием калорические параметры потому, что раньше в метрической системе единиц измерения в их размерность входила калория. В SI в размерность этих величин вместо калории входит Джоуль или килоДжоуль, но их обобщающее название сохранилось.

Состояние рабочего тела все же чащезадается термическими параметрами состояния: давлением, температурой и удельным объёмом.

Давление (р) определяется силой, действующей в газе на единицу площади поверхности, ограничивающей его, по нормали к ней. В SI давление измеряется в Н/м² (Па).

Нормальное физическое атмосферное давление в разных единицах измерения равно

1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,01325 бар = 1,033 кГс/см²

Следует также помнить, что

1 бар = 1×10⁵ Па = 1,020 кГс/см² = 0,987 атм = 750 мм рт. ст.

1 мм рт. ст. = 133,3 Па = 13,6 мм вод. ст.*⁾

Давление называется избыточным (р_изб), если давление газа в рассматриваемом замкнутом сосуде больше атмосферного (р_атм). Измеряется избыточное давление манометром. Если давление газа в замкнутом объёме меньше атмосферного, то оно называется давлением разрежения (р_разр). Измеряется такое давление вакуумметром. Отсюда его второе название – вакуумметрическое.

Прибор, пригодный для измерения как избыточного давления, так и давления разрежения, называется мановакуумметром.

Во все термодинамические соотношения (уравнения термодинамики) входит абсолютное давление (р_абс), которое рассчитывается в зависимости от соотношения между

_____________________________________________________________________

*⁾ Приводимые соотношения между единицами измерения давления строго справедливы только при температуре 0⁰С и ускорении земного притяжения g = 9,80665 м/с².

 

фактическими значениями давления в сосуде (р_с) и атмосферным давлением (р_атм).

Если р_с > р _атм, то

р_абс = р_атм+ р _изб. (1)

Если р_с < р _атм, то

р_абс = р_атм – р_{разр .} (2)

Обращаем внимание, что складываться или вычитаться могут только давления, представленные в одинаковых единицах измерения. В настоящей лабораторной работе атмосферное давление измеряется барометром (анероидом) в мм рт. ст., а давление в исследуемой системе (бюретке) в мм вод. ст. Поэтому для расчета р_абс в соответствии с формулами (1)–(2) необходимо их представить в одинаковых единицах измерения, удобных для дальнейших расчетов.

Температура характеризует степень нагретости тела и определяется косвенно по изменениям других свойств термометрических тел, используемых в измерительных приборах (объёма, электрического сопротивления, термоэлектродвижущей силы, давления паров, интенсивности излучения и т.д.). Абсолютная температура отсчитывается по термодинамической шкале измерения

Т, К = t, ⁰C + 273,15 (3)

где t, ⁰C – температура тела в градусах Цельсия, измеряема в лабораторной работе ртутным термометром.

Удельный объём v, м³/кг – объём единицы массы вещества; рассчитывается из соотношения

(4)

где: V – полный объём рассматриваемой системы, м³,

M – масса системы, кг.

Величина, обратная удельному объёму, называется плотностью, кг/м³

(5)

В технике встречается понятие удельный вес – вес единицы объёма:

(6)

Величины p, v, T объединяются общим названием – термические параметры состояния рабочего тела. Все они являются функциями состояния. Между этими параметрами для любого рабочего тела в состоянии термодинамического равновесия существует вполне определенная связь, выражаемая его уравнением состояния. Для реального рабочего тела (газа) это очень сложная зависимость. Для идеального газа (состояние рабочего тела, при котором можно не учитывать межмолекулярное взаимодействие и собственный объём его молекул) связь между термическими параметрами состояния выражается уравнением Клапейрона:

- для 1 кг рабочего тела

p×v = R×T; (7)

- для М кг рабочего тела

p×V = М×R×T, (8)

где R – удельная газовая постоянная, .

Для одного киломоля рабочего тела, находящегося в идеально–газовом равновесном состоянии, зависимость между термическими параметрами состояния выражается уравнением Клапейрона - Менделеева

p×V_m = R_m×T, (9)

где: V_m – удельный мольный объём: объём одного моля вещества при заданных р и Т; м³/кмоль;

R_m - универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль×К).

При нормальных физических условиях (р = 760 мм рт. ст. и t = 0 ^оС) один кмоль любого идеального газа занимает один и тот же объём, равный 22,4 нм³ (закон Авогадро). Между удельной газовой постоянной (R) и универсальной газовой постоянной (R_m) существует однозначная зависимость

R_m = m×R (10)

Соотношения 7, 8, и 9 применимы для расчета с приемлемой точностью термических свойств рабочих тел в идеально-газовом состоянии. Причем при понижении давления (рÞ 0) и повышении температуры (ТÞТ_{диссоциаци}) точность рассчитываемых свойств повышается. Для рабочих тел в реальном газовом состоянии (при высоких давлениях и низких температурах) эти уравнения применять нельзя. Для таких областей состояний рабочих тел составляются специальные весьма сложные и громоздкие уравнения состояния, использовать которые для прямых расчетов без ПЭВМ невозможно. Поэтому с помощью таких уравнений состояния рассчитываются таблицы термодинамических и/или теплофизических свойств реальных газов, используемых в качестве рабочих тел энергетических и холодильных установок.

Термодинамическим равновесным процессом называется непрерывная последовательность равновесных состояний рабочего тела, изменяющихся бесконечно медленно, при бесконечно малой разности потенциала взаимодействия рабочего тела и окружающей среды.

Графически термодинамический процесс изображается пространственной кривой, находящейся на термодинамической поверхности рабочего тела. Практическое применение находят проекции термодинамического процесса на координатные плоскости p,u; p,T и T,u, которые называются диаграммами состояния рабочего тела.

Изотермический процесс осуществляется при постоянной температуре рабочего тела и на диаграмме p-u (давление – удельный объём) изображается в виде равнобочной гиперболы, уравнение которой p×u=сonst.

В изотермическом процессе с идеальным газом:

а) внутренняя энергия рабочего не изменяется (закон Джоуля); так как для идеального газа u = f (T), тогда du = 0;

б) вся подводимая к рабочему телу теплота преобразуется в работу (Q=L);

в) удельная теплоёмкость в изотермическом процессе равна бесконечности (С = dq/dt = ¥).

3. Описание экспериментальной установки

В установку, схема которой приведена на рис. 1, входят:

измерительная бюретка – 1 (шкала измерения объёма, занимаемого воздухом, указана на правой образующей цилиндра); напорный сосуд – 2; ртутный U -образный водяной мановакуумметр – 3; термостатирующий цилиндр – 4.

Кроме того, при выполнении работы используются лабораторный барометр (анероид) и обычный ртутный термометр.

Для поддержания постоянства температуры сжимаемого или расширяемого в бюретке воздуха она помещена в термостатирующий цилиндр, заполненный водой. Верхняя часть бюретка соединена капилляром с мановакуумметром, а нижняя – с напорным сосудом. Все соединительные трубки (капилляры) от нулевого деления в верхней части бюретки до уровня жидкости в правом колене мановакуумметра образуют измерительную систему и входят в общий исследуемый объём системы. Объём этой измерительной системы при одинаковых уровнях воды в правом и левом коленах мановакуумметра определен заранее (13 см³) и называется начальным дополнительным объёмом (V ). При сжатии воздуха в бюретке дополнительный объём увеличивается, а при расширении – уменьшается на величину переменного объёма (V_пер), освобождаемого или заполняемого водой мановакуумметра в правом его колене

(11)

где: f = - площадь поперечного сечения трубки мановакуумметра, мм²,

внутренний диаметр трубки мановакуумметра равен 4 мм;

Dh = h_лев- h_прав – разность уровней воды в правом и левом коленах мановакуумметра, мм вод. ст.

Таким образом, действительный дополнительный объём рассчитывается из соотношения

(12)

 

4. Методика выполнения измерений

При выполнении лабораторной работы необходимо:

4.1. Ознакомится с устройством экспериментальной установки на месте. После этого приступить к выполнению работы. Для этого сообщить бюретку и мановакуумметр с атмосферой с помощью трехходового крана «А», установленного на капиллярной магистрали, соединяющей измерительную бюретку и мановакуумметр. Это достигается поворотом пробки крана стрелкой от себя (положение крана ^). Поднятием (опусканием) напорного сосуда установить уровень воды в бюретке на отметке 80. Убедиться, что уровни воды в правом и левом коленах мановакуумметра совпадают. Сделать соответствующие записи в таблицу измерений. Это есть нулевой опыт.

4.2. Повернув кран «А» на 180 градусов, отключить исследуемую систему (бюретку, дополнительный объём и правое колено мановакуумметра) от атмосферы. Это соответствует положению пробки трехходового крана «А» отверстием к выполняющим работу (изображено на рисунке). Выполнить по два опыта на сжатие и расширение воздуха в бюретке, записывая в таблицу № 1 показания мановакуумметра (уровни воды в правом и левом коленах прибора) и соответствующие значения объёма, занимаемого воздухом в бюретке. Таким образом, количество опытов должно быть не менее пяти: нулевой и по два опыта на сжатие и на расширение.

При проведении опытов следует иметь ввиду, что мановакуумметр показывает избыточное давление, когда уровень воды в правом колене ниже, чем в левом. Об этом можно судить также по уровню воды в напорном сосуде и бюретке: уровень воды в напорном сосуде выше, чем в бюретке соответствует сжатию воздуха в бюретке. В противном случае показания соответствуют разрежению.

С целью приближения изотермического процесса к равновесному, напорный сосуд следует перемещать медленно. Тогда разность значений температуры воздуха в бюретке и воды в термостатирующем цилиндре будет минимальной.

Кроме указанных измерений при выполнении лабораторной работы необходимо измерить атмосферное давление и температуру воздуха в лаборатории в момент выполнения работы. Результаты измерений записываются в таблицу наблюдений.

 

5. Обработка экспериментальных данных

Основная цель лабораторной работы – опытная проверка справедливости уравнения изотермического процесса в р, υ координатах

р×υ = const

Для этого необходимо по результатам измерений вычислить значения абсолютного давления и удельного объёма воздуха для каждого из опытов и рассчитать их произведение.

Абсолютное давление воздуха рассчитывается из соотношения

р = р_атм ± Dh (13)

где Dh = h_лев – h_прав.

Примечание: Ещё раз обращаем внимание на то, что значения р_атм и Dh в уравнение (13) должны подставляться в одинаковых единицах измерения (например, в мм рт. ст.). Абсолютное давление р, рассчитанное из соотношения (13), должно быть пересчитано в Па. При этих пересчетах следует учитывать приведенные выше соотношения между единицами измерения давлений. Соотношение (13) является алгебраической суммой значений р_атм и Dh.

Удельный объем воздуха рассчитывается из соотношения

(14)

где V = (V_б +V_доп)×10^-6, м³ – общий объём, занимаемый воздухом;

V_доп = V ±V_пер – дополнительный объём (объём измерительной системы). Здесь знак плюс соответствует избыточному давлению, а знак минус – давлению разрежения, то есть это алгебраическая сумма, в которой учитывается знак V_пер, рассчитываемого из соотношения (11).

Масса воздуха в системе во всех опытах постоянна и рассчитывается из нулевого опыта

(15)

где: Т_oК = t_o + 273,15 – температура воздуха в лаборатории в градусах

Кельвина;

R = 287,1 Дж/(кг.К) – удельная газовая постоянная воздуха;

р_о = р_атм – атмосферное давление воздуха в лаборатории в момент

выполнения измерений, Па;

V_о = V_б + V , м³ – общий объём воздуха в бюретке и в измерительной системе в нулевом опыте; V = 13 см³.

Относительные погрешности опытов рассчитываются из соотношения

(16)

где р_о u_о – постоянная уравнения изотермического процесса для нулевого опыта.

Значения D_i не должны превышать 3 %, иначе необходимо повторить для выпадающей точки соответствующие измерения.

После окончания расчетов составляется протокол лабораторной работы.

 

6. Содержание протокола лабораторной работы:

а) титульный лист по образцу, приведенному выше;

б) схема экспериментальной установки;

в) результаты выполненных измерений;

г) вычисление значений постоянной уравнения изотермы р×υ = const;

д) график полученной экспериментальной зависимости р = f (u) с учетом погрешностей отклонения величин р_i×υ_i от постоянной величины.

Таблица

№№ опытов	Показания мановакуумметра, мм вод. Ст.	Объём воздуха в бюретке, Vбюр, см3	Дополнительный объём, Vдоп, см3	Примечание
	левое колено hлев .	правое колено hправ.

 

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия лабораторной установки; функциональное назначение основных элементов установки.

2. Назначение термостатирующего цилиндра? Какую функцию он выполняет при сжатии и расширении воздуха в бюретке?

3. Для исследования какого термодинамического процесса станет пригодной используемая установка, если выпустить воду из термостатирующего цилиндра и поддерживать в нем вакуум? Какой измерительный прибор при этом необходимо дополнительно установить на установке для исследования этого процесса?

4. Назначение измерительных приборов: барометра, вакуумметра, манометра и мановакуумметра?

5. Какое из ниже перечисленных давлений подставляется во все термодинамические соотношения? (избыточное, барометрическое, абсолютное или давление разрежения).

6. Какие элементы установки образуют дополнительный объём? Является ли он постоянным в опытах? Как он определяется, от чего он зависит? Укажите на схеме установки элементы, образующие дополнительный объём.

7. Перечислите основные единицы измерения давления и запишите соотношения между ними. Единицы измерения давления в СИ.

8. Дайте определения понятиям вакуум, разрежение, избыточное, манометрическое, барометрическое и абсолютное давление. Запишите соотношения связывающие эти давления. Какое давление подставляется во все термодинамические соотношения?

9. Запишите уравнение состояния для 1 кг идеального газа. Объясните физический смысл и размерности входящих в него параметров.

10. Запишите уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа. Объясните физический смысл и размерности входящих в него параметров.

11. Какими параметрами характеризуют (задают) состояние рабочего тела? Какие параметры входят в обобщающие понятия «термические и калорические параметры состояния рабочего тела»?

12. Изобразите на p-u и Т-s диаграммах изотермический и адиабатный процессы сжатия идеального газа, исходящие из общей точки. В каком из этих процессов затрачивается больше работы (какой?) при сжатии до одного и того же давления?

13. Изобразите на p-u и Т-s диаграммах изотермический и адиабатный процессы расширения идеального газа, исходящие из общей точки. В каком из этих процессов получается больше работы (какой?) при расширении до одного и того же объёма?

14. Какими единицами измерения может быть задано количество вещества, участвующего в процессе? Каковы соотношения между величинами, данными этими единицами измерения?

15. Как соотносятся между собой теплота и работа в изотермическом процессе? Как на практике можно организовать изотермическое сжатие воздуха в судовом компрессоре? Что при этом мы выиграем и что потеряем? Ответ обосновать.

16. Какая разница между параметрами состояния и функциями процесса? Какими из этих величин может быть задано термодинамическое состояние рабочего тела?