double arrow

Определение показателя адиабаты воздуха


 

6.1. Цель работы

 

Ознакомление с методикой опытного определения показателя адиабаты реальных газов, получение навыков в проведении теплотехнического эксперимента.

 

6.2. Задачи работы

 

Экспериментальное определение численного значения показателя адиабаты воздуха и обработка результатов эксперимента.

 


6.3. Теоретические положения

 

Адиабатный процесс – это процесс изменения состояния идеального газа, протекающий без тепло­обмена с окружающей средой:

Δq=0 (6.1)

 

Адиабатный процесс является одним из наиболее часто встречающихся на практике термодинамическим процессом изменения состояния рабочего тела.

Уравнение адиабатного процесса имеет вид [1]:

(6.2)

 

где k – показатель адиабаты, равный отношению изобарной теплоемкости CP к изохорной CV:

>1 (6.3)

 

Численное значение показателя адиабаты для идеального газа можно получить исходя из молекулярно-кинетической теории газов:

для одноатомного газа k = 1,66;

для двухатомного газа k = 1,4;

для многоатомного газа k = 1,33.

 

Для идеальных газов величина k является постоянной, не зависящей от параметров состояния газа.

Связь между изобарной и изохорной теплоемкостями устанавливает уравнение Майера:

СP – СV = R (6.4)

 

Выразив CP из формулы (6.4), формулу (6.3) можно привести к виду:

(6.5)

Поскольку для реальных газов теплоемкость СV возрастает с увеличением температуры интенсивнее, чем СР, то значение k с увеличением температуры уменьшается. Величина k для реальных газов одной атомности при прочих равных условиях имеет отличия. Так, например, для двухатомных газов: водород k = 1,41; азот k = 1,404; воздух k = 1,4.

Допустим, что условия опыта с достаточной степенью точности удовлетворяют уравнению состояния идеального газа:

p v = M∙R∙T (6.6)

 

Представим сосуд, заполненный газом, имеющим параметры: давление p1 и температуру Т1, превышающие параметры окружающей среды. За счет охлаждения стенок сосуда окружающей средой и отвода некого количества теплоты q1, температура газа станет равной температуре окружающей среды – Т2, а давление снизится до некого значения р2 (процесс 1-2 рис. 6.1). Затем быстро выпустим газ из резервуара, соблюдая тем самым условия адиабатного расширения – отсутствие теплообмена с окружающей средой.

Рис. 6.1. К определению показателя адиабаты

 

В конце процесса 2-3 давление в сосуде станет равным давлению окружающей среды р3, а температура понизится до Т3, меньше Т2. Закроем сосуд и выждем некоторое время, в течение которого от окружающей среды к более холодному телу будет подведена теплота q2 (процесс 3-4).

В результате температура возрастет до температуры окружающей среды (Т4 = Т2), а давление повысится до некоторого значения Р4.

Учитывая уравнение адиабатного процесса (6.2) можно записать:

(6.7)

Логарифмируя выражение (6.11) запишем:

(6.8)

Выведем отсюда k:

(6.9)

Так как Т2 = Т4, можно предположить, что по линии 2-4 протекает условный изотермический процесс (Т = const), которому соответствует выражение:

(6.10)

С учетом выражения (6.10) уравнение (6.9) примет вид:

(6.11)

 

6.4. Описание экспериментальной установки

 

Экспериментальная установка (рис. 6.2.) состоит из ресивера 6, в котором с помощью компрессора 3 создается избыточное давление, измеряемое чашечным манометром 7.

На линии нагнетания от компрессора к ресиверу расположен трехходовой кран 4. Выпуск сжатого воздуха из ресивера производится через кран 5. Привод компрессора осуществляется от электродвигателя 2, питающегося трехфазным током.

Рис. 6.2. Схема экспериментальной установки: 1 – рубильник;

2 – электродвигатель; 3 – компрессор; 4 – трехходовой кран;

5 – быстродействующий кран; 6 – ресивер; 7 – жидкостный чашечный манометр

 

Силовая сеть имеет рубильник 1. Трехходовой кран в работе занимает два положения. В одном из них производится нагнетание воздуха в ресивер, во втором – сжатый воздух из компрессора уходит в атмосферу, при этом ресивер отключается от нагнетательной линии.

 

6.5. Порядок проведения работы.

 

1) Убедиться по показанию манометра, что в ресивере нет избыточного давления. В противном случае выпустить из ресивера воздух через кран 5.

2) Перекрыть кран 5. Кран 4 поставить в положение, при котором сжатый воздух из компрессора будет поступать в ресивер.

3) Включить электродвигатель компрессора и, наблюдая за показанием чашечного манометра, закачать воздух в ресивер до давления, требуемого в опыте рИЗБ.1. Каждая серия опытов производится 3 раза для различных начальных давлений. Общее количество опытов равно 9. Численные значения начальных давлений принять равными 800, 700 и 600 мм вод.ст. (примерно 8, 7 и 6 кПа соответственно)

4) По достижении заданного давления рИЗБ.1 поворотом крана 4 направить воздушный поток от компрессора в атмосферу. Отключить электродвигатель.

5) Выждав 5…7 минут, необходимых для охлаждения сжатого воздуха до температуры окружающей среды (о наступлении этого момента будет свидетельствовать установившееся показание манометра рИЗБ.2). Записать значение давления РИЗБ.2 в протокол.

6) Открыть кран 5 на время не более 2 секунд и выпустить сжатый воздух из ресивера в атмосферу. При этом рИЗБ.3 станет равным нулю (рИЗБ.3=0). Закрыть кран.

7) После 5…7 минут охладившийся при адиабатном расширении воздух прогреется до температуры окружающей среды и давление повысится до РИЗБ.4, значение которого занести в протокол.

 

6.6. Обработка полученных данных и оформление отчета

 

1) Для каждого опыта определить абсолютное давление воздуха в начале изохорного процесса снижения давления с отводом теплоты (РАБС.1), в начале адиабатного расширения РАБС.2, в конце адиабатного расширения рАБС.3, в конце изохорного повышения давления с подводом теплоты РАБС.4 по следующей формуле:

, Па (6.12)

 

где рБАР – атмосферное давление, Па;

рИЗБ.i – избыточное давление по манометру, мм вод. ст.

 

2) Используя выражение (6.11) вычислить значение показателя адиабаты k:

(6.13)

3) Определить среднее значение показателя адиабаты воздуха для серии проводимых опытов:

(6.14)

где n – количество опытов.

 

6.7. Оформление отчета

 

Отчет по работе должен включать цель работы, задачи работы, схему установки, данные заме­ров, расчеты. Данные экспериментов свести в таблицу опытных данных (табл. 6.1.)

 

Таблица 6.1.

Опытные данные

№ опыта Давление в ресивере Показатель адиабаты ki
по манометру, мм вод. ст. абсолютное давление, Па
рИЗБ.1 рИЗБ.2 рИЗБ.4 рАБС.1 рАБС.2 рАБС.3 рАБС.4 рБАР
                 
                 
                 
                 
                 

 

6.8. Контрольные вопросы

 

1. Что представляет собой адиабатный процесс идеального изменения состояния газа?

2. Как зависят между собой k, CР, CV.

3. От каких параметров состояния идеального и реального газов зависит k?

4. Как влияет температура на значение k идеального и реального газов?

 

 


Сейчас читают про: