Установка термометра и нагревателя

10. Удалите нить "термометр с подогревом" из контакта штифтов.

11. Отвинтите винт прокладки из "головки цилиндра, и установите "термометр с нагревателем» на головку цилиндра.

12. Положите нить обратно на контактные штырьки, а также следите за тем, чтобы нить не касалась стекла термометра.

13. Осторожно прикрепите колпачок головки цилиндра на цилиндр двигателя горячего воздуха.

14. Поверните маховик двигателя горячего воздуха, и убедиться, что нить не касается перемещающегося поршня в любом положении поршня.

15. Подключите переменное сверхнизкое напряжение через трансформатор S на нагреватель вместе с вольтметром и амперметром (диапазон измерений 10А).

.

Рис.2. Определение объема вытекающей воды ΔV за время Δt.

Требования безопасности

ü До проведения каждого эксперимента, убедитесь, что горячая пластина помещена в пазы и нагретая нить не касается перемещающегося поршня.

ü Нагретая часть двигателя может стать очень горячей, шатуны при движении и перемещения поршней могут вызвать травмы при работе двигателя. По этой причине всегда используйте защитный чехол от прикосновений, когда двигатель работает.

ü Никогда не используйте двигатель без охлаждающего потока воды. Вы можете соединить двигатель с краном с водопроводной водой или использовать циркуляционный насос с резервуаром; в этом случае рекомендовано использование дистиллированной или кипячёной (без окалины) воды. Если поток уменьшился при использовании водопроводной воды, промойте всю систему теплой (без окалины) водой. Циркуляция воды должна быть безупречна. Не допускайте перегрева. Когда вода попадает в контур охлаждения, температура охлаждающей воды не должна превышать 30⁰ С.

ü Смазывайте два цилиндра двигателя силиконовым маслом регулярно. Самый простой способ сделать это - убрать горячую пластину, подвинуть перемещающийся поршень к нижней мёртвой точке, с помощью соломинки накапать силиконового масла из сжатой бутыли, так чтобы оно потекло вниз по стенке цилиндра на вершину поршневого кольца. Так как перегородка не полностью непроницаема, необходимое масло достигнет нижнего поршневого кольца за короткое время.

ü Никогда не подключайте сетевую обмотку (56221) без сердечника трансформатора.

Выполнение эксперимента

1. Включите охлаждающую воду (для этого, установить, низковольтный блок питания в положение 12В), проверьте циркуляцию, и ждите, пока вода не побежит обратно через выпускающую трубу.

2. Положите конец выходной трубы в пластмассовый стаканчик, и определите объем вытекающей воды ΔV за интервал времени Δt (см. рис 2.).

3. Измерить температуру θ₁ в головке цилиндра.

4. Установите переключатель (а) в среднее положение (режим ожидания), установите ручку настройки скорости (b) в среднюю позицию, и включите блок управления.

5. Измеряйте температуру θ охлаждающей воды через каждые 2 минуты, и ждите до тех пор, пока температура не стабилизируется

6. Поверните переключатель (a) влево (вращение по часовой стрелке) и измерьте частоту вращения двигателя на горячем воздухе. Скорость вращения двигателя получается из измеренной частоты деленной на количество отверстий диска.

7. Включите трансформатор сверхнизкого напряжения S, а также выберите U напряжение нагрева так, чтобы температура θ₁ оставалось постоянной, несмотря на работу двигателя.

8. При необходимости, отрегулируйте U напряжение нагрева, а также измените ток нагрева.

9. Измерение температуры воды проводить через каждые 2 минуты, и ждать, пока температура не достигнет максимального значения.

10. Остановите электродвигатель, переведя регулятор «а» в среднее положение, и продолжайте измерять температуру охлаждающей воды.

11. Определите изменение температуры Δθ охлаждающей воды. Если объем доступной воды охлаждения слишком мал, температура Дьюара будет также расти. Измерьте температуру Δθ, а потом внесите исправления, соответственно.

12. Измените скорость вращения электродвигателя с помощью ручки настройки скорости (b), и повторите измерения для пяти значений частоты.

Обработка и представление результатов

13. Результаты измерений занесите в таблицу 1,

Таблица 1.

Частота (Гц)	Напряжение (В)	Сила тока (А)	Изменение температуры (°С)

14. Рассчитайте Q₁, Q₂, W_R, W и результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

Частота (Гц)	Q1(Дж)	Q2(Дж)	WR(Дж)	W(Дж)

15. Определите коэффициент полезного действия h двигателя по формуле (3), и результаты расчета представить в виде графика зависимости коэффициента полезного действия от частоты вращения двигателя.

Замечание. Мощность двигателя составляет P = W f, где f частота холостого хода или скорость. Вы можете определить частоту f с помощью светового барьера и счетчика. Другим способом является использование изображения частотного спектра Frequency Spectrum (нажмите на эту вкладку с помощью мыши). Однако, лучшее частотное разрешение требует больших измеренных значений, чем записано в примере (увеличьте число от 125 до, например, 2000 в диалоговом окне Параметры измерения Measuring Parameters dialog).

2424. PV диаграмма двигателя, работающего на нагретом воздухЕ

Введение

Термодинамические квазистатические циклы можно описать замкнутой кривой на диаграмме pV (p - давление, V - объем). Работе, совершённой системой или над системой (в зависимости от направления вращения) соответствует площадь фигуры, ограниченной этой кривой. Данный эксперимент записывает pV диаграмму двигателя, работающего на горячем воздухе. Датчик давления замеряет давление р в цилиндре, а датчик перемещения измеряет положение поршня, которое позволяет вычислить объем, как функцию времени.

Цель работы

Знакомство с законами тепловых машин, работающих по замкнутым циклам

Решаемые задачи

ü Запись цикла теплового двигателя в координатах pV

ü Вычисление полезной работы двигателя

Экспериментальная установка

Приборы и принадлежности

ü Sensor-CASSY 524013

ü CASSY Lab2 524220

ü Источник тока 524031

ü датчик вращательного движения S 524082

ü Vbox 524038

ü датчиком давления и 529038

ü Двигатель на горячем воздухе 388182

ü Кордовая нить

ü Винтовая пружина из 35208ET2

ü U-сердечник с вилкой 56211

ü Зажимное устройство с пружинным зажимом 562121

ü катушка индуктивности, 500 витков 56221

ü низковольтная катушка индуктивности, 50 витков 56218

ü ПВХ трубки, ø 8 мм 307 70

ü Водяной насос 12 В388181

ü Низковольтный источник питания 521231

Рис.1

ü Соединительные провода, 100 см, черный 50133

Резервуар для воды 10 л

Порядок выполнения работы

Подготовка эксперимента. Сборка установки

1. Установите съёмный трансформатор и зажмите скобу на нём.

2. Установите горячую пластину как описано в экспериментальной установке и подсоедините нагреватель к двум внешним разъёмам низковольтной катушки, используя два соединительных провода.

3. Вставьте шланг датчика давления в штуцер давления рабочего поршня шатуна. Датчик давления подключите к Vbox на входе BSensor-CASSY.

4. Прикрепите датчик перемещения к опорной плите с двумя соединительными разъёмами и подключите его ко входу АSensor-CASSY.

5. Рабочий поршень снабжен иглой с ушком на нижнем конце для крепления шнура. Подвесьте возвратную пружину в отверстие основания. Она должна быть растянута, когда цилиндр находится в нижней мертвой точке. Обмотайте шнур два раза вокруг блока датчика перемещения, чтобы предотвратить скольжение! При калибровке датчика имейте ввиду, что объем цилиндра при положении поршня в верхней мертвой точке приблизительно 50 см³.

Требования безопасности

ü До проведения каждого эксперимента, убедитесь, что горячая пластина помещена в пазы и нагретая нить не касается перемещающегося поршня.

ü Нагретая часть двигателя может стать очень горячей, шатуны при движении и перемещения поршней могут вызвать травмы при работе двигателя. По этой причине всегда используйте защитный чехол от прикосновений, когда двигатель работает.

ü Никогда не используйте двигатель без охлаждающего потока воды. Вы можете соединить двигатель с краном с водопроводной водой или использовать циркуляционный насос с резервуаром; в этом случае рекомендовано использование дистиллированной или кипячёной (без окалины) воды. Если поток уменьшился при использовании водопроводной воды, промойте всю систему теплой (без окалины) водой.

ü Смазывайте два цилиндра двигателя силиконовым маслом регулярно. Самый простой способ сделать это - убрать горячую пластину, подвинуть перемещающийся поршень к нижней мёртвой точке, с помощью соломинки накапать силиконового масла из сжатой бутыли, так чтобы оно потекло вниз по стенке цилиндра на вершину поршневого кольца. Так как перегородка не полностью непроницаема, необходимое масло достигнет нижнего поршневого кольца за короткое время.

ü Никогда не подключайте сетевую обмотку (56221) без сердечника трансформатора.

Выполнение эксперимента

6. Загрузитe настройкиCASSYс Рабочего стола

7. Проверьте датчик перемещения, чтобы убедиться, что он работает правильно: поверните мотор один раз рукой и пронаблюдайте, находится ли отображаемый объём в пределах диапазона измерения. Если это не так, слегка ослабьте шнур, поверните колесо датчика перемещения, пока отображаемое значение не станет правильным.

8. Включите подогрев с помощью переключателя на сетевой катушке. При запуске в первый раз, вы должны подождать примерно 1 минуту до запуска двигателя, пока газ станет достаточно горячим для легкого запуска. В последующих экспериментах вы можете запустить двигатель, когда нагревательная спираль начинает светиться.

9. Начните измерение, нажав кнопку (F9). Программа автоматически записывает и отображает определенное количество измеряемых точек; измерение настроено работать всего несколько циклов, чтобы упростить последующее интегрирование.

10. Проверьте правильно ли вычисляется объем. Он должен получаться путем умножения площади поршня (28,3 см², т.к. диаметр составляет 60 мм) на путь поршня S_A1.

11. Работа за цикл определяется как площадь фигуры ограниченной полученной кривой. Для её вычисления выберите Calculate Integral (Peak Area) в меню Evoluations (нажмите правой кнопкой мыши на диаграмму) и отметьте один цикл (нажмите на начальную точку, нажмите и удерживайте левую кнопку мыши и перетащите указатель вдоль цикла). Точки, используемые для интегрирования, будут выделены. При отпускании кнопки мыши, площадь цикла будет выделена цветом, и соответствующее значение отобразится в строке состояния Status line.

Замечание. Мощность двигателя составляет P = W f, где f частота холостого хода или скорость. Вы можете определить частоту f с помощью светового барьера и счетчика. Другим способом является использование изображения частотного спектра Frequency Spectrum (нажмите на эту вкладку с помощью мыши). Однако, лучшее частотное разрешение требует больших измеренных значений, чем записано в примере (увеличьте число от 125 до, например, 2000 в диалоговом окне Параметры измерения Measuring Parameters dialog).