Методика виконання дослідів наступна:
- після ознайомлення з установкою вимірюємо температуру повітря на вході в калорифер. Для цього вмикаємо установку і, не включаючи нагрівач калорифера, очікуємо встановлення сталості температури повітря на виході з калорифера (вимірюється термометром t2). На початку досвіду ця температура буде швидко збільшуватися внаслідок нагрівання повітря при його стисканні в вентиляторі. Згодом температура стабілізується, тобто встановиться перший стаціонарний режим роботи установки. Цю температуру приймаємо в якості початкової температури повітря, що нагнітається в калорифер (t1). Записуємо це значення в відповідну колонку таблиці досвідчених даних;
- подаємо на нагрівач калорифера за допомогою автотрансформатора напруга 90-120 В. Очікуємо встановлення сталості температури повітря t2 на виході з калорифера, тобто другого стаціонарного режиму;
- при безпосередньому проведенні досвіду одночасно вимірюємо і записуємо значення температури повітря на виході з калориметра t2 і показання газового витратоміра (дві цифри до коми і дві після по його шкалі) на початку і кінці досвіду (через 180 сек.);
- записуємо в таблицю 6.2 показання лічильника та усереднене значення температури повітря після калориметр (t2) (полусумма відповідних значень на початку і кінці досвіду), а також атмосферний тиск.
Значення величин, що вимірюються в досвіді
Показання амперметра і вольтметра
Дані для розрахунку витрати повітря
Після розрахунку значень РS необхідно побудувати графік залежності РS = ƒ (ts). Оскільки в лабораторній роботі досліджується мала ділянка кривої пароутворення, початкова точка координат повинна відповідати мінімальній температурі (вісь абсцис) і мінімальному тиску (вісь ординат). Через отримані досвідчені точки проводимо усереднюються криву з урахуванням похибки вимірювання температури і тиску в досвіді.
1. Як називається крива залежності ps = f (ts). Зобразіть її умовно в координатах р, Т повністю із зазначенням інших ліній фазових переходів. Перерахуйте лінії фазових переходів, охарактеризуйте фізичні властивості речовин у різних областях фазової діаграми.
2. Зобразіть прикордонну криву реального газу в координатах p, t. p, v і T, v. Як називається діаграма p, t?
3. Які прилади та обладнання використовуються в лабораторній установці для визначення залежності ps = f (ts). Поясніть їх призначення і принцип дії.
4. Скільки незалежних параметрів необхідно задати для вказівки стану насиченої пари або киплячій рідини? Якими параметрами найчастіше задається це стан?
5. Яким фазовим станам речовини відповідають права і ліва гілки прикордонної кривої? Як змінюються термодинамічні властивості речовин в цих станах з ростом температури і тиску?
6. Як називається процес безпосереднього перетворення речовини з твердого стану в пароподібний стан? Де він зустрічається на практиці?
7. Зобразіть прикордонну криву рідина-пар речовини в координатах T, s і h, s. Охарактеризуйте особливості його стану в характерних точках на цій кривій.
8. Визначте поняття «нормальна температура кипіння». Як поділяються речовини в залежності від їх значення такої температури?
9. Яке практичне значення має залежність тиску насиченої пари від температури?
10. Які явища мають місце при изобарном переході речовини з твердого стану в пароподібний, якщо ркр> рзад> РТР?
11. Яке явище має місце при изобарном переході речовини з твердого стану в пароподібний, якщо рзад <ртр ?
12. Як речовина, що знаходиться в твердому стані при р> РТР. перетворити на пару з мінімальним числом фазових переходів?
13. Зобразіть в координатах p, v і T, s ізотермічний процес перетворення рідини в пар. Які фазові перетворення при цьому спостерігаються?
14. Зобразіть в координатах p, v і T, s ізобарний процес перетворення рідини в пар. Які стани при цьому спостерігаються?
16. Який процес відбувається в балоні з ацетоном після закінчення дослідів. Ваш відповідь покажіть на діаграмах p, T і p, v.
Лабораторна робота № 4 присвячена визначенню теплоти пароутворення води. При її виконанні треба знати наступне:
Теплотою пароутворення називається кількість теплоти, необхідне для перетворення одного кілограма киплячої рідини в насичений пар при постійному тиску. Підведення при цьому теплоти не підвищує температуру, а викликає дісгрегацію, тобто збільшення відстані між молекулами при перетворенні рідини в пар. Визначивши масу пара (конденсату) та кількість теплоти, витрачений на його освіту, розраховують теплоту пароутворення води в умовах досвіду.
Для визначення маси пара (конденсату), що утворюється за час досвіду, досить зважити змійовик зі збіркою конденсату на початку і кінці досвіду. Для визначення кількості підведеної теплоти необхідно виміряти температуру води в калориметр також на початку і кінці досвіду. Тоді значення теплоти пароутворення r розраховується з рівняння теплового балансу
де ср, в = 4,1868 кДж / (кг · К) - питома ізобарна теплоємність води;
Мв - маса води, що знаходиться в калориметр (зазвичай 5 кг);
W - водяний еквівалент калориметра, кДж / К.
t1, t2 - початкова і кінцева температура води в калориметр, ° С;
Мк = (М2-М1) - маса що утворився пара (конденсату) під час досвіду, кг;
М1, М2 - маса змійовика на початку і кінці досвіду, кг;
ts - температура насичення (кипіння) води при тиску досвіду, ° С.
Водяний еквівалент калориметра - кількість теплоти, необхідне для нагрівання на 1 К його змочуваних частин: корпусу, мішалки, змійовика зі збіркою конденсату і термометра. Він визначений раніше і дорівнює 5,4 кДж / К.
Температура насичення і таблична теплотапаротворення при тиску досвіду визначаються інтерполяцією відповідних величин з таблиць властивостей насичених води і водяної пари [3] в залежності від атмосферного тиску в момент проведення досвіду.
Початком досвіду є момент підключення змійовика-конденсатора до колби-кип'ятильник, в якому кипить вода, а кінцем - момент вирівнювання температури конденсату (змійовика) і температури води в калориметр. У цей момент температура води в калориметр досягає максимальне значення.
У рівнянні (6.7) ліва частина - теплота, отримана водою і калориметром за час досвіду. Перший доданок правої частини - теплота, що виділилася при конденсації М кг пара: (Мк · r), а друге - теплота, віддана конденсатом при його охолодженні від температури конденсації (ts), до температури, яка встановилася в калориметр в кінці досвіду (t2).
Процеси утворення (1-2-3) і конденсації (3-2) пара, а також охолодження конденсату до кінцевої температури в досвіді (2-К) представлені на діаграмі T, s (рис. 6.7). Площа (c-2-3-d-с) відповідає теплоті пароутворення r в умовах досвіду; площа (a-1-2-c-а) - теплоту, що витрачається на нагрів води від початкової (кімнатної) температури до температури кипіння (насичення) ts; площа (c-2-K-b-с) - теплоту, що віддається конденсатом при його охолодженні від температури конденсації ts до кінцевої температури води в калориметр t2.
Мал. 6.7. Зображення процесів освіти і конденсації пари
Опис експериментальної установки
Експериментальна установка для визначення теплоти пароутворення води (рис. 6.8) складається з: електронагрівача 1 (електроплитки), кип'ятильника 2 (скляної колби), паропроводу 3 (сполучної трубки), конденсатора 4 (змійовика зі збіркою конденсату), калориметр 5 (ємності з подвійними стінками, між яких знаходиться ізоляційний матеріал), мішалки з електричним приводом 6. термометра 7. екрану 8. перешкоджає передачі теплоти випромінювання від гарячої плитки і колби до зовнішньої поверхні калориметр. У лабораторну установку також входять електронні ваги, точностьвзвешіванія яких 0,01 грама.
Методика виконання досвіду
Переконавшись, що змійовик зі збіркою конденсату порожній, зважуємо його на електронних вагах. Перед кожним зважуванням треба протирати змійовик насухо дрантям.
Рис.6.8. Схема установки для визначення теплоти пароутворення води
Розміщуємо змійовик в калориметр; щільно закриваємо кришки калориметр і заміряємо початкову температуру води в калориметр за допомогою термометра. Як зазначено раніше, термометр не слід повністю виймати з калориметра, так як він встановлений стаціонарно.
Включаємо електронагрівач кип'ятильника (електроплитку). Після досягнення стійкого кипіння води в кип'ятильник з'єднуємо його паропроводом зі змійовиком-конденсатором і включаємо електропривод мішалки;
Після підвищення температури води в калориметр на (3-5) ° С від'єднуємо змійовик-конденсатор від кип'ятильника, вимикаємо електричну плитку і продовжуємо безупинно спостерігати за зміною цієї температури при працюючій мішалці;
Після закінчення процесу підвищення температури води в калориметр (визначається за показаннями термометра і зміни температури змійовика-випарника на дотик), заміряємо максимальну температуру води і зупиняємо мішалку. Зважуємо змійовик-конденсатор і визначаємо атмосферний тиск за наявним в лабораторії барометра.
Вимірювані величини записуємо в таблицю спостережень (табл. 6.4).
Виміряні в досвіді величини
Атмосферний тиск, РАТМ. мм рт. ст. або бар
Температура води в калориметр, о С
1. Як влаштована лабораторна установка? Які величини вимірюються в цій роботі і з якою метою?
2. На що витрачається теплота, що підводиться до води калориметр?
3. Що таке водяний еквівалент калориметра? Чи залежить він від кількості води, залитої в калориметр?
4. Які величини входять в формулу для розрахунку теплоти пароутворення води в даній лабораторній роботі?
5. Дайте визначення поняттю «теплота пароутворення». Яка розмірність теплоти пароутворення?
6. Як залежить теплота пароутворення від температури і тиску? Покажіть ці залежності в координатах r, T і r, p.
7. Коли і яким приладом вимірюється максимальна температура води в калориметр?
8. Від чого залежить температура конденсату, що утворюється в змійовику-конденсаторі? Як вона визначається в досвіді?
9. Від чого залежить і як визначається табличне значення теплоти пароутворення (rтабл)? Запишіть співвідношення для розрахунку теплоти пароутворення через ентальпію і ентропію.
10. Покажіть на діаграмі T, s теплоту, що підводиться до води калориметр за рахунок охолодження конденсату після відключення паропроводу і конденсації залишків пара. З якого рівняння можна розрахувати цю теплоту?
11. Покажіть на діаграмі T, s теплоту пароутворення. Запишіть співвідношення для її розрахунку через значення ентальпії і ентропії.
12. Чому температура води в калориметр продовжує підвищуватися після припинення подачі пари в змійовик-конденсатор?
13. Чи можна на даній лабораторній установці визначити теплоту пароутворення фреону R-22 і аміаку NH3 при атмосферному тиску?
14. Як зміняться дослідне і табличне значення теплоти пароутворення води, якщо атмосферний тиск підвищиться?
15. Чи рівні значення теплоти пароутворення у різних речовин при нормальному атмосферному тиску, чим це пояснюється?
16. Зобразіть на діаграмі T, s процеси, що відбуваються в випарнику (колбі) з моменту включення електроплитки до виходу установки на режим проведення досвіду.
17. Зобразіть на діаграмі T, s процеси, що відбуваються в конденсаторі-змійовику після відключення від нього випарника і до його зважування.
Лабораторна робота № 5 присвячена дослідженню тепловіддачі труби при вільній конвекції. Робота відноситься до дисципліни «Основи тепломасообміну», але розглядається в даному посібнику, оскільки при її виконанні студенти освоюють методику вимірювання температури за допомогою термопар.
Вільної (природною) конвективного тепловіддачею називається процес віддачі теплоти від стінки (до стінки) при русі теплоносія відносно неї, обумовлюють різницею щільності нагрітих і холодних обсягів теплоносія. Кількість віддається стінкою теплоти залежить від різниці температур стінки і теплоносія і швидкості руху теплоносія щодо стінки. Ця швидкість при природної конвекції прямо пропорційна різниці температур стінки і теплоносія. Інтенсивність тепловіддачі залежить також від теплофізичних властивостей теплоносія, форми теплоотдающей (теплосприймаючої) поверхні, її просторового положення і від ряду інших факторів.
Кількість теплоти, що віддається (сприймається) поверхнею стінки, розраховується за рівнянням Ньютона-Рихмана
де # 945; - коефіцієнт тепловіддачі, Вт / (м 2 К);
F - поверхня стінки, м 2;
# 916; t = tст- -tт - різниця температур стінки і теплоносія.
В роботі досліджується тепловіддача від поверхні труби до повітря приміщення лабораторії при вільній конвекції. Зокрема, досліджується залежність коефіцієнта тепловіддачі труби # 945; при різних її просторових положеннях (горизонтальному, вертикальному і під 45 ° до горизонталі).
Опис експериментальної установки
В установку, схема якої приведена на рис. 6.9, входять:
труба 1. підігрівається вмонтованим всередину електричним нагрівачем (електроспіраллю) 2. Питома нагрівачем потужність регулюється за допомогою лабораторного автотрансформатора (ЛАТР-1) 3 і розраховується за показниками вольтметра 4 і амперметра 5. Для вимірювання температури зовнішньої поверхні труби на ній закріплені п'ять термопар 6 . приєднуються по черзі за допомогою перемикача 7 до дзеркального гальванометра 8. Гальванометр відградуйованих мілівольтах (мВ), тому для визначення температури в градусах Цельсія (° С) на ла ораторном стенді є графік перекладу мВ в ° С. Температура повітря в лабораторії вимірюється за допомогою звичайного ртутного термометра. Температура стін лабораторії вимірюється дистанційним лазерним термометром.
Розміри труби лабораторної установки: діаметр 35 мм, довжина 1 м.
Мал. 6.9. Схема установки для дослідження тепловіддачі труби
При вільної конвекції
Методика проведення досвіду
- послідовно встановлюємо трубу в одне з трьох положень (горизонтальне, вертикальне або під кутом 45 °);
- включаємо електронагрівач, встановлюємо автотрансформатором напруга U 100 В;
- заміряємо і записуємо в відповідну колонку таблиці вимірювань, значення напруги і сили струму в ланцюзі нагрівача;
- для досягнення стаціонарного температурного поля трубу витримують у відповідному положенні приблизно 5 хвилин перед початком вимірювань; стационарность визначається малим зміною температури стінки труби (не більше 0,5 ° С в хвилину за показаннями термопари № 3);
- вимірюємо ЕРС всіх п'яти термопар; усереднене значення ЕРС переводимо в ° С за допомогою графіка, наявного на лабораторному столі.
При визначенні істинної середньої температури поверхні труби враховуємо, що термопари показують температуру щодо холодного спаю, що знаходиться при температурі приміщення. Тому остаточно справжня температура труби (tтр) розраховується зі співвідношення
де tізм- температура поверхні труби за показаннями гальванометра, ° С;
tт, tи - температура повітря в лабораторії в момент тарировки термопар і при виконанні лабораторної роботи, відповідно.
Вимірювані в досвіді величини