Измерение теплоемкости Срт воздуха методом проточного калориметрирования
В лабораторном калориметре (рис. 2) к потоку газа подводится теплота от электронагревателя и измеряются все величины, необходимые для расчета теплоемкости: расход газа, количество подведенной теплоты, температуры газа на входе в калориметр и на выходе из него.
Расчетное уравнение для определения теплоемкости Срт в таком калориметре может быть получено следующим образом. Запишем уравнение первого закона термодинамики для стационарного потока газа для сечения 1 на входе и 2 на выходе:
, (12)
где 
- тепловой поток – количество теплоты, подведенной от электронагревателя в единицу времени, Дж/с или Вт;
- массовый расход газа, кг/с;
h – энтальпия газа, Дж/кг;
W – скорость газа, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
y – координата сечений 1 и 2 канала по высоте, м.
В данном случае работой, затрачиваемой на изменение кинетической энергии газа 
, можно пренебречь, так как скорости газа W1 и W2 мало отличаются друг от друга. Работа, затрачиваемая на изменение потенциальной энергии 
, равна нулю, поскольку калориметр расположен горизонтально 
.
Таким образом, уравнение (12) принимает вид:
. (13)
Проинтегрировав известное выражение для идеального газа
(14)
в интервале температур от t1 до t2, получим:
, (15)
где 
- средняя теплоемкость при 
в интервале температур от t1 до t2.
Из уравнений (13) и (15) следует:
. (16)
Проведение опытов
1.
 |
|
|
Рис.2. Схема экспериментальной установки:
1 – проточный калориметр, изготовленный из стекла; 2 – вакууммированная оболочка, предназначенная для уменьшения потерь тепла в окружающую среду; 3 – электронагреватель; 4 – дифференциальная термопара, 5,8 – лабораторные автотрансформаторы; 6 – стабилизатор напряжения; 7 – переключатель; 9 – милливольтметр; 10 – вольтметр; 11 – амперметр; 12 – вентилятор; 13 – ротаметр.
2. Установить заданные значения силы тока и расхода воздуха при помощи трансформаторов 5 и 8.
3.
|
|
|
|
После включения установки, в которой исследуются тепловые процессы, требуется некоторое время, в течение которого происходит стабилизация измеряемых величин. Нестационарный период прогревания элементов установки постепенно сменяется стационарным и измеряемые величины становятся достоверными.
На графике стационарности (рис. 3) через каждые 2 мин наносить показания милливольтметра е, мВ до наступления стационарного режима.
4. После наступления стационарного режима, о чем свидетельствует неизменность е ~ t2 - t1 в течение 3-х измерений, занести показания приборов в таблицу опытных данных, таблица 2,
Таблица 2
| Прот. делений |  , м3/с
| I, A | Uэл, В | е, мВ |  , °С
| t1, °С | t2, °С | B, мм рт. ст. | р=В, Па |
где Прот. – показания ротаметра; - объемный расход – определяется по градуировочному графику; I – сила тока в электронагревателе – показания амперметра; Uэл –падение напряжения на электронагревателе – измеряется с помощью вольтметра; е – термо-э.д.с. – показания милливольтметра; - изменение температуры газа в калориметре – определяется по градуировочному графику; В – барометрическое давление, р – давление газа, равное атмосферному, т.е. барометрическому давлению, р=В.
Обработка опытных данных
1. Рассчитать значения теплоемкостей и некоторые характеристики процесса. Результаты занести в таблицу обработки опытных данных (таблица 3).
Таблица 3
| Расчетная величина | Формула | Значение |
| Тепловой поток, выделяемый в электронагревателе |  , Дж/с
| |
| Массовый расход воздуха |  , кг/с, где р1=В
| |
| Средняя массовая изобарная теплоемкость воздуха в интервале температур t1 и t2 |  , кДж/(кг×град)
| |
| Средняя массовая изохорная теплоемкость воздуха в интервале температур t1 и t2 |  , кДж/(кг×град) где  , кДж/(кг×град)
| |
| Изменение внутренней энергии |  , кДж/кг
| |
| Изменение энтальпии |  , кДж/кг
| |
| Изменение энтропии в процессе при
|  , кДж/(кг×град)
| |
Изменение энтропии в процессе при 
|  , кДж/(кг×град)
| |
| Показатель адиабаты | 
|
2. Определить теплоемкости Сv и Cp воздуха, используя молекулярно-кинетическую теорию газов (таблица 1) и соотношения (11).
Вычислить расхождения с экспериментальными данными
.
3. Рассчитать систематическую погрешность измерений при экспериментальном определении Срт:
.
Подробно материал к этому пункту изложен в разделе «Оценка погрешности эксперимента».
Контрольные вопросы
1. Удельные теплоемкости газов. Определение, обозначения и размерности. Использование для расчетов Qx.
2. Зависимость теплоемкости от характера процесса подвода теплоты. Уравнение Майера.
3. Зависимость теплоемкости от температуры. Понятие о средней теплоемкости.
4. Сущность метода проточного калориметрирования. Схема экспериментальной установки.
5. Первый закон термодинамики для газового потока. Расчетное выражение для определения теплоемкости.
6. Методика расчета 
, 
и 
.
7. Элементы молекулярно-кинетической теории теплоемкости.
8. Понятие об истинной теплоемкости и ее связи со средней теплоемкостью.
9. Техника проведения теплотехнического эксперимента. Понятие о стационарном режиме.
Лабораторная работа № 23