Приборы и оборудование. Лабораторный практикум

Лабораторный практикум

Часть 1. Теплообмен

Красноярск

Изд-во КрИЖТ

УДК 621.184.64

ББК 31.3

Лабораторный практикум по дисциплинам «Теплотехника» и «Термодинамика и теплопередача». Часть 1. Теплопередача. /А.С. Федоров – Красноярск:. Изд-во КрИЖТ, 2010. – 52 с.

Данное издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплинам «Теплотехника» и «Термодинамика и теплопередача», включающего учебную программу, конспект лекций, лабораторный практикум и методические указания к самостоятельной работе.

Лабораторный практикум содержит описание и методику проведения лабораторных работ по данным дисциплинам. В каждой работе приводятся необходимые теоретические сведения, дается описание установки, указывается порядок выполнения работы и обработки полученных экспериментальных данных. Описание каждой лабораторной работы сопровождается задачами по данным дисциплинам.

Лабораторный практикум предназначен для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям «Безопасность технологических процессов», «Вагоны» и «Электроподвижной состав»

Рецензенты:

1. дфмн, проф. С.Г. Овчинников, зав. лабораторией «Физика магнитных явлений» Института физики СО РАН;

2. дфмн Н.Г. Замкова, проф. кафедры «Общепрофессиональные дисциплины» Красноярского института железнодорожного транспорта

Печатается по решению учебно-методического совета Красноярского института железнодорожного транспорта

© А.С. Федоров, 2010

Красноярский институт железнодорожного транспорта

Филиал ГОУ ВПО Ир.ГУПС в г. Красноярск

А.С. Федоров

Термодинамика и теплопередача

Лабораторный практикум

Часть 1. Теплообмен

Учебное пособие

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Определение теплоемкости и мощности тепловых потерь

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

· Научиться определять мощность тепловых потерь нагревателя

· Научиться определять теплоемкость системы тигель+нагреватель

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

Лабораторный комплекс ЛКТ-3, включающий измерительную систему ИСТ‑2М, приборный блок, печь-термостат, пустой тигель, теплоизолирующий колпачок

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Как известно, мощность электрического нагревателя P (т.е. количество теплоты, выделяемое в нем за единицу времени) определяется по закону Джоуля-Ленца

P=IU, (1)

Используя закон Ома:

U=RI, (2)

где R -сопротивление цепи, формулу (1) можно переписать:

P=IU=I²R=U²/R (3)

откуда (4)

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Определите внутреннее сопротивление нагревателя комплекса ЛКТ-3. Для этого с помощью ручки Нагрев грубо установите напряжение (в диапазоне 10-15 вольт), прикладываемое к нагревателю.

2. Нажимая кнопку U_н, снимите точное показание напряжения нагрева (в вольтах) с помощью цифрового индикатора

3. Нажимая кнопку I_н, снимите точное показание силы тока нагрева (в миллиамперах!) с помощью цифрового индикатора

4. Применяя закон Ома (2), вычислите сопротивление нагревателя R₁

5. Повторите измерения еще два раза и вычислите среднее сопротивление < R>

6. Получите от преподавателя значения двух мощностей нагрева W _1, W ₂

7. Очистите плиту нагревателя и нижнюю поверхность пустого тигля с помощью бумаги. Нанесите на нижнюю поверхность пустого тигля 1-2 капли глицерина (для лучшего теплового контакта) и установите его на плите.

8. Наденьте на тигель теплоизолирующий кожух.

9. Прижмите тигель к плите стержнем с пружинами (если они есть).

10. Регулятор Температура установите в положение, соответствующее максимальной температуре

11. Используя выданное преподавателем значение мощности нагрева W ₁ с помощью найденного значения сопротивления R и формулы (4), установите требуемое для данной мощности напряжение U₁ нагрева с помощью цифрового индикатора

12. Измерьте зависимость температуры печи от времени в секундах в диапазоне от 40 до 120 град. с интервалом 10 градусов при данной мощности нагрева W _1. Полученные данные (время, температура, сила тока, напряжение и мощность нагрева) занесите в таблицу 1, (см. пример ниже)

13. Используя выданное преподавателем значение мощности нагрева W ₂, опять измерьте зависимость температуры печи от времени в секундах (в диапазоне 40-120 град.) с интервалом 10 градусов при данной мощности нагрева W _2. Аналогично полученные данные опять занесите в таблицу 1.

14. Полагая, что для одного и того же интервала температур ∆Т мощность потерь W^’(T) одинакова для обеих мощностей нагрева, из уравнений (5)

(5)

Где и - интервалы времени, за которые система проходит интервал температур при первом и втором нагреве, вычислите W’(Ti) и теплоемкость системы С₀(Ti) для каждой температуры (T_i) по формулам:

(6)

15. Определите среднее арифметическое значение величины :

1. Определите среднеквадратичную ошибку среднего арифметического значения , т.е. отклонение среднего арифметического от истинного значения:
2. Задайте доверительную вероятность α (обычно используют α =0.95). По таблице коэффициентов Стьюдента (см. Приложение 1) определите по известному значению числа измерений n и доверительной вероятности α коэффициент Стьюдента t(α,n).
3. Определите абсолютную погрешность величины (доверительный интервал):
4. Определите относительную погрешность теплоемкости:
5. Применяя формулы (5-6), вычислите для каждого температурного интервала мощность тепловых потерь и постройте на миллиметровой бумаге график зависимости мощности тепловых потерь от температуры Т. Для сглаживания линии используйте метод наименьших квадратов. При этом экспериментальные точки на графике должны быть выделены определенными значками
6. Повторите шаги (11-20) с другой парой W₁ и W₂, отличающейся от первой пары на плюс 5 ватт, вычислите опять мощность тепловых потерь для нее и постройте еще одну кривую на графике. Какие можно сделать выводы о влиянии мощности нагрева на погрешность метода определения мощности тепловых потерь? Какие мощности нагрева лучше выбирать?
7. Повторите шаги (11-20) с другой парой W₁ и W₂, отличающейся от первой пары меньшей разницей (W₂–W₁=2Вт), вычислите опять мощность тепловых потерь для нее и постройте еще одну кривую на графике. Какие можно сделать выводы о влиянии разницы мощностей нагрева на погрешность метода определения мощности тепловых потерь? Какие разницымощностей нагрева лучше выбирать?
8. Измерьте мощность тепловых потерь тигля с теплоизолирующим колпачком в интервале температур 40-120ºС с интервалом 20ºС методом термостабилизации. Для этого установите ручку “ Температура ” в положение, соответствующее требуемой температуре и включите нагрев с мощностью ~30 Вт. Текущую температуру контролируйте с помощью цифрового индикатора в положении Т1. Убедившись, что температура перестала существенно изменяться, подождите еще минуту и снимите показания тока и напряжения нагрева. Вычислите мощность нагрева при этой температуре, которая будет равняться мощности тепловых потерь при этой температуре. Для используемых температур ~(40,60,80,100,120)ºС постройте третий график зависимости мощности тепловых потерь от температуры.
9. Сделайте выводы о найденном значении теплоемкости С₀, о зависимости мощности тепловых потерь от температуры и от метода. Запишите их.
10. Сохраните копию графика и величину С₀ для использования в последующих работах.

В ходе выполнения работы приведите:

· Цель работы.

· Оборудование и материалы.

· Основные формулы.

· Вывод формул (6)

· Проведите измерения и заполнить Таблицу 1, см. пример ниже:

· Постройте график, где в одной системе координат (ось OX=T(K), ось OY=W’(T)) отложены 4 кривые.

· Сформулируйте и запишите подробные выводы по полученным зависимостям.

· Ответьте (устно) на вопросы, приведенные ниже

· Решите задачи (письменно), заданные преподавателем

Таблица 1.(пример) Измеренные и вычисленные показания времени нагрева, тока, напряжения, мощности и мощности потерь.

Время нагрева t1 (сек)	Температура T1	Ток нагрева I1 (мА)	Напряжение U1 (В)	Мощность нагрева W1 (Вт)
			13,00	16,28
			12,89	16,07
Время нагрева t2 (сек)	Температура T2	Ток нагрева I2 (мА)	Напряжение U2 (В)	Мощность нагрева W2 (Вт)	Мощность потерь W’ (Вт)	Теплоемкость С0 (дж/К)
					---	--
			15,02	20,07	1,33	70,3
			15,07	20,12	1,63	70,15

Вопросы:

1. Какие проблемы изучает термодинамика?, Что называют термодинамической системой?

2. Какие физические величины называют параметрами состояния системы?

3. Какие параметры называют координатами состояния?

4. На какие особенности термодинамических процессов указывает изменение энтропии системы?

5. Что называют внутренней энергией газа?

6. Как записывается первый закон термодинамики

7. Какие процессы называют равновесными, обратимыми?

8. Какие процессы называют неравновесными, необратимыми?

9. Что называют идеальным газом?

10. Запишите уравнение состояния идеального газа.

11. Какие процессы называют изохорными, изобарными, изотермическими, адиабатными?

12. Что называют теплоемкостью, удельной теплоемкостью? Какие теплоемкости широко используются в практических расчетах?

13. Какова связь между теплоемкостями Сv и Сp для идеального газа (уравнение Майера)?

14. Как зависит мощность тепловых потерь от температуры? От площади поверхности системы? От давления внешнего газа?

Задачи:

1. В цилиндре под подвижным поршнем находится 1 кг воды при Т=20С. Какое количество теплоты надо сообщить воде, чтобы превратить ее в пар при Т=150С. Считать процесс изобарическим P=10 атм

2. Определить изменение энтропии при изотермическом расширении водорода массой 1 г, если объем газа увеличился в 3 раза.

3. в алюминиевую кастрюлю с 1 литром воды при Т=60С добавили 0.2 кг льда при Т=0С. Какую температуру будет иметь вода после установления термодинамического равновесия

4. В стакан кипятка (м=200гр) бросили кусочек льда (м=100гр, Т=0С). Какая будет температура воды после того, как лед растает.

5. 2 кг азота имеют начальное абсолютное давление P=1.4 МПа и T1=17C. в результате изобарного расширения температура газа повысилась до Т2=120C. Определить объем азота в конце расширения, подведенную теплоту, работу процесса, а также удельные значения изменений внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессе. Процесс изобразить в PV и TS координатах.

6. Вычислить КПД двух тепловых машин, каждая из которых сжигает за цикл своего действия 1 кг керосина (теплотворная способность примерно 45 кДж/кг). Первая при этом производит 10 кДж работы, а вторая —20 кДж работы.

7. Идеальный одноступенчатый одноцилиндровый поршневой компрессор одностороннего действия, рабочий объем цилиндра которого V=5*10-3 м3 сжимает воздух по политропе с показателем m=1.2 от давления p1=90 kpa до давления p2=0.4 Mpa. Частота вращения вала компрессора n=23 об/мин. Определить секундную работу в процессе сжатия воздуха и мощность привода компрессора. Определить также температуру газа в конце процесса сжатия, если начальная температура воздуха t1=37С.

8. Цилиндрический сосуд, расположенный горизонтально, заполнен газом при температуре t = 27 °С и давлении р = 0,1 МПа и разделен на две равные части подвижной перегородкой. Каково будет давление р'. если в одной части газ нагреть до темпера­туры t' = 57 °С, а в другой - температуру газа оставить без из­менения?

9. До какой температуры надо нагреть алюминиевый куб, чтобы он, будучи положен на лед, полностью в него погрузился? Температура льда 0 °С, удельная теплоемкость алюминия с = 836 Дж/(кгК), плотность льда р = 9,2 * 102 кг/м3, плотность алюминия р = 2,7•103 кг/м3. Удельная теплота плавления льда: λ=335кДж/кг.

10. С какой скоростью влетает метеорит в атмосферу Земли, если при этом он нагревается, плавится и превращается в пар? Метеорное вещество состоит из железа. Начальную температуру метеора принять равной Т = 273 К. Температура плавления железа tпл = 1535 °С, теплота плавления λ = 2,7 • 105 Дж/кг. Удельная теплоемкость железа с = 0,46 • 103 Дж./(кг*К). Температура кипения tк = 3050 °С, удельная теплота парообразования Q = 0,58 • 105 Дж/кг. Предполагается, что парообразование происходит при температуре кипения.