Определение удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении
Цель работы: экспериментальное определение теплоемкости воздуха при постоянном давлении.
Теоретические положения
Теплоемкостью тела называют количество теплоты, необходимое для изменения его температуры на 1 К.
В зависимости от того, в каких единицах задано количество вещества, в расчетах используют следующие удельные теплоемкости:
массовую теплоемкость c, отнесенную к 1 кг массы, Дж/(кг К);
молярную теплоемкость µс, отнесенную к 1 кмоль вещества, Дж/(кмоль К);
объемную теплоемкость с’, отнесенную к количеству вещества, содержащемуся в 1 м3 при нормальных физических условиях, Дж/(нм3 К).
Массовая теплоемкость в процессе при постоянном давлении обозначается ср и называется изобарной, а в процессе при постоянном объеме сv – изохорной.
Согласно уравнения Майера: ср – сv = R. R – удельная газовая постоянная представляет собой работу расширения 1 кг газа при его нагреве на 1 К при постоянном давлении.
Схема и описание лабораторной установки
Схема экспериментальной установки приведена на рис.1. На передней панели находится двухканальный измеритель температур (5) 2ТРМО, подключённый к двум хромель-копелевым термопарам t1 и t2 рис.2, источник питания постоянного тока (3), ротаметр (4), тумблер «Сеть», тумблёр включения компрессора (2), разъемы (8) для подключения вольтметра (мультиметра) (9), переключатель (7) для измерения напряжения Uн на нагревателе и падения напряжения Uо на образцовом сопротивлении Rо.
На рис.2 приведена схема рабочего участка. Воздух при температуре t1 подаётся компрессором (11) через холодильник (12) и ротаметр (13) по трубке (14), покрытой тепловой изоляцией (17), в сосуд Дьюара (15). В трубке (14) находится нихромовый нагреватель (16) к которому последовательно подключено образцовое сопротивление Ro = 0,1 Ом. Протекая через трубку (14), воздух нагревается. Нагреватель питается от плоемкостью тока (ИП). Напряжение на нагревателе Uн и напряжение на образцовом сопротивлении Uо измеряется вольтметром (мультиметром). Температура воздуха на входе в сосуд Дьюара t1 и температура воздуха на выходе t2 из трубки (14) после нагрева измеряется прибором 2ТРМО. Объёмный расход воздуха G измеряется ротаметром (13).
Проведение опытов и обработка результатов измерений
1. Включить питание установки тумблером «Сеть», измеритель температуры (5) тумблером (6), компрессор тумблером (2) .
2. Включить питание нагревателя кнопочным выключателем (3) источника питания и установить первое значение напряжения Uн = 3 В.
3. Включить мультиметр и измерить точное значение Uн и Uо, переключая тумблер (7) в соответствующие положения.
4. Через 2 – 3 минуты (по достижении стационарного режима) произвести отсчёт температур t1 и t2 по измерителю 2ТРМО и объёмного расхода воздуха V по ротаметру (4).
5. Пункты 3 – 5 повторить для следующих значений напряжения на нагрева-теле: Uн = 4; 5; 6; 7 В.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Рис. 2. Схема рабочего участка.
Измеренные величины:
t2 – температура холодного воздуха на входе в сосуд Дьюара в °С;
t1 – температура нагретого воздуха на выходе из сосуда Дьюара в °С;
V – объёмный расход нагреваемого воздуха м3/с ;
Uн – напряжение на нагревателе, В;
Uо – напряжение на образцовом сопротивлении, мВ.
Расчётные величины:
Массовый расход воздуха:
G= V ρв
где rв – плотность воздуха на входе в компрессор при нормальных условиях
rв = 1,29 кг/м3 .
Ток в нагревателе
I = Uо/ Rо
величина образцового сопротивления: R0 = 0,1 Ом;
Тепло, выделяемое нагревателем и передаваемое воздуху;
Q = Uн I
Зная температуры до и после передачи воздуху тепла от нагревателя, а так же его расход, можно определить теплоёмкость воздуха при постоянном давлении.
Показания приборов во время опытов (измеренные величины) и расчетные величины следует записать в таблицу
Таблица
| № п/п | t1 °С | t2 °С | Uн, В | Uо,мВ | I, A | Q, Вт | V, м3/ч | срm Дж/кг×К |
Содержание отсчета
В отчет должны быть включены:
1) схема и описание лабораторной установки;
2) порядок проведения работы, основные теоретические положения;
3) таблица наблюдений и расчет средней массовой изобарной теплоемкости срm на основании опытных данных;
4) определение через срm теплоемкостей с’pm , mсpm , сvm , с’vm , mсvm в системе СИ;
5) ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы.
1. Как связаны между собой мольная, массовая и обьемная теплоемкости?
2. Что такое массовая, обьемная, средняя и мольная теплоемкости?
3. В чем разница между истинной и средней теплоемкостями?
4. Как связаны между собой изохорная и изобарная теплоемкости?
Лабораторная работа № 2