 |
Объясните принцип действия лабораторной установки; функциональное назначение основных элементов установки.
|
|
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Лабораторный практикум по дисциплинам «Термодинамика» и «Техническая термодинамика» включает пять работ. Его целью является углубление и систематизация теоретических знаний по дисциплине. Практикум направлен на ознакомление учащихся с методами экспериментальных исследований термодинамических свойств веществ и приобретения ими практических навыков использования измерительных приборов в теплотехнических измерениях. Назначение настоящих методических указаний — оказание помощи учащимся в выполнении лабораторных работ по указанной дисциплине.
Общее примечание к выполнению и защите лабораторных работ:
- к выполнению лабораторной работы учащийся готовится заранее, то есть к назначенному дню (дате): ознакамливается с целью лабораторной работы, методикой её выполнения, прорабатывает соответствующий теоретический материал (лекции, пособия и книги), составляет «каркас» протокола лабораторной работы (на отдельном листе изображает принципиальную схему лабораторной установки и подготавливает таблицу для записи измеряемых данных). Титульный лист оформляет в соответствии с образцом, приведенным в конце этого радела;
- при выполнении лабораторной работы учащийся заполняет протокол лабораторной работы (записывает измеряемые величины в соответствующую колонку таблицы);
- после окончательного оформления протокола лабораторной работы (выполнения всех предусматриваемых лабораторной работой расчётов и графических построений) и проработки соответствующего теоретического материала, студент в индивидуальном порядке защищает лабораторную работу;
|
|
|
- время, правила защиты и учета результатов выполнения работы и её защиты в соответствующем модульном контроле знаний учащихся уточняется преподавателем в начале лабораторного практикума;
- контрольные вопросы, по которым учащийся готовится к защите лабораторной работы, приводятся в конце каждой лабораторной работы.
Лабораторная работа №1 посвящена исследованию изотермического процесса. Одной из характеристик этого процесса является постоянство произведения давления и удельного объема во всех точках поцесса (pv = idem). Экспериментальному доказательству этого факта посвящена эта лабораторная работа. Стенд для измерений (рис.6.1) состоит из бюретки 1, U-образного водяного мановакуумметра 2, напорного сосуда 3 и термостатирующего цилиндра 4. Бюретка служит для измерения объема, занимаемого в ней воздухом при данном давлении, с помощью шкалы, нанесенной на образующей цилиндра. Полный объем, занимаемый воздухом, состоит из его объема в бюретке (от плоскости А до уровня В жидкости, сжимающей либо расширяющей исследуемую порцию воздуха) и объема капилляра, соединяющего бюретку с U-образным мановакуумметром (от точки А до уровня жидкости Б в правом колене).
Дополнительными измерениями установлено, что объем капилляра от точки А до уровня жидкости Б в правом колене, когда он совпадает с уровнем жидкости в левом колене (то есть в случае соединения правого и левого
Рис. 6.1. Схема экспериментального стенда для исследования
Изотермичского процесса.
колен с атмосферой) равен 13 см3. Из принципа действия установки (рис. 6.1) следует, что при сжатии воздуха в бюретке объём капилляра рассчитывается из сотношения
 
| (6.1) |
где d вн = 0,4, см — внутренний диаметр стеклянной трубки мановакуумметра.
h1, см — показание правого колена мановакуумметра.
При расширении воздуха в бюретке объем капилляра равен
Алгоритм исследования изотермического процесса расширения:
|
|
|
- соединяем правое и левое колена мановакуумметра и бюретку с атмосферой при помощи трехходового крана КТ (рис. 6.1). При этом уровни воды в коленах мановакуумметра выравняются;
- при помощи напорного сосуда 2 устанавливаем минимальный объем воздуха в бюретке (например, V б,0,расш.= 56 см3);
- отсекаем выбранный объём воздуха от окружающей среды, поворачивая трехходовой кран на 180°;
- опускаем постепенно (дискретно) напорный сосуд, делая 4-5 остановок и записывая при этом показания правого и левого колен мановакуумметра и соответствующие значения объема бюретки.
Таблица
| №№ опытов | Показания мановакуумметра, мм вод. Ст. | Объём воздуха в бюретке, Vбюр, см3 | Дополнительный объём, Vдоп, см3 | Примечание | |
| левое колено hлев . | Правое колено hправ. | ||||
Масса воздуха, находящегося в бюретке, рассчитывается из уравнения состояния для М кг идеального газа
где V 0,расш. = (V б, 0,расш.+13)·10-6 — объем воздуха в начале процесса в м3;
р 0 = р атм — начальное (атмосферное) давление воздуха в Па;
Т 0 — температура воздуха в помещении во время опыта в К.
R = 287,1 кДж/(кг·К) — удельная газовая постоянная воздуха.
| Тогда | 
| (6.2) |
Удельный объем воздуха (в м3/кг) в начале изотермического расширения можно рассчитать из уравнения состояния для 1 кгидеального газа
p 0 v 0 = RT 0
Давление воздуха во всех последующих точках процесса расширения рассчитывается по формуле
| (6.3) |
где р 0 = р атм — атмосферное давление во время опыта в мм.рт.ст.;
h – подставляется в мм.
Для перевода рі в Па необходимо значения, рассчитанные по формуле (6.3), разделить на 750 мм.рт.сти умножить на 105.
Объем воздуха (в см3) во всех точках процесса рассчитывается по формуле
Vi = V б , i + V кап, i,
где 
.
Здесь d и h подставляются в см.
Проверяем точность выполненных измерений и расчетов, сопоставляя pivi и p 0 v 0
| (6.4) |
Если отклонение какого-либо произведения pivi от p 0 v 0 превышает 3%, то надо повторить измерения и расчеты для данной точки.
Алгоритм исследования изотермического процесса сжатия аналогичен рассмотренному выше для процесса расширения. Отличие состоит в том, что первоначально при помощи напорного сосуда 2 устанавливаем максимальный объем воздуха в бюретке (например 94 см3).
|
|
|
Масса воздуха, над которой выполняется исследование процесса сжатия Мсж, будет другой и определяеся из формулы (6.2).
Значения давления (в мм.рт.ст) в промежуточных точках процесса рассчитываются из соотношения
Значения объема воздуха (в см3) рассчитываются по формуле
Vi = V б, i + V кап, i
где 
Проверка точности выполненных измерений и расчетов выполняется по формуле (6.4).
После выполнения расчетов всех точек участков изотермы сжатия и расширения необходимо построить их совместно в координатах p,v. При этом надо выбрать максимально возможные масштабы по p и v в пределах листа А4 миллиметровой бумаге (в крайнем случае в пределах тетрадного листа в клетку). В каждой точке откладываются абсолютные отклонения по p и v. Для этого первоначально рассчитываются соответствующие относительные отклонения δpi и δvi из соотношения
,
то есть относительные погрешности измерений по p и v принимаются одинаковыми. Если относительное отклонение δ (pivi),рассчитанное по формуле (6.4), положительно, то δ pi иδ vi принимаются положительными, если δpivi отрицательно — отрицательными. Отложив в каждой точке абсолютные отклонения Δ pi и Δ vi, проводим плавную усредняющую кривую в пределах образовавшегося коридора.
При изучении конструкции и принципа действия установки следует уяснить роль и назначение термостатирующего сосуда. Надо знать, какой термодинамический процесс будет протекать в бюретке, если выпустить воду из термостатирующего цилиндра и создать в нём вакуум.
Естественно, при выполнении лабораторной работы надо четко уяснить, в каких единицах измеряются давление, объем и температура, в каких единицах они подставляются в термодинамические соотношения, наконец, как они пересчитываются одна в другую.
Контрольные вопросы
Объясните принцип действия лабораторной установки; функциональное назначение основных элементов установки.
|
|
|
