Лабораторная работа 1 Исследование термодинамических процессов в физических системах 1

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Лабораторная работа № 1

Исследование термодинамических процессов в физических системах

1.1. Цель работы

1. Ознакомление с устройством экспериментальных установок по исследованию основных термодинамических процессов.

         2.  Выполнить экспериментальное исследование  особенностей организации и протекания термодинамических   процессов, получить представление о методах и средствах измерения  термодинамических  параметров  газа  и  для каждого процесса построить зависимости  p = f(υ), Т = f(s).

1.2. Общие сведения

Основными процессами, изучаемыми в технической термодинамике, являются процессы, проходящие при постоянном значении одного из параметров состояния газа: изохорный (при постоянном объеме); изобарный (при постоянном давлении); изотермический (при постоянной температуре). К основным процессам относится также адиабатный процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. В инженерных приложениях часто рассматриваются политропные процессы, описываемые уравнением  pvn= const, где константа n (показатель степени) называется показателем политропы.  

Основными задачами исследования термодинамических процессов являются:

 установление зависимости между параметрами состояния газа в данном процессе;

 определение уравнения процесса, отвечающего этой зависимости, и изображение его в р-v и T-s координатах;

  определение количества теплоты, сообщенной газу в данном процессе, и совершенной им работы;

 определение изменения внутренней энергии, энтальпии и энтропии газа в этом процессе.

         Эти задачи требуют для своего решения наличия экспериментальных данных. Но в ряде важных для практики случаев (например, когда газ можно считать идеальным) их можно решить и расчетным путем. Однако при этом важно отметить, что расчетное решение возможно только для равновесных процессов, в которых  параметры состояния газа во всех точках рассматриваемого объема одинаковы.

Необходимо отметить также, что термодинамические процессы могут протекать как в замкнутых объемах (например, в поршневых двигателях), так и за счет изменения давления и температуры газа в незамкнутых объемах (как в газотурбинных двигателях).

При обработке экспериментальных данных с проведением расчетов предполагается, что процессы являются равновесными, а газ  идеальным. Для определения связи между параметрами состояния газа в той или иной точке данного процесса используется уравнение Клапейрона

p·v = R·T. 

Кроме того, предполагается, что распределение энергии теплового движения по степеням свободы молекул равномерно (закон Больцмана), а колебательные движения атомов в молекулах не возбуждаются. В этом случае теплоемкость газа не зависит от его температуры и при постоянном объеме равна cv, а энтропия газа связана с параметрами его состояния соотношениями

s = cv lnT + R lnv + const    или   s = cp lnT - R lnp + const                             

где   cp = cv + R  - теплоемкость газа при постоянном давлении.

Энтропия это функция состояния,  которая характеризует работоспособность  рабочего тела, а  в общем случае - всей системы. С  уменьшением энтропии работоспособность рабочего тела увеличиваться с увеличением уменьшается.

Тогда уравнение изохорного процесса в p-v – координатах:

v = const,

в T-s  - координатах будет иметь вид

s = cv lnT + const.

До сих пор для построения диаграмм процессов использовались p-υ -координаты, которые называют рабочими, так как площадь под линией процесса в данной системе координат представляет собой работу газа в процессе.

Для анализа процессов взаимного превращения теплоты и работы в системах, состояние которых характеризуется двумя независимыми параметрами, особенно удобно пользоваться параметрами Т, s, рассматривая все остальные свойства как функции этих параметров.

В этой системе координат за ось ординат принимается абсолютная температура, а за ось абсцисс - ось удельной энтропии рабочего тела.

Для изобарного процесса соответственно

p = const,   s = cp lnT + const.

Для изотермического процесса

T = const,    pv = const,    s = R lnv + const.

Адиабатный процесс в p-v и T-s координатах описывается уравнениями:

pvk = const,    s = const,                                       

где   k = cp/cv  - показатель адиабаты.

Для воздуха газовая постоянная R = 287 Дж/(кг·К) теплоемкость при постоянном объеме равна cv = 717,5 Дж/(кг·К), а при постоянном давлении  
cp = 1004,5  Дж/(кг·К),  и  поэтому k = 1,4.

 В любом из процессов изменение внутренней энергии равно:

Δu = cv ΔT,

где  ΔT  - разность конечной и начальной температур газа.

Изменение энтальпии:

Δi = cp ΔT.

Работа единицы массы газа в каком-либо процессе равна

,

где a и b  - начальное и конечное состояния газа.

Согласно первому закону термодинамики эта работа может быть вычислена также как:

l = q – Δu = c ΔT - cv ΔT,

где  c  - теплоемкость газа в данном процессе.

1.3. Порядок проведения лабораторной работы

Для проведения занятия студенты под руководством студента инструктора на рабочем месте изучают цель данной работы, устройство лабораторной установки и порядок проведения эксперимента.

Далее под контролем преподавателя или сотрудника лаборатории группа последовательно проводит эксперимент на всех рабочих местах. После выполнения экспериментальной части оформляются отчеты и представляются для защиты преподавателю.

Рабочее место № 1

Исследование изобарного процесса

Цель работы: 1) ознакомиться с устройством экспериментальной установки по исследованию изобарного процесса;

         2)  выполнить экспериментальное исследование  особенностей организации и протекания изобарного   процесса, получить представление о методах и средствах измерения  термодинамических  параметров  газа  и  построить зависимости  p = f(υ), Т = f(s).

Задание:

1.  Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.
2.  Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента  на различных режимах ее работы, произвести замер термодинамических параметров.
3.  Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу.
4.  Графически изобразить исследуемый процесс.
5.  Сделать выводы по работе на первом рабочем месте.

Схема и описание устройства установки

Установка состоит из основания 1(рисунок 1.А), на котором закреплены внутренний и внешний неподвижные цилиндры 2, между которыми находится подвижный цилиндр 3. Между неподвижными цилиндрами и подвижным  залита жидкость 4, которая исполняет  роль  герметизатора,  не создавая при этом значительного сопротивления вертикальному  движению подвижного цилиндра 3.

Внутренняя полость между цилиндрами сообщается с атмосферой посредством крана перепуска 5 (рисунок 1.А, Б), а для слива герметизирующей жидкости  служит запорный кран 6.

А) Схема установки	Б) Внешний вид установки
Рисунок 1

Для подвода теплоты к воздуху,  находящемуся между подвижным и внутренним неподвижным цилиндрами используется  нагревательный элемент 7, электрический вентилятор 8 обеспечивает равномерный прогрев воздуха, интенсивно перемещая его. Измерение давления и температуры воздуха во внутренней полости осуществляется с помощью пьезоэлектрического датчика давления 9 и термопары 10 соответственно. Величина вертикального перемещения подвижного цилиндра 3 фиксируется ультразвуковым датчиком 11.

Аналоговые сигналы с датчиков 9,10,11 преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей 12 и считываются ЭВМ для вывода значений измеряемых параметров на дисплей оператору. 

Порядок выполнения работы

1.  Подготовить установку к работе:

- произвести внешний осмотр установки на предмет отсутствия повреждений;

- кран перепуска воздуха 5 (рисунок 1.А, Б)  закрыть;

- кран слива герметизирующей жидкости 6 - закрыт всегда (проверить).

1.   Запустить исполняемый файл SmartLabs.exe.
2.  В открывшемся окне выбрать рабочее место (строку) «Лабораторная работа № 1.1», указать на строку «студент №» и последовательно набрать фамилии студентов выполняющих работу в группе.
3.  Нажать клавишу «Начало работы».
4.   Селектор выбора рабочего места 1 (см. рисунок 3 «Пульт управления установкой») установить в положение "1"  «Лабораторная работа №1.1».
5.  После установки селектора нажать «ОК» в уточняющем окне.
6.   Зафиксировать  начальное значение температуры воздуха t0 в цилиндре.
7.  Выполнять подсказки в виде всплывающих окон на дисплее компьютера (варианты всплывающих окон):

- «Включить нагрев» - подать напряжение на  нагревательный элемент 7 (рисунок 1,А), установленный внутри  цилиндра, нажать на кнопку магнитного пускателя 2 «ВКЛ» (рисунок 2);

- «Выключить нагрев» - отключить нагреватель, нажать на кнопку магнитного пускателя 2 «ВЫКЛ» (рисунок 2);

Рисунок 2 – Пульт управления установкой

- после фиксированной временной паузы, задаваемой компьютером произвести замер параметров, обозначенным в окне порядком, с фиксацией значений в протоколе.

1.  Повторять выполнение пункта 8 до появления информации в окне об окончании эксперимента.
2.   После ознакомления с информацией окна, нажать «ОК», при этом окна «Печать протокола», «Выход» становятся активными.
3.   Распечатать протокол испытания и нажать окно «Выход».
4.  Привести установку  в исходное состояние, для чего: кран перепуска воздуха 5 (рисунок 1.А, Б)  открыть.

Обработка результатов эксперимента

1.  По замеренным значениям практической температуры определить термодинамическую температуру воздуха по формуле

T = t + 273 K.

1.  По замеренной величине избыточного давления определить абсолютное давление по формулам:

pабс = рн + ризб,

где рн  - атмосферное давление, Па (1мм рт.ст.=133,3Па).

1.  Определить объем воздуха, заполняющего цилиндр

V = Vo + ΔV = Vo + Fп  S,

где V    - конечный объем, м3;

 Vo    - начальный объем, м3;   (V0 = 2,9310-3 м3);

ΔV = Fп S -изменение объема при перемещении поршня,м3;

 Fп    - площадь подвижного цилиндра, м2 (Fп = 12,310-3 м2);

 S  - перемещение поршня, м.

1.  Определить массу воздуха по уравнению состояния для произвольной массы газа (используя параметры исходного состояния)

pнV0 = mRT0  m = 

где Т0 – температура воздуха в цилиндре в начале

эксперимента.

1.  Определить удельный объем по формуле

υ = V / m.

1.  Определить энтропию по формуле

s = cp ln (T/T0).

1.  Результаты измерений представить в виде таблицы 1:

Таблица 1

рн =  мм.рт.ст.  =    Па;     t0=  0C;   Т0=  К.

№ замера	t	T	S	pиз6	pабс	V	m	υ	s
	0C	К	мм	м	Па	Па	м3	кг	м3/кг	Дж/кг
1
2
3
4
5

Графическое изображение процесса

ВЫВОДЫ:
Рабочее место № 2

Исследование изохорного процесса

Цель работы: 1) ознакомиться с устройством экспериментальной установки по исследованию изохорного процесса;

         2)  выполнить экспериментальное исследование  особенностей организации и протекания изохорного   процесса, получить представление о методах и средствах измерения  термодинамических  параметров  газа  и  построить зависимости  p = f(υ), Т = f(s).

Задание:

1.  Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.
2.  Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента  на различных режимах ее работы, произвести замер термодинамических параметров.
3.  Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу.
4.  Графически изобразить исследуемый процесс.
5.  Сделать выводы по работе на втором рабочем месте.

Схема и описание устройства установки

Рисунок 3 – Схема установки

Установка состоит из основания 1 (рисунок 3), на котором закреплен  герметичный цилиндрический ресивер 2.  Для уравнивания давления воздуха в ресивере с атмосферным служит перепускной клапан 3. Подвод теплоты к воздуху в ресивере осуществляется посредством нагревателя 4, а электрический вентилятор 5 обеспечивает его равномерный прогрев, интенсивно перемещая его.

Измерение давления и температуры воздуха  в ресивере  осуществляется с помощью пьезоэлектрического датчика давления 6 и термопары 7 соответственно.

Аналоговые сигналы с датчиков 6,7 преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей 8 и считываются ЭВМ для вывода значений измеряемых параметров на дисплей оператору.

Порядок выполнения работы

1.  Подготовить установку к работе:

- произвести внешний осмотр установки на предмет отсутствия повреждений;

- уравнять давление внутри ресивера с атмосферным, для чего необходимо, сняв защитную крышку нажать на шток перепускного клапана 3.

1.  Запустить исполняемый файл SmartLabs.exe.
2.  В открывшемся окне выбрать рабочее место (строку) «Лабораторная работа № 1.2», указать на строку «студент №» и последовательно набрать фамилии студентов выполняющих работу в группе.
3.  Нажать клавишу «Начало работы».
4.   Селектор выбора рабочего места 1 (см. рисунок 2 «Пульт управления установкой») установить в положение "2"  «Лабораторная работа №1.2».
5.  После установки селектора нажать «ОК» в уточняющем окне.
6.   Зафиксировать  начальное значение температуры воздуха t0 в ресивере.
7.  Выполнять подсказки в виде всплывающих окон на дисплее компьютера (варианты всплывающих окон):

-«Включить нагрев» - подать напряжение на  нагревательный элемент 4, установленный внутри  ресивера, нажать на кнопку магнитного пускателя 3 «ВКЛ» (рисунок 2);

-«Выключить нагрев» - отключить нагреватель, нажать на кнопку магнитного пускателя 3 «ВЫКЛ» (рисунок 2);

- после фиксированной временной паузы задаваемой компьютером произвести замер параметров, обозначенным в окне порядком, с фиксацией значений в протоколе.

1.  Повторять выполнение пункта 8 до появления информации в окне об окончании эксперимента.
2.  После ознакомления с информацией окна, нажать «ОК», при этом окна «Печать протокола», «Выход» становятся активными.
3.   Распечатать протокол испытания и нажать окно «Выход».

Обработка результатов эксперимента

1.  По замеренным значениям температуры определить термодинамическую температуру воздуха по формуле

T = t + 273 K.

1.  По замеренной величине избыточного давления определить абсолютное давление по формулам:

   pабс = рн + ризб,

где рн  - атмосферное давление, Па (1мм рт.ст.=133,3Па).

1.  Определить массу воздуха по уравнению состояния для произвольной массы, используя параметры исходного состояния,

pнV0 = mRT0                     m = ,

где V0   - начальный объем газа,м3 (V0 = 7,86·10-3 м3)

Т0 – температура воздуха в ресивере  в начале

      эксперимента.

1.  Определить удельный объем воздуха по формуле

υ = V / m.

1.  Определить энтропию по формуле

s = cv ln (T/T0).

1.  Результаты измерений представить в виде таблицы 2:

Таблица 2

рн  =  мм.рт.ст.  =    Па;     t0 =  0C;   Т0 =  К.

№ замера	t	T	pизб	рабс	m	υ	s
	0C	К	Па	Па	кг	м3/кг	Дж/кг
1
…
5

Графическое изображение  процесса

 

ВЫВОДЫ:

Рабочее место № 3

Исследование политропного  процесса

Цель работы: 1) ознакомиться с устройством экспериментальной установки по исследованию политропного процесса;

         2)  выполнить экспериментальное исследование  особенностей организации и протекания политропного   процесса, получить представление о методах и средствах измерения  термодинамических  параметров  газа  и  построить зависимости  p = f(υ), Т = f(s).

Задание:

1.   Изучить устройство лабораторной установки и порядок выполнения работы.
2.  Включить установку и в соответствии с методикой проведения эксперимента  на различных режимах ее работы, произвести замер термодинамических параметров.
3.  Выполнить обработку результатов эксперимента и занести их в таблицу.
4.  Графически изобразить исследуемый процесс.
5.  Сделать выводы по работе на третьем рабочем месте.

Схема и описание устройства установки

Рисунок 4 – Схема установки

На силовом основании с помощью крепежных элементов 1 (рисунок 4) закреплены: пневмоцилиндр 2 с поршнем 3, который перемещается посредст-

вом  электромеханизма 4 с поступательным движением штока 5.

Величина осевого перемещения штока измеряется с помощью датчика линейных перемещений 6. Для уменьшения механических нагрузок на электромеханизм на нерабочем ходе поршня, а также по окончании процесса сжатия внутренняя полость цилиндра соединяется с атмосферой с помощью воздушного крана 7.

Измерение давления и температуры воздуха  в цилиндре, в процессе движения поршня,  осуществляется с помощью пьезоэлектрического датчика давления 8 и термопары 9 соответственно.

Аналоговые сигналы с датчиков 8,9 преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей 10 и считываются ЭВМ для вывода значений измеряемых параметров на дисплей оператору.

Порядок выполнения работы

1.  Подготовить установку к работе:

- произвести внешний осмотр установки на предмет отсутствия повреждений;

- шток электромеханизма 5  должен находиться в крайне левом положении (задвинут);

- воздушный кран 7(рисунок 4,5)  должен быть закрыт.

Рисунок 5 – Воздушный кран

1.  Запустить исполняемый файл SmartLabs.exe.
2.  В открывшемся окне выбрать рабочее место (строку) «Лабораторная работа № 1.3», указать на строку «студент №» и последовательно набрать фамилии студентов выполняющих работу в группе.
3.  Нажать клавишу «Начало работы».
4.   Селектор выбора рабочего места 1 (см. рисунок 3 «Пульт управления установкой») установить в положение "3"  «Лабораторная работа №1.3».
5.  После установки селектора нажать «ОК» в уточняющем окне.
6.   Зафиксировать  начальное значение температуры воздуха t0 в пневмоцилиндре.
7.  Выполнять подсказки в виде всплывающих окон на дисплее компьютера:

-«Нажать ОК и повернуть нажимной переключатель в положение сжать (крайнее правое)» - переключатель 4 рисунок 2.

Переключатель необходимо удерживать в крайне правом положении все время выдвижения штока до появления окна с информацией об окончании эксперимента. После этого переключатель необходимо отпустить.

Замер термодинамических параметров воздуха происходит автоматически по заданному значению выдвижения штока с фиксацией значений в протоколе.

1.  После останова электромеханизма установить  воздушный кран 6 в положение «открыто».
2.  После ознакомления с информацией окна, нажать «ОК», при этом окна «Печать протокола», «Выход» становятся активными.
3.  Распечатать протокол испытания и нажать окно «Выход».
4.  Установку привести в исходное состояние: нажимной переключатель 4 перевести в крайнее левое положение и удерживать до полной уборки штока 5 рисунок 4 и автоматического выключения электромеханизма.

Порядок обработки результатов

1.  По замеренным значениям температуры определить термодинамическую температуру воздуха по формуле

T = t + 273 K.

1.  По замеренной величине избыточного давления определить абсолютное давление по формулам:

 pабс = рн + ризб,

где рн  - атмосферное давление, Па; (1мм рт.ст.=133,3Па).

1.  Определить объем воздуха в начальном и промежуточных положениях поршня, включая крайне правое (конечное):

V = V0 – Fп  S, 

где V  - объем воздуха при текущем положении поршня, м3;

 V0 = 0,78·10-3 м3   - начальный объем рабочей камеры;   

   Fп = 3,11  10-3 м2 - площадь поршня;

   S - ход поршня, м.

1.  Определить удельный объем воздуха:

υ = V / m,

где m =  - масса воздуха под поршнем, кг.

1.  Определить показатель политропы процесса: 

n = - ln (p/p0) / ln (υ/υ 0),

где p0 = pн.

1.  Определить энтропию по формуле:

s =  cv ln (T/T0) + R ln (υ/υ 0).

1.  Результаты вычислений свести в таблицу 3:

Таблица 3

рн =  мм.рт.ст.  =    Па;     t0=  0C;   Т0=  К.

№ замера	t	T	pизб	pабс	S	V	υ	n	s
	oC	К	Па	Па	м	м3	м3/кг		Дж/кг
1
2
…
12

Графическое изображение процесса

 

ВЫВОДЫ:

1.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Чем отличается идеальный газ от реального? Что называется рабочим телом?
2.  Основные термодинамические параметры состояния рабочего тела: определение, математическое выражение, единицы измерения, физический смысл.
3.  Уравнение состояния для 1 кг и произвольной массы идеального газа.
4.  Основные термодинамические процессы: определение, уравнение, графическое изображение p = f(υ), Т = f(s) - координатах и их анализ.
5.  Определение показателя политропы.
6.  Энтропия: определение, математическое выражение, единицы измерения, физический смысл.
7.  Схема  устройства и принцип работы лабораторной установки (на каждом рабочем месте).
8.  Используемые в установках способы измерения температуры и давления рабочего тела.
9.  Порядок проведения эксперимента (на каждом рабочем месте).

р

1

2

υ

T

s

s

2

1

T

s

s

2

1

1

2

р

υ

υ

s

s

T

2

1

1

2

р

1.  

1. Умеренный рост экономики Запада СТАНИСЛАВ МЕНЬШИКОВдоктор экономических наукпрофессор Эразмского
2. Великий перелом и его изображение в романе М
3. ~лкен ж~не Кіші Магеллан б~лттары бар
4. Французский театр
5. задание на производство работы
6. Модульний контроль з навчальної дисципліни Структуровані кабельні системиrdquo; Модуль 1
7. Тема- ЗАЧЕМ НУЖНЫ ДОРОЖНЫЕ ЗНАКИ старшая группа Воспитатель МДОБУ детский сад ’ 15 гор.html
8. разгрузочных машин Погрузочноразгрузочные машины ПРМ предназначены для погрузки грузов в транспор
9. по теме- Путешествие в страну Лапландию Область- Коммуникация Автор- воспитатель ГБДОУ
10. Реферат- Проектирование производственных и вспомогательных зданий текстильной и легкой промышленности
11. Безопасность продовольственных товаров и сырья
12. Бунт предмето
13. Курсовая работа- Технология монтажа подвесных толкающих конвейеров
14. Задание для выполнения контрольной работы
15. Андреева Н. Г. Вартанян И.html
16. Назначение наказания как меры уголовно-правового воздействия
17. Что Где Когда Цель- Проверка знаний умений и навыков по основам курса информатики начальной школы
18. а. Высказывания верификативные высказывания интерпретирующего характера.html
19. Тема 9- Социальная политика государства
20. Тема уроку- Теореми про похідну суми добутку і частки функцій

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе