Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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.
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:
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
- 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).
- «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.
Обработка результатов эксперимента
T = t + 273 K.
pабс = рн + ризб,
где рн - атмосферное давление, Па (1мм рт.ст.=133,3Па).
V = Vo + ΔV = Vo + Fп S,
где V - конечный объем, м3;
Vo - начальный объем, м3; (V0 = 2,9310-3 м3);
ΔV = Fп S -изменение объема при перемещении поршня,м3;
Fп - площадь подвижного цилиндра, м2 (Fп = 12,310-3 м2);
S - перемещение поршня, м.
pнV0 = mRT0 m =
где Т0 – температура воздуха в цилиндре в начале
эксперимента.
υ = V / m.
s = cp ln (T/T0).
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:
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
- 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.
-«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.
Обработка результатов эксперимента
T = t + 273 K.
pабс = рн + ризб,
где рн - атмосферное давление, Па (1мм рт.ст.=133,3Па).
pнV0 = mRT0 m = ,
где V0 - начальный объем газа,м3 (V0 = 7,86·10-3 м3)
Т0 – температура воздуха в ресивере в начале
эксперимента.
υ = V / m.
s = cv ln (T/T0).
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:
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
- 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 |
-«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.
Порядок обработки результатов
T = t + 273 K.
pабс = рн + ризб,
где рн - атмосферное давление, Па; (1мм рт.ст.=133,3Па).
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.
υ = V / m,
где m = - масса воздуха под поршнем, кг.
n = - ln (p/p0) / ln (υ/υ 0),
где p0 = pн.
s = cv ln (T/T0) + R ln (υ/υ 0).
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
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