Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Теоретична частина. Визначення середньої ізобарної теплоємності технічних рідин
|
|
Лабораторна робота № 1
Тема роботи
Визначення середньої ізобарної теплоємності технічних рідин.,
Навчальна мета роботи
• Поглибити розуміння поняття «теплоємність».
• Ознайомитись з теорією і практикою калориметричного метода визначення теплоємності рідин.
• Розвити навички проведення самостійних досліджень.
• Практично визначити середню ізобарну теплоємність технічної рідини.
• Поглибити навички аналізу експериментальних результатів.
Теоретична частина
Процеси нагрівання або охолодження тіл пов’язані з передачею до них певної кількості тепла. Тепло, що передається тілу при його нагріванні вважається позитивним і позначається Q, тепло, що віддає тіло в довкілля при охолодженні вважається негативним і позначається - Q
|
|
Q - Q
Кількість теплоти яку необхідно передати до тіла при його нагріванні на один градус (або яка передається тілом в довкілля при його охолодженні на один градус) називають теплоємністю тіла. Теплоємність тіла позначається символом С (Дж/°С]. Для підвищення температури тіла на dT градусів необхідно затратити кількість теплоти dQ. Величина, що описується співвідношенням
і визначає теплоємність тіла. Теплоємність тіла є екстенсивною величиною тому що вона пропорційна масі тіла. Теплоємність тіла є адитивною величиною тому що загальна теплоємність тіла дорівнює сумі теплоємностей складових речовин.
У випадку, коли нагрівання речовин проводять при постійному об'ємі системи (V=const), тепло, яке надається системі - йде на збільшення внутрішньої енергії U складових речовин. Такий процес нагрівання характеризується ізохорною теплоємністю:
У випадку, коли нагрівання речовин проводять при постійному тиску в системі (Р=соnst), тепло яке надається системі йде на збільшення ентальпії Н складових речовин. Такий процес нагрівання характеризується ізобарною теплоємністю Ср.
В загальному випадку для кожної речовини завжди виконується співвідношення:
Cp> Cv
тому, що при постійному тиску частина підведеного тепла витрачається на роботу теплового розширення системи.
Теплоємність, віднесену до одиниці маси речовини називають питомою теплоємністю речовини. Тобто, питома теплоємність речовини визначає кількість теплоти, яку необхідно передати до одного кілограму речовини для її нагрівання на один градус (або яка передається речовиною в довкілля при її охолодженні на один градус).
Питома теплоємність речовини позначається символом С [Дж/(кг°С)]. Вона залежить від природи речовин, їх агрегатного стану та температури. Питома теплоємність речовини, виміряна в певному температурному інтервалі, називається середньою питомою теплоємністю речовини в цьому температурному інтервалі. Середні питомі теплоємності деяких технічних речовин і матеріалів при температурі t = 20°С наведені в таблиці 1.1.
| Речовина (матеріал) | Сp [Дж/(кг°С)] | Речовина (матеріал) | Сp [Дж/(кг°С)] |
| Алюміній Мідь | Повітря | ||
| Мідь | Вода | ||
| Сталь | Бензин Б-70 | ||
| Скло | Гліцерін | ||
| Резина | Керосин Т-1 | ||
| Гіпс | Мазут | ||
| Червона цегла | Масло ВМ-4 | ||
| Важкий бетон | Масло МС-20 | ||
| Граніт | Масло трансформаторне |
Таблиця 1.1. Середні питомі теплоємності деяких речовин, матеріалів і технічних рідин.
Теплоємність є важливою теплофізичною характеристикою речовин і матеріалів. Вона визначає кінцеві температури матеріалів при їх нагріванні, а також характеризує швидкість прогрівання будівельних конструкцій за умов пожежі.
4. Метод вимірювання
Існує чимало методів визначення теплоємності речовин і матеріалів. Серед них найбільш точними є методикалориметрії.
Калориметрія - розділ експериментальної теплофізики, до якої належать методи визначення теплових ефектів різноманітних процесів, зокрема теплоємності речовин, теплових ефектів фазових переходів (плавлення, кристалізації, випаровування, сублімації тощо), теплових ефектів хімічних перетворень. Калориметрія ґрунтується на законі збереження енергії. Калориметричні дослідження проводять в калориметрі.
Калориметр - пристрій, який дозволяє вимірювати теплові ефекти. В більшості випадків калориметричні вимірювання теплоємності грунтуються на вимірюванні початкової і кінцевої температури речовини що досліджується при дозуванні в неї певної кількості теплоти. Існує чимало конструкцій калориметрів для вимірювання теплоємності речовин і матеріалів. Вони залежать від природи речовини, області зміни температур, методу і точності вимірювань, тощо. В даній роботі використовується калориметричний метод дозування теплоти і калориметр змінної температури. Конструкція калориметра показана на рисунку 1.1
Рисунок 1.1. Схема калориметру змінної температури: 1 - корпус, 2 – рідина що досліджується, 3 - електричний нагрівач з токопідводами, 4 - термодатчик, 5 - електромеханічний перемішувач, 6 - кришка, 7 - пристрій для вимірювання температури, 8 - джерело живлення електричного нагрівача.
Вимірювання теплоємності калориметричним методом дозування теплоти проводять в такій послідовності. В калориметр вносять задану кількість рідини що досліджується. Поступово теплообмін між рідиною і елементами конструкції калориметра приводить до встановлення теплової рівноваги (температури вирівнюються). Після цього протягом певного часу вимірюють температуру рідини в калориметрі. Внаслідок теплообміну калориметра з довкіллям температура рідини повільно змінюється - цетак званий початковий дрейф температури. З початку дозування теплоти в калориметр за допомогою електричного нагрівача температура рідини швидко зростає. Після зростання температури на 20...25°С від початкової дозування тепла закінчують. Внаслідоктеплообміну калориметра з довкіллям температура рідини починає зменшуватися - це так званий кінцевий дрейф температури. Графічне зображення температурних процесів, які відбуваються в калориметрі, наведено на рисунку 1.2.
Рис. 1.2. Крива «Температура - час» в калориметричному дослідженні:
t1 - t2 початковий дрейф температури, t2 – t3 - дозування теплоти, t3 – t4 кінцевий дрейф температури.
Сутність вимірювань полягає в тому, що одночасно фіксують зростання температури і кількість підведеного тепла. Підведене до калориметра нагрівачем тепло Qовитрачається на нагрівання рідини що досліджується Qр нагрівання конструктивних елементів калориметра Qk, а також частково розсіюється в довкіллі Qj. Теплоємність рідини обчислюють з рівняння теплового балансу:
Qо= Qр + Qk + Qj, або (1.1)
P∆ 
= mpcp ∆ t + Ck∆ t + Qj, або (1.2)
с р = (Р ∆ t - Qj - Ck∆ t)/ mp∆ t (1.3)
де Ср - середня питома ізобарна теплоємність рідини: Р - потужність нагрівача ∆ - час нагрівання: Ck - теплоємність калориметра: mp - маса рідини: ∆ t - зміна температури калориметра з рідиною.
Урахування тепла Qj, яке частково розсіюється внаслідок теплообміну з довкіллям виконують графічним способом (див. рис. 1.2). Сутність способу полягає у тому, що лінії початкового та кінцевого дрейфу температури екстраполюють до перетину з лінією, яка перпендикулярна вісі часу і перетинає криву «Температура - час» у точці tсер=(t2+t3) / 2. Різниця екстрапольованих значень температур початку і кінця нагрівання ∆ t = t 
- t 
враховує теплообмін калориметра з довкіллям. Тоді рівняння (1.3) перетворюється на:
с р = (Р ∆ - Ck∆ t)/ mp∆ t (1.4)