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 с_р и называется изобарной, а в процессе при постоянном объеме с_v – изохорной.

Согласно уравнения Майера: с_р – с_v = 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 U_н на нагревателе и падения напряжения U_о на образцовом сопротивлении R_о.

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 R_o = 0,1 Ом. Протекая через трубку (14), воздух нагревается. Нагреватель питается от плоемкостью тока (ИП). Напряжение на нагревателе U_н и напряжение на образцовом сопротивлении U_о 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 U_н = 3 В.

3. Включить мультиметр и измерить точное значение U_н и U_о, 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: U_н = 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;

U_н – напряжение на нагревателе, В;

U_о – напряжение на образцовом сопротивлении, мВ.

 

Расчётные величины:

 

Массовый расход воздуха:

G= V ρ_в

где r_в – плотность воздуха на входе в компрессор при нормальных условиях
r_в = 1,29 кг/м³.

Ток в нагревателе

I = U_о/ R_о

величина образцового сопротивления: R₀ = 0,1 Ом;

Тепло, выделяемое нагревателем и передаваемое воздуху;

Q = U_н 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 с_рm на основании опытных данных;

4) определение через с_рm теплоемкостей с’_pm, mс_pm, с_vm, с’_vm, mс_vm 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