Исследование термодинамического процесса

Тема: «Термодинамические свойства рабочих тел».

Цель работы:

- ознакомиться с экспериментальным методом исследования процессов расширения газов;

- закрепить знания по термодинамическому анализу изопараметрических процессов.

Содержание работы:

Объектом исследования является сжатый воздух в цилиндре переменного объема, предметом – характер изменения параметров воздуха при его расширении.

В процессе выполнения работы необходимо:

- познакомиться с принципом действия и устройством лабораторной установки;

- осуществить в сосуде процесс расширения воздуха с регистрацией его термодинамических параметров минимум в трех состояниях;

- провести термодинамический анализ этого процесса и сделать выводы.

Устройство и принцип работы лабораторной установки

Рис. 2.2

Лабораторная установка (рис.2.2) состоит из толстостенного металлического баллона 1, являющегося объектом исследования; гидростатического уровнемера 2; гидроаккумулятора 3 с мембраной 5; газового редуктора 4; кюветы с тающим льдом 6; милливольтметра 7; трехспайной термопары 8; манометров М1, М2 и М3; вентилей В1, В2, В3, В4, В5 и В6.

Гидроаккумулятор – это герметичная металлическая емкость с размещенным внутри резиновым мешком (мембраной). Резиновый мешок предварительно заполняется водой. В полость над мембраной из ресивера через редуктор 4 и вентиль В1 подается сжатый воздух. Вода под действием разности давления при открытом вентиле В3 может перетекать из гидроаккумулятора в цилиндр, либо в обратном направлении.

Баллон 1 через вентиль В3 заполняется водой из гидроаккумулятора 3. При увеличении количества воды объем воздуха в баллоне уменьшается, что приводит к увеличению давления, которое измеряется манометром М1. Объем воды определяется по помощи тарировочного графика по показаниям гидростатического уровнемера 2.

Исходное состояние установки: все вентили закрыты; редуктор 4 разгружен; термопара 8 подсоединена к милливольтметру 7, а спаи сравнения помещены в кювету 6; стрелки всех манометров показывают избыточное давление, равное нулю; уровень воды в трубке уровнемера находится в нижнем положении.

 

Экспериментальная часть работы

К проведению эксперимента допускаются студенты, прошедшие инструктаж по мерам безопасности при работе со сжатыми газами. Все операции выполняются согласно документации на установку и под руководством преподавателя.

Последовательность проведения эксперимента

a). Исследование процесса сжатия

- подать из ресивера компрессора сжатый воздух к редуктору;

- путем настройки редуктор 4 создать давление 9·10⁵ Па, контролируя его по манометру М 3;

- открыть вентиль В1 и создать давление в гидроаккумуляторе, показания манометров М2 и М3 должны быть практически одинаковыми;

- плавно открывая вентиль В3, провести четыре замера термодинамических параметров в объекте исследования (последовательно при 2-х, 4-х, 6-ти и 8-ми барах по манометру М1);

- в каждом опыте записать показания манометра М, милливольтметра 7 и гидростатического уровнемера 2.

б) Исследование процесса расширения

- закрыть вентиль В1 и открыть вентиль В2;

- плавно открывая вентиль В3, провести четыре замера термодинамических параметров в объекте исследования (последовательно при 8-ми, 6-ти, 4-х и 2х барах по манометру М1);

- записать показания давления, температуры и уровня жидкости в каждом опыте;

- закрыть вентили В3 и В2;

Опытные данные занести в таблицу отчета.

Исходные данные

Измерить и записать барометрическое давление и температуру в лаборатории. Рабочим телом в эксперименте является воздух. Объем сосуда V = 2,7 л.

Т а б л и ц а № 2.1

Изменение параметров воздуха в процессе расширения

 

Параметры, величины	Номера опытов
1-ый	2-ой	3-ий	4-ый
р изб ., Па
рабс ., Па
e, делений мили- вольтметра
t,0С
Т, К
d, делений уровнемера
V воды, л.
V воздуха, л.
v, м3/кг

Расчетная часть работы

1. Определить абсолютные значения давления и температуры в экспериментальных точках.

2.Вычислить массу воздуха в сосуде:

m = p₁V₁ /RT₁.

3. Провести термодинамический анализ экспериментального процесса расширения (или сжатия) воздуха в цилиндре, а именно:

- вычислить показатель процесса расширения:

 

n = ln ∕ ln ;

- определить значение теплоемкости процесса:

c_n = с_v .

- построить процесс^* в pv и Ts координатах и изобразить пунктиром адиабату, выходящую из начальной точки;

- записать соотношения между параметрами для двух произвольных

точек процесса;

- вычислить количество теплоты, подведенной к воздуху при расширении:

Q = m с_n (T₄ – T₁);

- определить изменения внутренней энергии:

U = m с_v (T₄ – T₁);

- определить изменение энтальпии:

I = m с_p (T₄ – T₁);

- вычислить работу расширения и работу техническую:

L_рас.= m (T₁ – T₄) и L_тех.= n L_рас.;

- найти соотношение .

-----------------------------------------------

^* В pv координатах кривая процесса строится по четырем экспериментальным точкам. При построении кривой в координатах Ts использовать выражение:

s_i = s₁ + с_n ln _,

где задать значение s₁ = 100 Дж/(кг ·К).

 

Содержание отчета

Отчет по работе оформляется согласно требованиям п. 2.1.2 настоящего пособия.

Кроме оформленного заголовка отчет должен содержать:

1. Схему и состав лабораторной установки.

2. Исходные данные.

3. Результаты измерений и вычисления для четырех опытов.

4. Таблицу расчетных данных для всех опытов.

5. График исследуемого процесса в pv и Ts координатах, кроме того, для анализа процесса и выводов по работе из точки 1 провести линии адиабатного и изотермического процессов расширения.

6. Выводы. В выводах указать на факторы, повлиявшие на расположение экспериментальной кривой.

По теме лабораторной работы необходимо знать:

1. Определение политропного процесса.

2. Вывод уравнения политропного процесса.

3. Вывод выражения работы расширения политропного процесса.

4. Вывод выражения технической работы.

5. Термодинамический анализ изобарного процесса.

6. Термодинамический анализ изохорного процесса.

7. Термодинамический анализ изотермического процесса.

8. Термодинамический анализ адиабатного процесса.

9. Характерные группы политропных процессов.

 

Лабораторная работа № 3