Кафедра общей и технической физики

Кафедра общей и технической физики

 

Физика

Цикл тепловой машины

Методические указания к лабораторной работе

для студентов всех специальностей и направлений подготовки бакалавриата

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2015

УДК 531/534 (075.83)

 

 

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА: Методические указания к лабораторным работам / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» Кожокарь М. Ю., Водкайло Е. Г. С-Пб, 2015, 22 с.

 

 

Лабораторные работы по курсу физики предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки бакалавриата Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

С помощью методических указаний к лабораторным работам студент имеет возможность, в предварительном плане, ознакомиться с физическими явлениями, методикой выполнения лабораторного исследования и правилами оформления лабораторных работ.

Выполнение лабораторных работ проводится студентом индивидуально по графику.

 

 

Табл. 6. Ил. 4. Библиогр.: 5 назв.

 

Научный редактор доц. Н. Н. Смирнова

 

 

 

Ó Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015

ВВЕДЕНИЕ

Цель проведения лабораторных работ, как и проведения дисциплины в целом – обеспечить приобретение знаний и умений по физике в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС) по различным направлениям подготовки специалистов и бакалавров.

В соответствии с требованиями ФГОС к результатам освоения дисциплины лабораторный практикум направлен на формирование компетенций заключающихся в способностях:

- организовать свою работу для достижения поставленных целей;

- применять на практике приобретенные навыки при поведении и описании исследований, в том числе экспериментальных;

- работать самостоятельно;

- использовать инновационные идеи;

- принимать участие в научно-исследовательских разработках по профилю подготовки.

Виртуальный лабораторный практикум по физике в рамках дополнения натурного эксперимента, при обеспечении требуемой точности, делает виртуальный эксперимент существенным элементом повышения качества обучения и усиления его мотивации. Кроме того, физические задачи, выраженные не только в текстовом виде, но и представленные в модельно объёмном лабораторном варианте, позволяют обучать принятию технических решений различных уровней. Это является весьма важным элементом инженерного образования.

В виртуальной лабораторной работе реальную установку имитирует системный блок компьютера. Пультом управления является клавиатура. Монитор совмещает функцию цифрового индикатора измерительных приборов и экрана для наблюдения за работой установки и изучаемыми процессами. Элементы виртуальной установки реагируют на действия пользователя, которые регламентируются методическими указаниями.

Для экспериментального изучения принципа работы тепловой машины и определения циклов её работы предлагается виртуальная лабораторная работа. Программное обеспечение работы позволяет исследовать тепловую машину и производить измерения в прямом и обратном цикле. Студенты при выполнении базовых заданий на основе экспериментальных данных определяют такие параметры как объем V, давление p, температуру Т и производят оценку работы A графически, построив график зависимости p = f (V) по результатам измерения параметров состояния газа в процессе сжатия.

Методика проведения измерений, обработки экспериментальных данных, оценки погрешностей прямых и косвенных измерений, а также процедура подготовки студентов к выполнению работы и защиты отчетов производится в таком же порядке, как и при выполнении работ реального физического практикума в соответствии с требованиями кафедры общей и технической физики.

 

ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ

Экспериментальная установка

Схема установки изображена на рисунке ниже:

Рис. 4. Общий вид виртуальной экспериментальной установки

Назначение и характеристика основных элементов установки:

а) Термостатированный резервуар (1), с заключенным в нем цилиндром (2) с поршнем (3). Посредством штока (4) и реверсивного шагового привода (5) поршень может перемещаться в цилиндре. Управляется шаговый привод пультом (15), отображающим текущий объем под поршнем.

Параметры:

- объем под поршнем (геометрический): V _min =0,5л, V _max =5л;

- теплоемкость резервуара: = 400 Дж/°С.

б) Термостаты. Термостатирование объема осуществляется прокачиваемой водой, температура которой поддерживается термостатами (8) и (9), настроенными на поддержание низкой и высокой температуры. Выбор термостата, вода из которого в данный момент подается в объем (1), осуществляется краном (10). Каждый термостат имеет собственный пульт управления: (16) и (17). Термостаты расположены ниже уровня цилиндра и при отключении циркуляционного насоса вода из рубашки цилиндра стекает в соответствующий термостат. Термостат может находится в трех состояниях:

1) "ВЫКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [выключено], если в этом состоянии термостат подключен к системе краном (12), то в него стекает вода из рубашки цилиндра;

2) "ВКЛ" - переключатели [нагрев] и [цирк.] в положении [включено], при этом на выходе термостата температура равна заданной регулятором [Уст. Т] независимо от величины температуры на входе;

3) "ЦИРК." - переключатель [нагрев] в положении [выключено], переключатель [цирк.] в положении [включено], при этом температура на выходе термостата равна температуре на входе. Допускается любое состояние термостата при любом положении крана (10).

 

Параметры:

- диапазон задаваемых температур: t _min = 10 °C, t _max = 98 °C;

- объем циркулирующей воды: 1 л.

 

в) Система заполнения цилиндра. Для заполнения или вентиляции объема цилиндра служит кран (11) - соединяет внутренний объем цилиндра с атмосферой.

г) Контроль давления. Для контроля давления служит мановакуумметр (12). Прибор постоянно подключен к внутреннему объему цилиндра. Показания прибора - относительно атмосферного давления.

Параметры:

- шкала мановакуумметра: - 0,1 ¸ 0 ¸ 1,2 МПа.

д) Измерение температуры внутри цилиндра осуществляется термопарой (6), индикация температуры - цифровой термометр (13). Для измерения температуры воды используется термопара (7), индикация температуры - цифровой термометр (14).

Параметры:

- шкала термометра: 0 ¸ 200 °С;

ЗАДАНИЕ

1. Запустите лабораторную работу. Отметьте в лабораторном журнале указанный преподавателем цикл тепловой машины и температуру источника (приемника) тепла.

2. При открытом кране 11 переведите поршень в верхнее положение, закройте кран 11.

3. Считаем левый термостат источником тепла (приемником). Установите на левом термостате заданную начальную температуру (можно оставить 20°С), переведите термостат в режим НАГРЕВ (режим НАГРЕВ на левом термостате будет включен постоянно).

4. Если исследуется прямой цикл тепловой машины, то подключите к цилиндру краном 10 правый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при верхнем положении поршня. Опускайте поршень вниз, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите к цилиндру краном 10 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Поднимите поршень в крайнее верхнее положение, дождитесь установления температуру в цилиндре, выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

5. Если исследуется обращенный цикл, то подключите к цилиндру краном 10 левый термостат, переведите его в состояние ЦИРК. Опустите поршень вниз до отметки 0,5 л. Дождитесь установления температуры. Выключите режим ЦИРК левого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. Подключите краном 10 к цилиндру правый термостат, включите режим ЦИРК. Запишите параметры состояния (p, V, T) газа при нижнем положении поршня. Поднимайте поршень вверх, записывая значения параметров (p, V, T) через каждые 0,5 л, дожидаясь установления температуры в цилиндре. Далее, выключите режим ЦИРК правого термостата, дождитесь стекания воды из рубашки термостата. На этом один цикл работы тепловой машины завершен.

6. Используя данные о теплоемкости системы и результаты измерения температуры при рабочем движении поршня, оцените совершенную работу A. Постройте график рабочего процесса и по нему определите совершенную работу A _o. Сравните полученные результаты.

7. Повторите действия п.4 (или п.5) 10÷15 (n) раз. Оцените затраченную работу по общему изменению температуры и сравните ее значение с величиной n×A _o.

Объясните полученное расхождение.

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Выполнение лабораторных работ проводится в аудиториях и учебных лабораториях кафедры ОТФ (по 2 учебных часа на 1 работу) в соответствии с графиком работ по учебным лабораториям механики, электромагнетизма, оптики, физики твердого тела и виртуальных экспериментов. В случае пропуска прошлого занятия по уважительной причине на очередном занятии делается следующая по графику работа.

2. Студенты допускаются к занятиям в лаборатории при подготовке на аудиторном занятии теоретической базы новой работы, наличии заготовки к ней и защиты предыдущей работы.

3. Полученные в результате работы данные заносятся в таблицу и после ее завершения подписываются преподавателем или инженером - лаборантом.

 

Требования к содержанию отчета

По лабораторной работе

Отчет оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями, предъявляемыми кафедрой ОТФ, в котором помимо стандартного титульного листа должны быть раскрыты следующие пункты:

I. Цель работы.

II. Краткое теоретическое содержание:

1. явления, изучаемые в работе;

2. определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин;

3. законы и соотношения (использованные при выводе расчетной формулы);

4. пояснения к физическим величинам, входящим в формулы, и единицы их измерений.

III. Схема установки.

IV. Основные расчетные формулы.

V. Формулы погрешности косвенных измерений.

 

VI. Таблицы с результатами измерений и вычислений. Таблицы должны иметь номер и название. Единицы измерения физических величин должны быть указаны в отдельной строке.

VII. Пример вычислений (для одного опыта):

1. исходные данные;

2. погрешности прямых измерений;

3. вычисления: [ величина = формула = подстановка чисел = результат вычисления, единицы измерений ].

4. вычисление погрешностей косвенных измерений.

VIII. Графический материал:

1. аналитическое выражение функциональной зависимости, которую необходимо построить;

2. на осях координат указать масштаб, наименование физической величины и единицы измерения;

3. на координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки;

4. по результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию – аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов.

IX. Окончательны результат с указанием погрешности косвенных измерений.

X. Анализ полученного результата. Выводы.

 

5. Рекомендации по защите отчета

К защите допускаются студенты, подготовившие отчет в соответствии с требованиями к его содержанию в установленные сроки. После проверки преподавателем содержания отчета, при наличии ошибок и недочетов, работа возвращается студенту на доработку.

При правильном выполнении лабораторной работы, соблюдении всех требований к содержанию и оформлению отчета, студент допускается к защите.

Для успешной защиты отчета необходимо изучить теоретический материал по теме работы, а также освоить математический аппарат, необходимый для вывода расчетных формул работы.

При подготовке к защите, помимо данного методического указания, необходимо использовать учебники и другие учебные пособия, рекомендованные к учебному процессу кафедрой ОТФ и Министерства образования и науки.

Во время защиты студент должен умет ответить на вопросы преподавателя в полном объеме теоретического и методического содержания данной лабораторной работы, уметь самостоятельно вывести необходимые расчетные формулы, выполнить анализ полученных зависимостей и прокомментировать полученные результаты.

 

6. Вопросы для подготовки

 

1. Опишите установку и порядок выполнения работы.

2. Дайте понятие идеального газа.

3. Поясните, почему изучая поведение реальных газов, мы часто

пользуемся моделью идеального газа?

4. Запишите основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа и поясните его.

5. Дайте понятие моля вещества, как рассчитывается количество

молей идеального газа, число молекул газа?

6. Сформулируйте законы идеального газа. Приведите графики

изотерм, изобар, изохор.

7. Поясните физический смысл Цикла Карно.

8. Что называется термодинамическим процессом?

 

7. Рекомендательный библиографический список

 

Основная литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2010, 718 с.

2. Иродов И.Е,. Электромагнетизм. М.: Бином, 2008, 320 с.

3. Калашников Н.П,. Основы физики. М.: Дрофа, 2009. Т. 1, 445 с.

4. Савельев И.В., Курс физики. М.: Наука, 2005. Т. 2., 336 с.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998, 944 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Таблица 3 – Множители и приставки для

образования десятичных и кратных единиц

Множитель	Приставка	Множитель	Приставка
Наименование	Обозначе ние	Наименование	Обозначе ние
103	кило	к	10-3	милли	м
106	мега	М	10-6	микро	мк
109	гига	Г	10-9	нано	н
1012	тера	Т	10-12	пико	п

 

Таблица 4 – Основные физические постоянные

Физическая величина	Численное значение
Атомная единица массы (унифицированная)	1 а.е.м. = 1,660531(11)·10−27 кг = = 931,481(52) МэВ
Число Авогадро	6,022169(40)·1023 моль−1
Давление атмосферное нормальное	1,01325·105 Па
Молярная газовая постоянная	8,3144(26) Дж/К·моль
Объем идеального газа при нормальных условиях	22,4136·10−3 м³/моль
Постоянная Больцмана	1,380622(59)·10−23 Дж/К

 

Таблица 5 – Пересчет температуры между основными шкалами

Шкала условное обозначение	Из цельсия (°С)	В Цельсий (°С)
Фаренгейт (°F)	[°F] = [°C] × 9⁄5 + 32	[°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9
Кельвин (K)	[K] = [°C] + 273.15	[°C] = [K] − 273.15
Ренкин (°R)	[°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5	[°C] = ([°R] − 491.67) × 5⁄9

 

Таблица 6 – Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ранкин
Абсолютный нуль		−273,15	−459,67
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)	255,37	−17,78		459,67
Температура замерзания воды (Нормальные условия)	273,15			491,67
Средняя температура человеческого тела	309,75	36,6	98,2	557,9
Температура кипения воды (Нормальные условия)	373,15			671,67
Солнце

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………..
1. ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ……………………………………….
1.1 Цикл Карно. КПД тепловых двигателей……………….
1.2 Работа совершаемая тепловой машиной………………
2. Лабораторная работа. Цикл тепловой машины…………………………………………………...........
3. ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ...............................................................................................
4. Требования к содержанию отчета по лабораторной работе..........................................................
5. Рекомендации по защите отчета.............................
6. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ………………………….…..
7. библиографический список …………………………
8. Приложение............................................................................

 

 

 

Кафедра общей и технической физики

 

Физика

Цикл тепловой машины