Ami szükséges a munkaközeg, ebben az esetben a levegő hőmérsékletének egy fokkal történő megváltoztatásához. A levegő hőkapacitása közvetlenül függ a hőmérséklettől és a nyomástól. Ugyanakkor különböző módszerekkel lehet vizsgálni a különböző típusú hőkapacitásokat.

Matematikailag a levegő hőkapacitását a hőmennyiség és a hőmérséklet-növekmény arányában fejezzük ki. Az 1 kg tömegű test hőkapacitását általában fajhőnek nevezik. A levegő moláris hőkapacitása egy mól anyag hőkapacitása. A hőkapacitás J/K jelölésű. Moláris hőkapacitás, illetve J/(mol*K).

A hőkapacitás akkor tekinthető az anyag, jelen esetben a levegő fizikai jellemzőjének, ha a mérést állandó körülmények között végezzük. Leggyakrabban az ilyen méréseket állandó nyomáson végzik. Így határozzuk meg a levegő izobár hőkapacitását. A hőmérséklet és a nyomás növekedésével növekszik, és ezen mennyiségek lineáris függvénye is. Ebben az esetben a hőmérséklet változás állandó nyomáson történik. Az izobár hőkapacitás kiszámításához meg kell határozni a pszeudocritikus hőmérsékletet és nyomást. Ezt referenciaadatok alapján határozzák meg.

A levegő hőkapacitása. Sajátosságok

A levegő gázelegy. A termodinamikában a következő feltevéseket vesszük figyelembe. A keverékben lévő minden gázt egyenletesen kell elosztani a térfogatban. Így a gáz térfogata megegyezik a teljes keverék térfogatával. A keverékben minden gáznak megvan a maga parciális nyomása, amelyet az edény falára fejt ki. A gázkeverék minden komponensének hőmérséklete megegyezik a teljes keverék hőmérsékletével. Ebben az esetben az összes komponens parciális nyomásának összege megegyezik a keverék nyomásával. A levegő hőkapacitásának kiszámítása a gázkeverék összetételére és az egyes komponensek hőkapacitására vonatkozó adatok alapján történik.

A hőkapacitás kétértelműen jellemzi az anyagot. A termodinamika első főtételéből arra következtethetünk, hogy a test belső energiája nemcsak a kapott hőmennyiségtől, hanem a test által végzett munkától is függ. A hőátadási folyamat különböző körülményei között a test munkája változhat. Így a szervezetbe juttatott hőmennyiség különböző változásokat idézhet elő a test hőmérsékletében és belső energiájában. Ez a tulajdonság csak gáz halmazállapotú anyagokra jellemző. Ellentétben a szilárd és folyékony anyagokkal, a gáznemű anyagok nagymértékben változtathatják a térfogatot és működhetnek. Éppen ezért a levegő hőkapacitása határozza meg magának a termodinamikai folyamatnak a természetét.

Állandó térfogat mellett azonban a levegő nem működik. Ezért a belső energia változása arányos a hőmérsékletének változásával. Az állandó nyomású folyamat hőkapacitásának és az állandó térfogatú folyamat hőkapacitásának aránya az adiabatikus folyamat képletének része. A görög gamma betűvel jelöljük.

A történelemből

A „hőkapacitás” és a „hőmennyiség” kifejezések nem nagyon írják le a lényegüket. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a kalóriaelméletből érkeztek a modern tudományhoz, amely a tizennyolcadik században volt népszerű. Ennek az elméletnek a követői a hőt egyfajta súlytalan anyagnak tekintették, amely a testekben található. Ezt az anyagot nem lehet sem elpusztítani, sem létrehozni. A testek hűtését és felmelegedését a kalóriatartalom csökkenésével, illetve növekedésével magyarázták. Idővel ezt az elméletet tarthatatlannak találták. Nem tudta megmagyarázni, hogy egy test belső energiájában miért ugyanaz a változás következik be, amikor különböző mennyiségű hőt adnak át, és ez a test munkájától is függ.

A munka célja: levegő izobár hőkapacitásának meghatározása áramlási kaloriméteres módszerrel.

Gyakorlat:

Határozzuk meg kísérletileg a levegő átlagos térfogati izobár hőkapacitását!

A kapott kísérleti adatok alapján számítsa ki a levegő átlagos tömeg- és moláris izobár hőkapacitását, valamint átlagos tömeg-, térfogat- és moláris hőkapacitását!

Határozza meg a levegő adiabatikus indexét!

Hasonlítsa össze a kapott adatokat a táblázatos adatokkal!

A kísérleti adatok pontosságának értékelése.

ALAPVETŐ RENDELKEZÉSEK.

Hőkapacitás– egy tulajdonság, amely megmutatja, hogy mennyi hőt kell a rendszerbe juttatni ahhoz, hogy a hőmérséklete egy fokkal megváltozzon.

Ebben a megfogalmazásban a hőkapacitás kiterjedt paramétert jelent, pl. a rendszerben lévő anyag mennyiségétől függően.

Ebben az esetben lehetetlen számszerűsíteni a különböző anyagok termikus tulajdonságait egymással összehasonlítva. A gyakorlati felhasználás szempontjából sokkal informatívabb paraméter az ún fajlagos hő.

Fajlagos hő megmutatja, hogy mennyi hőt kell hozzáadni az anyag egységnyi mennyiségéhez, hogy egy fokkal felmelegedjen.

Attól függően, hogy az anyag mennyiségét milyen mértékegységekben mérik, a következőket különböztetjük meg:

fajlagos tömeghőkapacitás (C). Az SI rendszerben mérik

;

Különböző típusú fajlagos hőkapacitások kapcsolódnak egymáshoz:

,

Ahol
- fajlagos tömeg, térfogati és moláris hőkapacitás;

- gázsűrűség normál fizikai körülmények között, kg/m 3 ;

- gáz moláris tömege, kg/kmol;

- egy kilomól ideális gáz térfogata normál fizikai körülmények között.

Általában a hőkapacitás attól függ, hogy milyen hőmérsékleten határozzák meg.

Adott hőmérsékleti értéken meghatározott hőkapacitás, azaz. amikor a rendszer hőmérsékletének változása egy adott időpontban nullára hajlik
, hívott valódi hőkapacitás.

A hőátadási folyamatok mérnöki számításainak elvégzése azonban jelentősen leegyszerűsödik, ha elfogadjuk, hogy amikor a folyamatot a rendszerhőmérséklet-változások tartományában hajtják végre. előtt a hőkapacitás nem függ a hőmérséklettől és állandó marad. Ebben az esetben az ún átlagos hőkapacitás.

Átlagos hőkapacitás
– a rendszer hőkapacitása állandó a hőmérsékleti tartományban től előtt .

A hőkapacitás a rendszer hőellátásának folyamatától függ. Izobár folyamatban a rendszer egy fokkal való felfűtéséhez több hőt kell szolgáltatni, mint az izokoros folyamatban. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy izobár folyamatban a hő nemcsak a rendszer belső energiájának megváltoztatására fordítódik, mint az izokhorikus folyamatban, hanem a rendszeren a térfogat változtatására irányuló munka elvégzésére is.

Ebben a tekintetben van különbség izobár
És izokorikus
hőkapacitás, és az izobár hőkapacitás mindig nagyobb, mint az izokor hőkapacitás. Az ilyen típusú hőkapacitások közötti kapcsolatot a Mayer-képlet határozza meg:

Ahol - gázállandó, J/(kgdeg).

Ennek a képletnek a gyakorlati alkalmazása során ügyelni kell a mennyiségek méreteinek megfelelőségére
,
És . Ilyenkor például a tömegfajlagos hőkapacitást kell használni. Ez a képlet más típusú fajlagos hőkapacitásokra is érvényes lesz, de a számítási hibák elkerülése érdekében mindig ügyelni kell a képletben szereplő mennyiségek méreteinek megfelelőségére. Például ha helyette használjuk univerzális gázállandó a hőkapacitásnak fajlagos molárisnak kell lennie stb.

Az izoterm folyamat során a rendszerbe juttatott összes hőt külső munkára fordítják, a belső energia és ezáltal a hőmérséklet nem változik. A rendszer hőkapacitása egy ilyen folyamatban végtelenül nagy. Az adiabatikus folyamatban a rendszer hőmérséklete hőcsere nélkül változik a külső környezettel, ami azt jelenti, hogy egy ilyen folyamatban a rendszer hőkapacitása nulla lesz. Emiatt Az izoterm vagy adiabatikus hőkapacitás fogalma nem létezik.

Ebben a munkában az áramlási kaloriméter módszerrel határozzuk meg a levegő hőkapacitását. A laboratóriumi elrendezés diagramja az 1. ábrán látható.

1. ábra. Laboratóriumi munkaasztal diagram

A levegőt az 1 ventilátor szállítja a kaloriméterhez, amely egy alacsony hővezető képességű anyagból készült cső 2, külső hőszigeteléssel 3, amely a környezet hőveszteségének megakadályozásához szükséges. A kaloriméter belsejében egy elektromos fűtőelem található 4. A fűtőelem egy feszültségszabályozón keresztül váltakozó áramú hálózatról táplálkozik 5. Az elektromos fűtőelem teljesítményét wattmérő méri 6. A levegő hőmérsékletének mérése a bemeneti és kimeneti nyílásnál. kaloriméter, 7 hőelemeket használnak, amelyek egy 8 kapcsolón keresztül a termo-EMF 9 mérőkészülékhez vannak csatlakoztatva. A kaloriméteren áthaladó levegőáramot a 10 szabályozó változtatja, és a 11 úszó rotaméterrel méri.

A MUNKA VÉGREHAJTÁSÁNAK ELJÁRÁSA.

Szerezze be a kezdeti adatokat és engedélyt a vezetőtől a munka elvégzéséhez

Kapcsolja be a ventilátort, és állítsa be a kívánt légáramlást.

Állítsa be az elektromos fűtés teljesítményének beállított értékét.

Az állandó hőmérsékleti rendszer létrehozása után (amelyet a kaloriméter kimenetén lévő hőmérséklet-érzékelő leolvasása vezérel) megmérik a levegő hőmérsékletét a kaloriméter bemeneti és kimeneti nyílásánál, a légáramlást és a fűtőteljesítményt. A mérési eredmények bekerülnek a kísérleti adattáblázatba (lásd 1. táblázat).

Asztal 1.

Új hőmérsékleti rendszert hoznak létre, és ismételt méréseket végeznek. A méréseket 2 vagy 3 különböző módban kell elvégezni.

A mérések befejezése után állítsa vissza az összes szabályozó szervet az eredeti állapotába, és kapcsolja ki a telepítést.

A mérési eredmények alapján meghatározzuk a levegő átlagos térfogati izobár hőkapacitását:

Ahol
- a kaloriméterben a levegőbe juttatott hőmennyiség, W. Elfogadva megegyezik a fűtőelem elektromos teljesítményének értékével;

- a levegő hőmérséklete a kaloriméter bemeneti és kimeneti nyílásánál, K;

- térfogati levegőáramlás a kaloriméteren, normál fizikai feltételekre csökkentve, m 3 /s;

A kaloriméteren áthaladó levegő áramlásának normál állapotba hozásához használja az ideális gáz állapotegyenletét, amelyet normál fizikai és kísérleti körülményekre írtunk fel:

,

ahol a bal oldalon a levegő paraméterei a kaloriméter bejáratánál, a jobb oldalon pedig - normál fizikai körülmények között.

Az értékek megtalálása után
, mindegyiknek megfelelő tanulmányozott módokat, az értéket meghatározzuk
, amelyet a levegő hőkapacitása kísérleti értékének becsléseként vesznek fel, és a további számításokhoz felhasználják.

, kJ/kg;

A levegő adiabatikus indexét a kapcsolat alapján határozzuk meg

;

Hasonlítsa össze az izobár és izokor hőkapacitás kapott értékeit a táblázat értékeivel (lásd 1. függelék), és értékelje a kapott kísérleti adatok pontosságát.

Írja be az eredményeket a 2. táblázatba.

2. táblázat.

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK.

Mi a hőkapacitás?

Milyen típusú fajlagos hőkapacitások léteznek?

Mi az átlagos és a valós hőkapacitás?

Mit nevezünk izobár és izokhor hőkapacitásnak? Hogyan kapcsolódnak egymáshoz?

A két hőkapacitás közül melyik a nagyobb: C p vagy C v és miért? Adjon magyarázatot a termodinamika 1. főtétele alapján!

Mayer-formula gyakorlati alkalmazásának jellemzői?

Miért nem létezik az izoterm és adiabatikus hőkapacitás fogalma?

1. számú melléklet.

A levegő hőkapacitása a hőmérséklettől függően

A GÁZ ADIABATIKUS KIFOLYÁSÁNAK FOLYAMATA TANULMÁNYOZÁSA KÚPOSÍTÓ FÚVÓKÁN KERESZTÜL.

A munka célja: konvergens fúvókából történő gázkiáramlás folyamatának termodinamikai jellemzőinek kísérleti és elméleti vizsgálata.

Gyakorlat:

1. Adott gáz esetén kapja meg a tényleges áramlási sebesség és áramlási sebesség függését a fúvóka előtt és után elérhető nyomáskülönbségtől.

ALAPVETŐ RENDELKEZÉSEK.

A csatornákon keresztüli gázmozgás folyamatainak termodinamikai vizsgálata nagy gyakorlati jelentőséggel bír. A gázáramlás elméletének alapelveit gőz- és gázturbinák, sugárhajtóművek, kompresszorok, pneumatikus hajtások és sok más műszaki rendszer áramlási útvonalának számításaiban alkalmazzák.

Változó keresztmetszetű csatornát, amelyen áthaladva a gázáram a nyomás csökkenésével és a sebesség növekedésével kitágul, ún. szórófej. A fúvókákban a gáznyomás potenciális energiája az áramlás kinetikai energiájává alakul. Ha egy csatornában megnő a munkaközeg nyomása és csökken a mozgási sebessége, akkor egy ilyen csatornát ún. diffúzor. A diffúzorokban a gáz potenciális energiája a mozgási energiájának csökkentésével nő.

A gázkiáramlási folyamat elméleti leírásának egyszerűsítése érdekében a következő feltételezéseket tesszük:

gáz ideális;

A gázban nincs belső súrlódás, pl. viszkozitás;

a lejárati folyamat során nincsenek visszafordíthatatlan veszteségek;

a gázáramlás egyenletes és álló, azaz. az áramlás keresztmetszetének bármely pontján az áramlási sebesség w és a gázállapot-paraméterek (p, v, T) megegyeznek, és nem változnak az idő múlásával;

az áramlás egydimenziós, azaz. az áramlási jellemzők csak az áramlás irányában változnak;

nincs hőcsere az áramlás és a külső környezet között, azaz. a kiáramlási folyamat adiabatikus.

A gázkiáramlási folyamat elméleti leírása a következő egyenleteken alapul.

Ideális gáz állapotegyenlete

,

ahol R a gázállandó;

T a gázáram abszolút hőmérséklete.

Adiabatikus egyenlet (Poisson-egyenlet)

ahol p az abszolút gáznyomás;

k az adiabatikus index.

Áramlási folytonossági egyenlet

ahol F az áramlás keresztmetszete;

w – áramlási sebesség;

v – fajlagos gáztérfogat.

Bernoulli-egyenlet összenyomható munkafolyadékra, figyelembe véve a belső súrlódás hiányát

Ez az egyenlet azt mutatja, hogy a gáznyomás növekedésével a sebessége és a mozgási energiája mindig csökken, és fordítva, a nyomás csökkenésével a gáz sebessége és mozgási energiája nő.

A termodinamika 1. főtételének egyenlete áramlásra.

A termodinamika 1. főtétele általános esetben a következő

,

Ahol
– elemi hőmennyiség a rendszerbe;

– elemi változás a rendszer belső energiájában;

- a rendszer által elvégzett térfogatváltozás elemi munkája.

Mozgó termodinamikai rendszer (mozgó gáz áramlása) esetén a térfogat változtatási munka egy része a külső nyomáserők leküzdésére, pl. a gáz tényleges mozgása. Az átfogó munka ezen részét ún tolómunkát. A térfogatváltási munka fennmaradó részét hasznosan lehet felhasználni, például a turbinakerék forgatására fordíthatjuk. A rendszer általános működésének ezt a részét ún rendelkezésre álló vagy műszaki munka.

Így gázáramlás esetén a térfogat változtatás munkája 2 tagból áll - a tolómunkából és a műszaki (eldobható) munkából:

Ahol
- elemi tolómunka;

- alapvető műszaki munka

Ekkor a termodinamika 1. főtétele az áramlásra ilyen formában lesz

,

Ahol
- a rendszer entalpiájának elemi változása.

Adiabatikus kiáramlás esetén

Így mikor adiabatikus kiáramlásnál a gázentalpia csökkenése miatt műszaki munkát végeznek.

A fent tárgyalt feltételezések alapján egy korlátlan kapacitású edényből történő gázkiáramlás esetére (ebben az esetben a gáz kezdeti sebessége
) képleteket kapunk az elméleti sebesség meghatározására és a gáztömegáram a fúvóka kimeneti szakaszánál:

vagy

Ahol
- a gáz nyomása és hőmérséklete a fúvóka bemeneti szakaszában;

- az áramlás fajlagos entalpiája a fúvóka bemeneténél és a fúvókából való kilépésnél;

- adiabatikus index;

- gázállandó;

- a nyomások aránya a fúvóka kimeneténél és a fúvóka bemeneténél;

- a fúvóka kimeneti szakaszának területe.

A kapott képletek elemzése azt mutatja, hogy az elfogadott elmélet szerint az elméleti sebesség és a tömegáram nyomásviszonytól való függésének  olyan alakot kell kapnia, amelyet a grafikonokon a T betűvel jelölt görbék ábrázolnak (lásd 1. és 1. ábra). 2). A grafikonokból az következik, hogy az elmélet szerint a  értékeinek 1-ről 0-ra csökkenésével a kiáramlási sebességnek folyamatosan növekednie kell (lásd 1. ábra), és a tömegáram először egy bizonyos maximális értékig nő. , majd 0-ra kell csökkennie  = 0 esetén (lásd a 2. ábrát).

1. ábra A kiáramlási sebesség függése a nyomásviszonytól 

2. ábra A tömegáram függése a nyomásviszonytól 

Egy elkeskenyedő fúvókából kiáramló gázok kísérleti vizsgálata során azonban kiderült, hogy amikor  1-ről 0-ra csökken, akkor a tényleges kipufogógáz-sebesség és ennek megfelelően a tényleges áramlási sebesség először növekszik, teljes összhangban az elfogadott elmélettel. a folyamat, de értékük maximumának elérése után  további 0-ra csökkenésével változatlanok maradnak

E függőségek természetét a grafikonokon D betűvel jelölt görbék ábrázolják (lásd 1. és 2. ábra).

Az elméleti függőség és a kísérleti adatok közötti eltérés fizikai magyarázatát először Saint-Venant francia tudós javasolta 1839-ben. Ezt további kutatások is megerősítették. Ismeretes, hogy az álló közeg bármilyen, még gyenge zavarása is hangsebességgel terjed benne. Egy fúvókán keresztül a zavarforrás felé haladó áramlásban a zavarnak a fúvókába való átvitelének sebessége, pl. az áramlás irányával szemben magának az áramlásnak a sebességével kisebb lesz. Ez a zavar úgynevezett relatív terjedési sebessége, amely egyenlő
. Amikor a zavaró hullám a teljes áramlás mentén a fúvókába jut, ennek megfelelő nyomás-újraeloszlás következik be, aminek az eredménye az elmélet szerint a kiáramlási sebesség és a gáz áramlási sebességének növekedése. Állandó gáznyomásnál a fúvóka bemeneténél P 1 =const, annak a közegnek a nyomásának csökkenése, amelybe a gáz áramlik, β értékének csökkenésének felel meg.

Ha azonban annak a közegnek a nyomása, amelybe a gáz áramlik, egy bizonyos értékre csökken, amelynél a kiáramlási sebesség a fúvóka kimeneténél egyenlő lesz a helyi hangsebességgel, a zavaró hullám nem tud a fúvókába továbbterjedni, mivel terjedésének relatív sebessége a közegben a mozgással ellentétes irányú, egyenlő lesz nullával:

.

Ebben a tekintetben a nyomás újraeloszlása ​​a fúvóka mentén történő áramlásban nem fordulhat elő, és a gáz áramlási sebessége a fúvóka kimeneténél változatlan marad, és megegyezik a helyi hangsebességgel. Más szóval, úgy tűnik, hogy az áramlás „kifújja” a fúvókán kívül keletkező vákuumot. Bármennyire is csökken tovább a fúvóka mögötti közeg abszolút nyomása, a kipufogógáz sebessége, így az áramlási sebesség nem fog tovább növekedni, mert képletesen szólva, Reynolds szerint „a fúvóka már nem érzékeli, mi történik rajta kívül”, vagy ahogy néha mondják, „a fúvóka be van zárva”. Ennek a jelenségnek némi analógiája az a helyzet, amely néha megfigyelhető, amikor egy személy hangját egy erős szembeszél elviszi, és a beszélgetőpartner nem hallja a szavait, még akkor sem, ha nagyon közel van, ha tőle fúj a szél a hangszóró.

Azt a kiáramlási módot, amelyben a kiáramlási sebesség a fúvóka kimeneténél eléri a helyi hangsebességet, nevezzük kritikus mód. Kiáramlási sebesség , fogyasztás és nyomásviszony , ennek a módnak megfelelő, szintén hívják kritikai. Ez az üzemmód megfelel az áramlási sebesség és az áramlási sebesség azon maximális értékeinek, amelyek akkor érhetők el, ha a gáz egy hagyományos konvergens fúvókán keresztül áramlik. A kritikus nyomásviszonyt a képlet határozza meg

,

ahol k az adiabatikus kitevő.

A kritikus nyomásviszony csak a gáz típusától függ, és egy adott gáz esetében állandó. Például:

egyatomos gázoknál k= 1,66 és  k 0,489;

2 atomos gázoknál és levegőnél k= 1,4 és k 0,528

3- és többatomos gázoknál k=1,3 és -től 0,546-ig.

Így az elfogadott feltételezések keretein belül kapott elméleti függőségek az áramlási sebesség és a gázáram meghatározására valójában csak az értéktartományban érvényesek.
. Értékekkel
a kiáramlási sebesség és áramlási sebesség az adott körülmények között ténylegesen állandó és maximális marad.

Sőt, valós áramlási viszonyok esetén a tényleges kipufogógáz-sebesség és gázáramlási sebesség a fúvókánál még értékeknél is
valamivel alacsonyabbak lesznek, mint a megfelelő elméleti értékeik. Ez a sugárnak a fúvóka falaihoz való súrlódása miatt következik be. A fúvóka kimeneténél a hőmérséklet valamivel magasabb, mint az elméleti hőmérséklet. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a gázáram rendelkezésre álló munkájának egy része eloszlik és hővé alakul, ami a hőmérséklet növekedéséhez vezet.

A LABORATÓRIUMI ÁLLVÁNY LEÍRÁSA.

A fúvókából való gázkiáramlás folyamatának tanulmányozása a valós fizikai folyamatok szimulációs módszerén alapuló berendezéssel történik. A telepítés a munkaterület modelljéhez csatlakoztatott PC-ből, egy vezérlőpanelből és mérőműszerekből áll. A beépítési rajz a 3. ábrán látható.

3. ábra. Beépítési diagram a gázkiáramlási folyamat tanulmányozásához

A beépítés munkarésze egy cső, amelybe a d = 1,5 mm kimeneti átmérőjű 3. vizsgáló kúpos fúvóka van beépítve. A gáz (levegő, szén-dioxid (CO 2), hélium (He)) áramlását a fúvókán keresztül vákuumszivattyúval 5 hozzuk létre. A gáznyomás a bemenetnél megegyezik a légköri nyomással (P 1 =B). A G gázáramlási sebességet és a w áramlási sebességet a 4. szelep szabályozza. Az üzemmódokat a fúvóka mögötti P 3 vákuumérték határozza meg, amelyet a 6 digitális kijelzőn rögzítenek. A gázáramlás mérése d d átmérőjű mérőmembrán segítségével történik. = 5 mm. A membrán H nyomáskülönbsége rögzítésre kerül a 7 digitális kijelzőn, és megkettőződik a PC monitor képernyőjén. A fúvóka kimeneti részében lévő vákuumot P 2 a digitális kijelző 6 és a monitor képernyője is rögzíti. A kalibrált furatú mérőmembrán = 0,95 átfolyási együtthatóját a kalibrálás eredményeként határoztuk meg.

A MUNKA VÉGREHAJTÁSÁNAK ELJÁRÁSA.

Kapcsolja be a telepítést a hálózatra, lépjen párbeszédbe a számítógépbe ágyazott kísérleti programmal.

Válassza ki a gáz típusát a kísérlet elvégzéséhez.

Kapcsolja be a vákuumszivattyút. Ez vákuumot hoz létre a 4. szelep mögött, amely megjelenik a monitor képernyőjén.

A 4. szelep fokozatos nyitásával létrejön a minimális vákuum

P 3 = 0,1 at, ami az 1. módnak felel meg. Ezen a ponton megindul a gázáramlás.

Írja be a kísérleti jegyzőkönyvbe (1. táblázat) a P 3 , P 2 , H számértékeket, amelyeket a 6-os és 7-es digitális indikátorokkal rögzítettünk.

Végezze el a P 2 , H értékek mérését a következő üzemmódokhoz, amelyek megfelelnek a vákuumszivattyú által létrehozott vákuum értékeinek,

P 3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5…0,9 at. Írja be a mérési eredményeket az 1. táblázatba

Asztal 1.

Gáznyomás a fúvóka bemeneténél P 1 =B= Pa.

A gáz hőmérséklete a fúvóka bemeneténél t 1 =C.

	Mode No.	Mérési eredmények

A MÉRÉSI EREDMÉNYEK FELDOLGOZÁSA.

Meghatározzuk a fúvóka mögötti P 3 közeg abszolút nyomását, amelybe a gáz áramlik

, Pa

4.2. Meg kell határozni a P 2 abszolút gáznyomást a fúvóka kimeneti szakaszában

, Pa

A tényleges gáztömegáramot a mérőmembránon átívelő H nyomásesés határozza meg

, kg/s

Ahol
- a mérőmembrán áramlási tényezője;

- nyomásesés a mérőmembránon, Pa;

- gázsűrűség, kg/m3;

- légnyomás, Pa;

- gázállandó, J/(kg∙deg);

- gázhőmérséklet,С;

- a mérőmembrán átmérője.

4.4. Mivel a kiáramlási folyamat adiabatikus, a T2 elméleti gázhőmérsékletet a fúvóka kimeneténél az adiabatikus folyamat ismert összefüggésével határozzuk meg:

4.5. Meg kell határozni a tényleges kipufogó-sebességet és a gáz hőmérséklete a fúvóka kimeneti szakaszánál

, Kisasszony;

Ahol - tényleges gáztömegáram, kg/s;

- a gáz hőmérséklete (K) és nyomása (Pa) a fúvóka kimeneti szakaszában;

- a fúvóka kimeneti szakaszának területe;

- a fúvóka kimeneti szakaszának átmérője.

Másrészt a termodinamika 1. főtétele alapján az áramlásra

Ahol
- a gáz fajlagos entalpiája a fúvóka bemeneténél és kimeneténél, J/kg;

- a gáz hőmérséklete a fúvóka bemeneti és kimeneti nyílásánál, K;

- gáz fajlagos izobár hőkapacitása, J/(kgdeg);

A (17) és (18) egyenlet jobb oldalának egyenlítésével és a kapott T 2 másodfokú egyenletének megoldásával meghatározzuk a tényleges gázhőmérsékletet a fúvóka kilépő szakaszában.

vagy

,

Ahol
;

;

.

4.6. Meg kell határozni a gáz elméleti tömegáramát az adiabatikus kiáramláshoz

, kg/s;

Ahol - fúvóka kimeneti keresztmetszete, m2;

- abszolút gáznyomás a fúvóka bemeneténél, Pa;

- gázhőmérséklet a fúvóka bemeneténél, K;

- gázállandó, J/(kgdeg);

- adiabatikus index.

4.7. Meghatározzuk az elméleti gázáramlási sebességet

Ahol - a gáz hőmérséklete a fúvóka bemeneti szakaszában;

- adiabatikus index;

- gázállandó;

- nyomásviszony;

- a közeg abszolút nyomása, amelybe a gáz áramlik, Pa;

- abszolút gáznyomás a fúvóka bemeneténél, Pa.

4.8. Meg kell határozni a maximális elméleti gázáramlási sebességet
(kiáramlás az üregbe P 3 = 0-nál) és a hang helyi elméleti sebessége (kritikus sebesség)
.

4.9. A számítási eredményeket a 2. táblázat tartalmazza.

2. táblázat.

Számítási eredmények

4.10. Koordinátákban
És
függőségi gráfok épülnek fel, és függőségi gráf is készül
. A kritikus nyomásviszony értékét a grafikonokból határozzuk meg ,

amelyet összevetnek a számított

.

4.11. A számítások és a grafikus konstrukciók eredményei alapján vonja le a következő következtetést:

Hogyan függenek az elméleti gázáramlási sebességek és áramlási sebességek a β nyomásviszonytól?

Hogyan függ a tényleges gázáram és áramlási sebesség a β nyomásviszonytól?

Miért alacsonyabbak a tényleges gázáramlási sebességek és áramlási sebességek, mint a megfelelő elméleti értékek azonos külső feltételek mellett?

ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK.

Milyen feltételezéseket teszünk a gázkiáramlási folyamat termodinamikájának elméleti leírásában?

Milyen alaptörvényeket használnak a kiáramlási folyamat elméleti leírására?

Milyen összetevők alkotják a fúvókán átáramló gázáram által végzett munkát?

Mi a kapcsolat a gázáram entalpiája és technikai munkája között adiabatikus kiáramlás során?

Mi a kritikus áramlási rendszer és hogyan jellemzik?

Hogyan magyarázható fizikai szempontból a kiáramlási sebesség és az áramlási sebesség elméleti és kísérleti függősége közötti eltérés a -től?

Hogyan befolyásolják a valós kiáramlási feltételek a gáz sebességét, áramlási sebességét és hőmérsékletét a fúvóka kimeneténél?

Figyelembe veszik a levegő alapvető fizikai tulajdonságait: a levegő sűrűségét, dinamikus és kinematikai viszkozitását, fajlagos hőkapacitását, hővezető képességét, hődiffúzivitását, Prandtl-számát és entrópiáját. A levegő tulajdonságait táblázatokban adjuk meg a hőmérséklettől függően normál légköri nyomáson.

A levegő sűrűsége a hőmérséklettől függően

Részletes táblázat a száraz levegő sűrűségértékeiről különböző hőmérsékleteken és normál légköri nyomáson. Mekkora a levegő sűrűsége? A levegő sűrűsége analitikusan meghatározható, ha elosztjuk a levegő tömegét az általa elfoglalt térfogattal. adott körülmények között (nyomás, hőmérséklet és páratartalom). Sűrűségét az ideális gáz állapotegyenletének képletével is kiszámíthatja. Ehhez ismerni kell a levegő abszolút nyomását és hőmérsékletét, valamint gázállandóját és moláris térfogatát. Ez az egyenlet lehetővé teszi a levegő száraz sűrűségének kiszámítását.

A gyakorlatban, hogy megtudja, mekkora a levegő sűrűsége különböző hőmérsékleteken, kényelmes a kész asztalok használata. Például az alábbi táblázat a légköri levegő sűrűségét mutatja a hőmérsékletétől függően. A táblázatban a levegősűrűséget kilogramm/köbméterben fejezzük ki, és a mínusz 50 és 1200 Celsius fok közötti hőmérsékleti tartományban adjuk meg normál légköri nyomáson (101325 Pa).

A levegő sűrűsége a hőmérséklettől függően - táblázat

t, °С	ρ, kg/m 3	t, °С	ρ, kg/m 3	t, °С	ρ, kg/m 3	t, °С	ρ, kg/m 3
-50	1,584	20	1,205	150	0,835	600	0,404
-45	1,549	30	1,165	160	0,815	650	0,383
-40	1,515	40	1,128	170	0,797	700	0,362
-35	1,484	50	1,093	180	0,779	750	0,346
-30	1,453	60	1,06	190	0,763	800	0,329
-25	1,424	70	1,029	200	0,746	850	0,315
-20	1,395	80	1	250	0,674	900	0,301
-15	1,369	90	0,972	300	0,615	950	0,289
-10	1,342	100	0,946	350	0,566	1000	0,277
-5	1,318	110	0,922	400	0,524	1050	0,267
0	1,293	120	0,898	450	0,49	1100	0,257
10	1,247	130	0,876	500	0,456	1150	0,248
15	1,226	140	0,854	550	0,43	1200	0,239

25°C-on a levegő sűrűsége 1,185 kg/m3. Melegítéskor a levegő sűrűsége csökken - a levegő kitágul (fajlagos térfogata nő). Ahogy a hőmérséklet emelkedik, például 1200°C-ra, nagyon alacsony levegősűrűséget érünk el, ami 0,239 kg/m3, ami 5-ször kisebb, mint szobahőmérsékleten. Általában a hevítés közbeni redukció lehetővé teszi olyan folyamatok létrejöttét, mint a természetes konvekció, és ezt például a repüléstechnikában használják.

Ha a levegő sűrűségét ehhez viszonyítjuk, akkor a levegő három nagyságrenddel könnyebb - 4°C-os hőmérsékleten a víz sűrűsége 1000 kg/m3, a levegő sűrűsége 1,27 kg/m3. Szintén meg kell jegyezni a levegő sűrűségének értékét normál körülmények között. A gázok normál körülményei azok, amelyeknél a hőmérsékletük 0 °C, és a nyomás megegyezik a normál légköri nyomással. Így a táblázat szerint a levegő sűrűsége normál körülmények között (NL-ben) 1,293 kg/m 3.

A levegő dinamikus és kinematikai viszkozitása különböző hőmérsékleteken

A termikus számítások elvégzésekor ismerni kell a levegő viszkozitásának (viszkozitási együttható) értékét különböző hőmérsékleteken. Ez az érték szükséges a Reynolds-, Grashof- és Rayleigh-számok kiszámításához, amelyek értékei meghatározzák ennek a gáznak az áramlási rendszerét. A táblázat a dinamikus együtthatók értékeit mutatja μ és kinematikai ν levegő viszkozitása a -50 és 1200°C közötti hőmérsékleti tartományban légköri nyomáson.

A levegő viszkozitási együtthatója jelentősen növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Például a levegő kinematikai viszkozitása 15,06 10 -6 m 2 /s 20 °C hőmérsékleten, és ha a hőmérséklet 1200 °C-ra emelkedik, a levegő viszkozitása 233,7 10 -6 m 2 /s, azaz 15,5-szeresére nő! A levegő dinamikus viszkozitása 20°C hőmérsékleten 18,1·10 -6 Pa·s.

Levegő melegítésekor mind a kinematikai, mind a dinamikus viszkozitás értéke nő. Ez a két mennyiség a levegő sűrűségén keresztül kapcsolódik egymáshoz, melynek értéke csökken, ha ezt a gázt felmelegítjük. A levegő (valamint más gázok) kinematikai és dinamikus viszkozitásának növekedése melegítéskor a levegőmolekulák intenzívebb rezgésével jár egyensúlyi állapotuk körül (az MKT szerint).

A levegő dinamikus és kinematikai viszkozitása különböző hőmérsékleteken - táblázat

t, °С	μ·10 6, Pa·s	ν·10 6, m 2 /s	t, °С	μ·10 6, Pa·s	ν·10 6, m 2 /s	t, °С	μ·10 6, Pa·s	ν·10 6, m 2 /s
-50	14,6	9,23	70	20,6	20,02	350	31,4	55,46
-45	14,9	9,64	80	21,1	21,09	400	33	63,09
-40	15,2	10,04	90	21,5	22,1	450	34,6	69,28
-35	15,5	10,42	100	21,9	23,13	500	36,2	79,38
-30	15,7	10,8	110	22,4	24,3	550	37,7	88,14
-25	16	11,21	120	22,8	25,45	600	39,1	96,89
-20	16,2	11,61	130	23,3	26,63	650	40,5	106,15
-15	16,5	12,02	140	23,7	27,8	700	41,8	115,4
-10	16,7	12,43	150	24,1	28,95	750	43,1	125,1
-5	17	12,86	160	24,5	30,09	800	44,3	134,8
0	17,2	13,28	170	24,9	31,29	850	45,5	145
10	17,6	14,16	180	25,3	32,49	900	46,7	155,1
15	17,9	14,61	190	25,7	33,67	950	47,9	166,1
20	18,1	15,06	200	26	34,85	1000	49	177,1
30	18,6	16	225	26,7	37,73	1050	50,1	188,2
40	19,1	16,96	250	27,4	40,61	1100	51,2	199,3
50	19,6	17,95	300	29,7	48,33	1150	52,4	216,5
60	20,1	18,97	325	30,6	51,9	1200	53,5	233,7

Megjegyzés: Legyen óvatos! A levegő viszkozitását 10 6 hatványban adjuk meg.

A levegő fajlagos hőkapacitása -50 és 1200°C közötti hőmérsékleten

A táblázat a levegő fajlagos hőkapacitását mutatja különböző hőmérsékleteken. A táblázatban szereplő hőkapacitás állandó nyomáson (a levegő izobár hőkapacitása) a mínusz 50 és 1200°C közötti hőmérsékleti tartományban van megadva száraz állapotú levegő esetén. Mekkora a levegő fajlagos hőkapacitása? A fajlagos hőkapacitás határozza meg azt a hőmennyiséget, amelyet egy kilogramm állandó nyomású levegőhöz kell juttatni ahhoz, hogy annak hőmérséklete 1 fokkal növekedjen. Például 20 °C-on 1 kg ebből a gázból 1 °C-kal izobár eljárásban 1005 J hőre van szükség.

A levegő fajlagos hőkapacitása a hőmérséklet emelkedésével nő. A levegő tömeghőkapacitásának a hőmérséklettől való függése azonban nem lineáris. A -50 és 120°C közötti tartományban értéke gyakorlatilag nem változik - ilyen körülmények között a levegő átlagos hőkapacitása 1010 J/(kg deg). A táblázat alapján látható, hogy a hőmérséklet 130°C-tól kezd jelentős hatást gyakorolni. A levegő hőmérséklete azonban sokkal kevésbé befolyásolja a fajlagos hőkapacitását, mint a viszkozitását. Így 0-ról 1200 °C-ra melegítve a levegő hőkapacitása csak 1,2-szeresére nő - 1005-1210 J/(kg deg).

Megjegyzendő, hogy a nedves levegő hőkapacitása nagyobb, mint a száraz levegőé. Ha összehasonlítjuk a levegőt, akkor nyilvánvaló, hogy a víznek nagyobb az értéke, és a levegő víztartalma a fajlagos hőkapacitás növekedéséhez vezet.

A levegő fajlagos hőkapacitása különböző hőmérsékleteken - táblázat

t, °С	C p , J/(kg fok)	t, °С	C p , J/(kg fok)	t, °С	C p , J/(kg fok)	t, °С	C p , J/(kg fok)
-50	1013	20	1005	150	1015	600	1114
-45	1013	30	1005	160	1017	650	1125
-40	1013	40	1005	170	1020	700	1135
-35	1013	50	1005	180	1022	750	1146
-30	1013	60	1005	190	1024	800	1156
-25	1011	70	1009	200	1026	850	1164
-20	1009	80	1009	250	1037	900	1172
-15	1009	90	1009	300	1047	950	1179
-10	1009	100	1009	350	1058	1000	1185
-5	1007	110	1009	400	1068	1050	1191
0	1005	120	1009	450	1081	1100	1197
10	1005	130	1011	500	1093	1150	1204
15	1005	140	1013	550	1104	1200	1210

Hővezetőképesség, hődiffúzivitás, levegő Prandtl száma

A táblázat a légköri levegő olyan fizikai tulajdonságait mutatja be, mint a hővezető képesség, a hődiffúzivitás és a hőmérséklettől függő Prandtl-száma. A levegő termofizikai tulajdonságait -50 és 1200°C közötti tartományban adják meg száraz levegő esetén. A táblázat alapján látható, hogy a levegő jelzett tulajdonságai jelentősen függnek a hőmérséklettől, és ennek a gáznak a vizsgált tulajdonságainak hőmérsékletfüggése eltérő.

Szállítási energia (hideg szállítás) A levegő páratartalma. A levegő hőkapacitása és entalpiája

A levegő páratartalma. A levegő hőkapacitása és entalpiája

A légköri levegő száraz levegő és vízgőz keveréke (0,2% és 2,6% között). Így a levegő szinte mindig nedvesnek tekinthető.

A száraz levegő és vízgőz mechanikai keverékét ún párás levegő vagy levegő-gőz keverék. A levegő páratartalmának maximális lehetséges mennyisége m p.n. hőmérséklettől függ tés nyomás P keverékek. Amikor megváltozik tÉs P a levegő a kezdetben telítetlen állapotból vízgőzzel telített állapotba kerülhet, majd a gáztérfogatban és a körülvevő felületeken köd, fagy vagy hó formájában többlet nedvesség kezd kicsapódni.

A nedves levegő állapotát jellemző főbb paraméterek: hőmérséklet, nyomás, fajlagos térfogat, nedvességtartalom, abszolút és relatív páratartalom, molekulatömeg, gázállandó, hőkapacitás és entalpia.

A gázkeverékekre vonatkozó Dalton törvény szerint a nedves levegő össznyomása (P) a száraz levegő P c és a vízgőz P p parciális nyomásának összege: P = P c + P p.

Hasonlóképpen a nedves levegő V térfogatát és m tömegét a következő összefüggések határozzák meg:

V = V c + V p, m = m c + m p.

SűrűségÉs a nedves levegő fajlagos térfogata (v) meghatározott:

A nedves levegő molekulatömege:

ahol B a légköri nyomás.

Mivel a levegő páratartalma a szárítási folyamat során folyamatosan növekszik, és a száraz levegő mennyisége a gőz-levegő keverékben állandó marad, a szárítási folyamatot az alapján ítélik meg, hogy hogyan változik az 1 kg száraz levegőre jutó vízgőz mennyisége, és a szárítási folyamat összes mutatója. gőz-levegő keverék (hőkapacitás, nedvességtartalom, entalpia stb.) 1 kg száraz levegőre vonatkozik, amely nedves levegőben helyezkedik el.

d = m p / m c, g/kg vagy X = m p / m c.

A levegő abszolút páratartalma- gőz tömege 1 m 3 nedves levegőben. Ez az érték számszerűen egyenlő .

Relatív páratartalom - a telítetlen levegő abszolút páratartalmának és a telített levegő abszolút páratartalmának aránya adott körülmények között:

itt, de gyakrabban a relatív páratartalom százalékban van megadva.

A nedves levegő sűrűségére a következő összefüggés érvényes:

Fajlagos hő nedves levegő:

c = c c + c p × d/1000 = c c + c p × X, kJ/(kg × °C),

ahol c c a száraz levegő fajlagos hőkapacitása, c c = 1,0;

c p - a gőz fajlagos hőkapacitása; ahol n = 1,8.

A száraz levegő hőkapacitása állandó nyomáson és kis hőmérsékleti tartományokban (100 o C-ig) a hozzávetőleges számításokhoz állandónak tekinthető, ami 1,0048 kJ/(kg × °C) egyenlő. A túlhevített gőz esetében az átlagos izobár hőkapacitás atmoszférikus nyomáson és alacsony túlhevítési fokon is állandónak tekinthető, és egyenlő 1,96 kJ/(kg×K).

A nedves levegő entalpiája (i).- ez az egyik fő paramétere, amelyet széles körben használnak a szárítóberendezések számításaiban, elsősorban a szárítandó anyagokból a nedvesség elpárologtatására fordított hő meghatározására. A nedves levegő entalpiáját egy kilogramm száraz levegőre vonatkoztatjuk gőz-levegő keverékben, és a száraz levegő és a vízgőz entalpiájának összegeként határozzuk meg, azaz

i = i c + i p ×Х, kJ/kg.

Az elegyek entalpiájának számításakor az egyes komponensek entalpiájának kiindulási pontjának azonosnak kell lennie. A nedves levegő számításánál feltételezhetjük, hogy a víz entalpiája 0 o C-on nulla, ekkor számoljuk a száraz levegő entalpiáját is 0 o C-tól, azaz i in = c in *t = 1,0048t.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete