Краткие теоретические сведения по темам лабораторных работ, описание лабораторных стендов и методика проведения измерений, страница 7

определяется КПД нагрева воздуха электрическим нагревателем в рассматриваемых условиях.

         Подведенная электроэнергия равна произведению измеряемых в опыте величин: 

,                                                         (2)

где I_Э, амперы - электрический ток через спираль нагревателя, U_Э, вольты - электрическое напряжение, поданное на спираль, t, секунды - продолжительность нагрева.

         Поглощаемый воздухом тепловой поток Q, как известно из Первого закона термодинамики, расходуется на увеличение внутренней энергии U, Дж, воздуха и на совершение работы L, Дж, сил давления, если воздух расширяется. Соответствующая аналитическая формулировка первого закона термодинамики для  теплового потока q, Дж/К, поглощенного 1 кг рабочего тела -

q = Du + l.

Эта формулировка принимает в случае равновесных процессов идеального газа, имеющего  удельную теплоемкость газа в изохорном процессе с_V, Дж/(кг.К), вид

.

 или

q = c_V(t₂ – t₁) + p Dv,                                              (3)

где с_V – среднее значение удельной теплоемкости газа при его нагревании в изохорном процессе в интервале температур от t₁ до t₂, а р, Па – среднее значение давления в процессе увеличения удельного объема  Dv, м³/кг.

Чтобы воспользоваться формулой (3) для определения теплового потока  Q, Дж, поглощенного заданным объемом V, м³, газа, при его нагревании в ин-

Рис.1. График процесса при нагревании газа с изменением объема и давления.

тервале температур от t₁ до t₂, необходимо:

·  измерить температуру воздуха t₁ до включения нагревателя и температуру t₂ после его выключения;

·  измерить по барометру давление воздуха р₁;

·  принять, что воздух, заполняющий емкость, можно рассматривать как идеальный газ; это позволит определить массу m, кг, этого воздуха, пользуясь уравнением идеального газа – уравнением Клапейрона-Менделеева :

,                                                      (4)

где R=287 Дж/(кг.К) – газовая постоянная воздуха, р, V, T – абсолютное давление, Па, объем, м³, и абсолютная температура, К, воздуха в емкости в любом его равновесном состоянии;

·  определить по таблицам удельную массовую теплоемкость с_V, Дж/(кг.К), воздуха в изохорном процессе в интервале температур t₁…t₂;

·  по U-образному дифференциальному манометру определить изменение давления газа D р= р₂ - р₁, а также изменение его объема DV=V₂-V₁ ;за счет понижения уровня жидкости в левом колене U-образного манометра;

·  определить среднее абсолютное давление газа в процессе 1 – 2:

Тогда согласно формуле (3) тепловой поток, Дж, может быть определен по формуле

,                                  (5)

где давление р – среднее абсолютное давление в процессе.

Остается вычислить по формулам (1) и (2) искомое значение КПД при нагревании воздуха электронагревателем.

2. Описание лабораторного стенда.

Рис.1 Принципиальная схема установки 1-Сосуд Дьюара, 2. U-образный водяной манометр; 3. Нагреватель; 4.микрокомпрессор; К1, К2, К3 (поз.5) - краны