Определение теплоёмкости воздуха. Освоение методики калориметрического эксперимента на примере определения изобарной теплоёмкости воздуха

Цель работы

1.  Изучение первого закона термодинамики и теплоёмкости газов.

2.  Освоение методики калориметрического эксперимента на примере определения изобарной теплоёмкости воздуха.

Описание опытной установки

Основной частью установки является стеклянный проточный калориметр 1. То размещенного в нем электронагревателя 2 подводится тепло к протекающему воздуху.

Воздух засасывается из помещения и продвигается по калориметру под действием электронасоса 3. Производительность последнего измеряется газосветчиком 4, а регулируется с помощью автотрансформатора 5.

Потребляемая нагревателем мощность измеряется ваттметром 6. В целях изменения тепловых потерь в окружающую среду калориметр помещен в теплоизолированную стеклянную оболочку. Температура воздуха на входе в калориметр и на выходе из него измеряется ртутными термометрами 7 и 8.

Протокол записи измерений

Обработка результатов измерений

1.  Определяем величину объемного расхода воздуха через калориметр

Вычисляем разность показаний газового счетчика:

.

Вычисляем величину объемного расхода воздуха через калориметр :

.

2.  По формуле  рассчитываем среднюю изобарную объемную теплоёмкость воздуха  в интервале температур . Величина теплового потока Q в этой формуле равна мощности N электронагревателя. Объёмный расход воздуха в этой формуле, приведенный к нормальным условиям, можно найти из объединенного закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, если допустить, что воздух по своим свойствам близок к идеальному газу:

, где .

Вычислим среднеарифметические значения для выходной температуры газа:

 Сº,

=736 мм. рт. ст

 мм. рт. ст

 Сº,

Вычисляем среднюю изобарную объемную теплоёмкость воздуха :

3.  Вычисляем величину расхождения между экспериментально определенной теплоёмкостью  и табличным значением :

%%

4.  Найти значение средней массовой теплоёмкости по следующему соотношению:

– условная молекулярная масса воздуха, кг/моль.

5.  Ввиду сделанного ранее допущения об идеальности воздуха для определения изохорной массовой теплоёмкости воздуха можно использовать формулу Майера:

, где R – универсальная газовая постоянная для воздуха кДж/кг·К.

6.  Вычисляем показатель адиабаты для воздуха:

7.  Рассчитаем для воздуха величину внутренней энергии и, энтальпии I, энтропии s, при температуре по следующим формулам для идеального газа (с нулевым отсчётом от нормальных условий):

;

;

.

Контрольные вопросы

1.  Аналитическое выражение первого закона термодинамики (для неподвижного газа и для потока).

, где q – удельное количество теплоты; l – удельная работа; u – удельная внутренняя энергия; q, l, u выражаются в Дж/кг.

Это уравнение выражает аналитическую формулировку первого закона термодинамики, согласно которой подведенная к системе теплота расходуется на увеличение внутренней энергии системы и на совершение работы против приложенных к телу внешних сил.

Если рассматривать внешнюю кинетическую энергию рабочего тела (скорость тела с>0), что характерно для течения газа (или жидкости), то уравнение термодинамики примет вид:

Это уравнение используется в термодинамики при исследовании процессов устанавливающего течение газа, при котором каждая из точек потока имеет вполне определенные постоянные параметров состояния и скорости. Предполагают, что параметры и скорость меняются от сечения к сечению потока бесконечно мало. Это позволяет считать, что газ последовательно проходит при движении через большое количество непрерывных равновесных состояний, и рассматривать течение как термодинамически равновесное. Если при этом отсутствует трение и теплообмен с внешней средой, то течение газа считают обратимым, а при наличии трения обратимым.

2.  Определения, обозначения и размерности теплоёмкостей.

Истинная теплоёмкость рабочего тела определяется отношением количества подведенного к рабочему телу или отведенного от него в данном термодинамическом процессе теплоты к вызванному этим изменению температуры тела. Здесь имеется ввиду общий случай, т. е. процесс, который сопровождается теплообменом с внешней средой.