Determinarea capacității de căldură izobară a masei aerului. Proprietățile fizice ale aerului: densitatea, vâscozitatea, capacitatea termică specifică Determinarea capacității termice a aerului

Lucrări de laborator № 1

Definiţia mass isobar

capacitatea termică a aerului

Capacitatea termică este căldura care trebuie adăugată unei cantități unitare de substanță pentru a o încălzi cu 1 K. O cantitate unitară de substanță poate fi măsurată în kilograme, metri cubi în condiții fizice normale și kilomoli. Un kilomol de gaz este masa unui gaz exprimată în kilograme, egală numeric cu greutatea sa moleculară. Astfel, există trei tipuri de capacități termice: masa c, J/(kg⋅K); volumetric s′, J/(m3⋅K) și molar, J/(kmol⋅K). Deoarece un kilomol de gaz are o masă de μ ori mai mare decât un kilogram, nu este introdusă o denumire separată pentru capacitatea de căldură molară. Relatii intre capacitatile termice:

unde = 22,4 m3/kmol – volum de kilomol gaz idealîn condiții fizice normale; – densitatea gazului în condiții fizice normale, kg/m3.

Capacitatea termică reală a unui gaz este derivata căldurii în raport cu temperatura:

Căldura furnizată gazului depinde de procesul termodinamic. Poate fi determinat prin prima lege a termodinamicii pentru procesele izocorice și izobare:

Iată căldura furnizată la 1 kg de gaz într-un proces izobaric; – modificarea energiei interne a gazului; – lucrul gazelor împotriva forțelor externe.

În esență, formula (4) formulează prima lege a termodinamicii, din care rezultă ecuația lui Mayer:

Dacă punem = 1 K, atunci , adică sens fizic Constanta de gaz este munca efectuată de 1 kg de gaz într-un proces izobaric atunci când temperatura acestuia se modifică cu 1 K.

Ecuația lui Mayer pentru 1 kilomol de gaz are forma

unde = 8314 J/(kmol⋅K) este constanta universală a gazului.

În plus față de ecuația Mayer, capacitățile termice izobare și izocorice ale gazelor sunt legate între ele prin exponentul adiabatic k (Tabelul 1):

Tabelul 1.1

Valorile exponenților adiabatici pentru gazele ideale

Atomicitatea gazelor

Gaze monoatomice

Gaze diatomice

Gaze tri- și poliatomice

SCOPUL LUCRĂRII

Consolidarea cunoștințelor teoretice privind legile de bază ale termodinamicii. Dezvoltarea practică a metodei de determinare a capacității termice a aerului pe baza bilanţului energetic.

Determinarea experimentală a capacității termice specifice masei aerului și compararea rezultatului obținut cu valoarea de referință.

1.1. Descrierea configurației laboratorului

Instalația (Fig. 1.1) constă dintr-o țeavă de alamă 1 cu diametrul interior d =
= 0,022 m, la capatul caruia se afla un incalzitor electric cu izolatie termica 10. In interiorul conductei se deplaseaza un debit de aer, care este alimentat 3. Debitul de aer poate fi reglat prin modificarea turatiei ventilatorului. Conducta 1 conține un tub de presiune completă 4 și presiune statică în exces 5, care sunt conectate la manometrele 6 și 7. În plus, un termocuplu 8 este instalat în conducta 1, care se poate deplasa de-a lungul secțiunii transversale simultan cu tubul de presiune complet. Mărimea emf a termocuplului este determinată de potențiometrul 9. Încălzirea aerului care se deplasează prin țeavă este reglată folosind un autotransformator de laborator 12 prin modificarea puterii încălzitorului, care este determinată de citirile ampermetrului 14 și voltmetrului 13. Temperatura aerului la ieșirea încălzitorului este determinată de termometrul 15.

1.2. PROCEDURA EXPERIMENTALA

Debitul de căldură al încălzitorului, W:

unde I – curent, A; U – tensiune, V; = 0,96; =
= 0,94 – coeficient de pierdere de căldură.

Fig.1.1. Diagrama de configurare experimentală:

1 – teava; 2 – confuz; 3 – ventilator; 4 – tub pentru măsurarea presiunii dinamice;

5 – conductă; 6, 7 – manometre diferenţiale; 8 – termocuplu; 9 – potențiometru; 10 – izolație;

11 – încălzitor electric; 12 – autotransformator de laborator; 13 – voltmetru;

14 – ampermetru; 15 – termometru

Fluxul de căldură absorbit de aer, W:

unde m – debitul masic de aer, kg/s; – experimentală, capacitatea termică izobară de masă a aerului, J/(kg K); – temperatura aerului la iesirea din sectia de incalzire si la intrarea in aceasta, °C.

Debitul masic de aer, kg/s:

. (1.10)

Aici - viteza medie aer în conductă, m/s; d – diametrul interior al conductei, m; – densitatea aerului la temperatura, care se gaseste prin formula, kg/m3:

, (1.11)

unde = 1,293 kg/m3 – densitatea aerului în condiții fizice normale; B – presiune, mm. rt. Sf; – exces de presiune statică a aerului în conductă, mm. apă Artă.

Vitezele aerului sunt determinate de presiunea dinamică în patru secțiuni egale, m/s:

unde este presiunea dinamică, mm. apă Artă. (kgf/m2); g = 9,81 m/s2 – accelerație de cădere liberă.

Viteza medie a aerului în secțiunea transversală a conductei, m/s:

Capacitatea termică medie izobară a aerului este determinată din formula (1.9), în care fluxul de căldură este substituit din ecuația (1.8). Valoarea exactă a capacității termice a aerului la temperatura medie a aerului se găsește din tabelul capacităților termice medii sau din formula empirică, J/(kg⋅K):

. (1.14)

Eroare relativă a experimentului, %:

. (1.15)

1.3. Efectuarea experimentului și prelucrarea

rezultatele măsurătorilor

Experimentul se desfășoară în următoarea secvență.

1. Standul de laborator este pornit și după stabilirea unui mod staționar, se fac următoarele citiri:

Presiunea dinamică a aerului în patru puncte ale secțiunilor de conducte egale;

Presiune statică excesivă a aerului în conductă;

Curentul I, A și tensiunea U, V;

Temperatura aerului de intrare, °C (termocuplu 8);

Temperatura de iesire, °C (termometru 15);

Presiunea barometrică B, mm. rt. Artă.

Experimentul se repetă pentru următorul mod. Rezultatele măsurătorilor sunt introduse în Tabelul 1.2. Calculele sunt efectuate în tabel. 1.3.

Tabelul 1.2

Masa de masura



Denumirea cantității

Temperatura aerului de intrare, °C

Temperatura aerului de evacuare, °C

Presiunea dinamică a aerului, mm. apă Artă.

Presiune statică excesivă a aerului, mm. apă Artă.

Presiunea barometrică B, mm. rt. Artă.

Tensiunea U, V

Tabelul 1.3

Tabel de calcul

Denumirea cantităților


Presiune dinamică, N/m2

Temperatura medie pe tur la intrare, °C

Energie de transport (transport la rece) Umiditatea aerului. Capacitatea termică și entalpia aerului

Umiditatea aerului. Capacitatea termică și entalpia aerului

Aerul atmosferic este un amestec de aer uscat și vapori de apă (de la 0,2% la 2,6%). Astfel, aerul poate fi aproape întotdeauna considerat umed.

Se numește amestecul mecanic de aer uscat și vapori de apă aer umed sau un amestec aer-abur. Conținutul maxim posibil de umiditate vaporoasă din aer m p.n. depinde de temperatura t si presiune P amestecuri. Când se schimbă tȘi P aerul poate trece de la nesaturat inițial la o stare de saturație cu vapori de apă, iar apoi excesul de umiditate va începe să precipite în volumul de gaz și pe suprafețele înconjurătoare sub formă de ceață, îngheț sau zăpadă.

Principalii parametri care caracterizează starea aerului umed sunt: ​​temperatura, presiunea, volumul specific, conținutul de umiditate, umiditatea absolută și relativă, masa moleculara, constanta de gaz, capacitatea termică și entalpia.

Conform legii lui Dalton pentru amestecurile de gaze presiunea totală a aerului umed (P) este suma presiunilor parțiale ale aerului uscat P c și vaporilor de apă P p: P = P c + P p.

În mod similar, volumul V și masa m de aer umed vor fi determinate de relațiile:

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

DensitateȘi volum specific de aer umed (v) definit:

Greutatea moleculară a aerului umed:

unde B este presiunea barometrică.

Deoarece umiditatea aerului crește continuu în timpul procesului de uscare, iar cantitatea de aer uscat din amestecul de abur-aer rămâne constantă, procesul de uscare este judecat după cum se modifică cantitatea de vapori de apă per 1 kg de aer uscat și toți indicatorii amestecul abur-aer (capacitatea termică, conținutul de umiditate, entalpie și etc.) se referă la 1 kg de aer uscat situat în aer umed.

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

Umiditatea absolută a aerului- masa de abur in 1 m 3 de aer umed. Această valoare este numeric egală cu .

Umiditate relativă - este raportul dintre umiditatea absolută a aerului nesaturat și umiditatea absolută a aerului saturat în condiții date:

aici, dar mai des umiditatea relativă este specificată ca procent.

Pentru densitatea aerului umed este valabilă următoarea relație:

Căldura specifică aer umed:

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

unde c c este capacitatea termică specifică a aerului uscat, c c = 1,0;

c p - capacitatea termică specifică a aburului; cu n = 1,8.

Capacitatea termică a aerului uscat la presiune constantă iar intervalele mici de temperatură (până la 100 o C) pentru calcule aproximative pot fi considerate o constantă egală cu 1,0048 kJ/(kg × °C). Pentru aburul supraîncălzit, capacitatea medie de căldură izobară la presiunea atmosferică și grade scăzute de supraîncălzire poate fi de asemenea considerată constantă și egală cu 1,96 kJ/(kg×K).

Entalpia (i) a aerului umed- acesta este unul dintre principalii săi parametri, care este utilizat pe scară largă în calculele instalațiilor de uscare, în principal pentru a determina căldura consumată la evaporarea umidității din materialele care se usucă. Entalpia aerului umed se referă la un kilogram de aer uscat într-un amestec abur-aer și se determină ca suma entalpiilor aerului uscat și vaporilor de apă, adică

i = i c + i p ×Х, kJ/kg.

La calcularea entalpiei amestecurilor punct de start entalpiile fiecărei componente trebuie să fie aceleași. Pentru calculele aerului umed, putem presupune că entalpia apei este zero la 0 o C, apoi numărăm și entalpia aerului uscat de la 0 o C, adică i in = c în *t = 1,0048t.

Care este necesar pentru modificarea temperaturii fluidului de lucru, în în acest caz,, aer, cu un grad. Capacitatea termică a aerului depinde direct de temperatură și presiune. În același timp, pentru cercetare tipuri diferite pot fi utilizate diferite metode pentru a determina capacitatea termică.

Matematic, capacitatea de căldură a aerului este exprimată ca raportul dintre cantitatea de căldură și creșterea temperaturii sale. Capacitatea termică a unui corp cu masa de 1 kg se numește de obicei căldură specifică. Capacitate de căldură molară aerul este capacitatea termică a unui mol dintr-o substanță. Capacitatea termică este desemnată J/K. Capacitatea termică molară, respectiv, J/(mol*K).

Capacitatea termică poate fi considerată o caracteristică fizică a unei substanțe, în acest caz aerul, dacă măsurarea este efectuată în condiții constante. Cel mai adesea, astfel de măsurători sunt efectuate la presiune constantă. Astfel se determină capacitatea termică izobară a aerului. Crește odată cu creșterea temperaturii și presiunii și este, de asemenea funcție liniară cantități date. În acest caz, schimbarea temperaturii are loc la presiune constantă. Pentru a calcula capacitatea termică izobară, este necesar să se determine temperatura și presiunea pseudocritică. Se determină folosind date de referință.

Capacitatea termică a aerului. Particularități

Aerul este un amestec de gaze. Când le luăm în considerare în termodinamică, se fac următoarele ipoteze. Fiecare gaz din amestec trebuie distribuit uniform pe tot volumul. Astfel, volumul de gaz este egal cu volumul întregului amestec. Fiecare gaz din amestec are propria sa presiune parțială, pe care o exercită pe pereții vasului. Fiecare dintre componente amestec de gaze trebuie să aibă o temperatură egală cu temperatura întregului amestec. În acest caz, suma presiunilor parțiale ale tuturor componentelor este egală cu presiunea amestecului. Calculul capacității termice a aerului se realizează pe baza datelor privind compoziția amestecului de gaze și capacitatea termică a componentelor individuale.

Capacitatea termică caracterizează în mod ambiguu o substanță. Din prima lege a termodinamicii putem concluziona că energia internă a unui corp se modifică nu numai în funcție de cantitatea de căldură primită, ci și de munca efectuată de corp. În diferite condiții ale procesului de transfer de căldură, activitatea corpului poate varia. Astfel, aceeași cantitate de căldură transmisă corpului poate provoca diferite modificări ale temperaturii și energiei interne a corpului. Această caracteristică este tipică numai pentru substanțele gazoase. Spre deosebire de solide și lichide, substanțele gazoase pot schimba foarte mult volumul și pot lucra. De aceea, capacitatea termică a aerului determină natura procesului termodinamic în sine.

Cu toate acestea, la volum constant aerul nu funcționează. Prin urmare, modificarea energiei interne este proporțională cu modificarea temperaturii acesteia. Raportul dintre capacitatea termică într-un proces cu presiune constantă și capacitatea termică într-un proces cu volum constant face parte din formula unui proces adiabatic. Este notat cu litera greacă gamma.

Din istorie

Termenii „capacitate termică” și „cantitate de căldură” nu descriu foarte bine esența lor. Acest lucru se datorează faptului că au venit la stiinta moderna din teoria calorică, care a fost populară în secolul al XVIII-lea. Adepții acestei teorii considerau căldura ca un fel de substanță fără greutate care este conținută în corpuri. Această substanță nu poate fi nici distrusă, nici creată. Răcirea și încălzirea corpurilor s-a explicat prin scăderea sau, respectiv, creșterea conținutului caloric. De-a lungul timpului, această teorie a fost găsită insuportabilă. Ea nu a putut explica de ce aceeași modificare a energiei interne a unui corp se obține atunci când i se transferă diferite cantități de căldură și depinde, de asemenea, de munca efectuată de corp.

Proprietățile fizice de bază ale aerului sunt luate în considerare: densitatea aerului, vâscozitatea sa dinamică și cinematică, căldura specifică, conductivitate termică, difuzivitate termică, număr Prandtl și entropie. Proprietățile aerului sunt date în tabele în funcție de temperatura la presiunea atmosferică normală.

Densitatea aerului in functie de temperatura

Este prezentat un tabel detaliat al valorilor densității aerului uscat la diferite temperaturi și presiunea atmosferică normală. Care este densitatea aerului? Densitatea aerului poate fi determinată analitic prin împărțirea masei sale la volumul pe care îl ocupă.în condiții date (presiune, temperatură și umiditate). De asemenea, puteți calcula densitatea acestuia folosind formula ecuației de stare a gazului ideal. Pentru a face acest lucru, trebuie să cunoașteți presiunea absolută și temperatura aerului, precum și constanta de gaz și volumul molar al acestuia. Această ecuație vă permite să calculați densitatea uscată a aerului.

La practica, pentru a afla care este densitatea aerului la diferite temperaturi, este convenabil să folosiți mese gata făcute. De exemplu, tabelul dat cu valorile densității aerul atmosferic in functie de temperatura acestuia. Densitatea aerului din tabel este exprimată în kilograme pe metru cub și este dată în intervalul de temperatură de la minus 50 la 1200 de grade Celsius la presiunea atmosferică normală (101325 Pa).

Densitatea aerului in functie de temperatura - tabel
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

La 25°C, aerul are o densitate de 1,185 kg/m3. Când este încălzit, densitatea aerului scade - aerul se extinde (volumul său specific crește). Pe măsură ce temperatura crește, de exemplu la 1200°C, se realizează o densitate a aerului foarte scăzută, egală cu 0,239 kg/m3, care este de 5 ori mai mică decât valoarea sa la temperatura camerei. În general, reducerea în timpul încălzirii permite să aibă loc un proces precum convecția naturală și este utilizată, de exemplu, în aeronautică.

Dacă comparăm densitatea aerului în raport cu , atunci aerul este cu trei ordine de mărime mai ușor - la o temperatură de 4°C, densitatea apei este de 1000 kg/m3, iar densitatea aerului este de 1,27 kg/m3. De asemenea, este necesar să se noteze valoarea densității aerului în condiții normale. Condițiile normale pentru gaze sunt cele la care temperatura lor este de 0°C și presiunea este egală cu presiunea atmosferică normală. Astfel, conform tabelului, densitatea aerului în condiții normale (la NL) este de 1,293 kg/m 3.

Vâscozitatea dinamică și cinematică a aerului la diferite temperaturi

La efectuarea calculelor termice este necesar să se cunoască valoarea vâscozității aerului (coeficientul de vâscozitate) la diferite temperaturi. Această valoare este necesară pentru a calcula numerele Reynolds, Grashof și Rayleigh, ale căror valori determină regimul de curgere al acestui gaz. Tabelul prezintă valorile coeficienților dinamici μ și cinematice ν vâscozitatea aerului în intervalul de temperatură de la -50 la 1200°C la presiunea atmosferică.

Coeficientul de vâscozitate al aerului crește semnificativ odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, vâscozitatea cinematică a aerului este egală cu 15,06 10 -6 m 2 /s la o temperatură de 20°C, iar cu o creștere a temperaturii la 1200°C, vâscozitatea aerului devine egală cu 233,7 10 -6 m. 2 /s, adică crește de 15,5 ori! Vâscozitatea dinamică a aerului la o temperatură de 20°C este de 18,1·10 -6 Pa·s.

Când aerul este încălzit, valorile atât cinematice, cât și vascozitate dinamica. Aceste două mărimi sunt legate între ele prin densitatea aerului, a cărei valoare scade atunci când acest gaz este încălzit. O creștere a vâscozității cinematice și dinamice a aerului (precum și a altor gaze) atunci când este încălzit este asociată cu o vibrație mai intensă a moleculelor de aer în jurul stării lor de echilibru (conform MKT).

Vâscozitatea dinamică și cinematică a aerului la diferite temperaturi - tabel
t, °С μ·106, Pa·s v·106, m2/s t, °С μ·106, Pa·s v·106, m2/s t, °С μ·106, Pa·s v·106, m2/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

Notă: Fii atent! Vâscozitatea aerului este dată la puterea lui 10 6 .

Capacitate termică specifică a aerului la temperaturi de la -50 la 1200°C

Este prezentat un tabel cu capacitatea termică specifică a aerului la diferite temperaturi. Capacitatea termică din tabel este dată la presiune constantă (capacitatea termică izobară a aerului) în intervalul de temperatură de la minus 50 la 1200°C pentru aerul în stare uscată. Care este capacitatea termică specifică a aerului? Capacitatea termică specifică determină cantitatea de căldură care trebuie furnizată unui kilogram de aer la presiune constantă pentru a-i crește temperatura cu 1 grad. De exemplu, la 20°C, pentru a încălzi 1 kg din acest gaz cu 1°C într-un proces izobaric, sunt necesari 1005 J de căldură.

Capacitatea termică specifică a aerului crește odată cu creșterea temperaturii. Cu toate acestea, dependența capacității de căldură în masă a aerului de temperatură nu este liniară. În intervalul de la -50 la 120°C, valoarea sa practic nu se modifică - în aceste condiții, capacitatea medie de căldură a aerului este de 1010 J/(kg deg). Conform tabelului, se poate observa că temperatura începe să aibă un efect semnificativ de la o valoare de 130°C. Cu toate acestea, temperatura aerului îi afectează capacitatea termică specifică mult mai puțin decât vâscozitatea. Astfel, atunci când este încălzit de la 0 la 1200°C, capacitatea de căldură a aerului crește de numai 1,2 ori - de la 1005 la 1210 J/(kg grade).

De remarcat faptul că capacitatea termică a aerului umed este mai mare decât cea a aerului uscat. Dacă comparăm aerul, este evident că apa are o valoare mai mare, iar conținutul de apă din aer duce la creșterea capacității termice specifice.

Capacitatea termică specifică a aerului la diferite temperaturi - tabel
t, °С C p , J/(kg grade) t, °С C p , J/(kg grade) t, °С C p , J/(kg grade) t, °С C p , J/(kg grade)
-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

Conductivitate termică, difuzivitate termică, numărul Prandtl de aer

Tabelul prezintă proprietăți fizice ale aerului atmosferic precum conductivitatea termică, difuzibilitatea termică și numărul lui Prandtl în funcție de temperatură. Proprietățile termofizice ale aerului sunt date în intervalul de la -50 la 1200°C pentru aerul uscat. Conform tabelului, se poate observa că proprietățile indicate ale aerului depind în mod semnificativ de temperatură, iar dependența de temperatură a proprietăților considerate ale acestui gaz este diferită.