Обективен:определяне на изобарния топлинен капацитет на въздуха по метода на проточен калориметър.

Упражнение:

Определете експериментално средния обемен изобарен топлинен капацитет на въздуха.

Въз основа на получените експериментални данни изчислете средната маса и моларната изобарна топлинна мощност и средната маса, обем и моларен топлинен капацитет на въздуха.

Определете степента на адиабата за въздуха.

Сравнете получените данни с таблицата.

Дайте оценка на точността на експерименталните данни.

ОСНОВНИ РАЗПОРЕДБИ.

Топлинен капацитет- свойство, показващо колко топлина трябва да се внесе в системата, за да се промени нейната температура с един градус.

В тази формулировка топлинният капацитет има значението на екстензивен параметър, т.е. зависи от количеството материя в системата.

В този случай е невъзможно да се определят количествено топлинните свойства на различните материали, като се сравняват един с друг. За практическа употреба много по-информативен параметър е т.нар специфична топлина.

Специфична топлинапоказва колко топлина трябва да се доведе до единица количество вещество, за да се нагрее с един градус.

В зависимост от единиците, в които се измерва количеството на веществото, има:

специфичен масов топлинен капацитет (C). В системата SI се измерва в

;

Различни видове специфичен топлинен капацитет са свързани помежду си:

,

където
- съответно специфична маса, обемен и моларен топлинен капацитет;

- плътност на газа при нормални физически условия, kg/m 3 ;

- моларна маса на газа, kg/kmol;

- обемът на един киломол идеален газ при нормални физически условия.

V общ случайтоплинният капацитет зависи от температурата, при която е определен.

Топлинният капацитет, определен при дадена температурна стойност, т.е. когато промяната в температурата на системата в даден момент клони към нула
, е наречен истински топлинен капацитет.

Въпреки това, изпълнението на инженерните изчисления на процесите на пренос на топлина е значително опростено, ако приемем, че когато процесът се извършва в диапазона на промяна на температурата на системата от преди топлинният капацитет не зависи от температурата и остава постоянен. В случая т.нар среден топлинен капацитет.

Среден топлинен капацитет
– топлинният капацитет на системата е постоянен в температурния диапазон от преди .

Топлинният капацитет зависи от естеството на процеса на подаване на топлина към системата. При изобарен процес, за да се загрее системата с един градус, е необходимо да се приведе голямо количествотоплина, отколкото при изохорния процес. Това се дължи на факта, че в изобарния процес топлината се изразходва не само за промяна вътрешна енергиясистема, както в изохорния процес, но и за системата да извършва работата по промяна на обема.

В тази връзка разграничете изобарна
и изохорна
топлинен капацитет, а изобарният топлинен капацитет винаги е по-голям от изохорния. Връзката между тези видове топлинен капацитет се определя от формулата на Майер:

където - газова константа, J/(kgdeg).

При практическото приложение на тази формула е необходимо да се внимава по отношение на съответствието на размерите на величините
,
и . V този случай, например, необходимо е да се използва специфичната масова топлинна мощност. Тази формула ще бъде валидна и за други видове специфичен топлинен капацитет, но за да се избегнат грешки в изчисленията, винаги е необходимо да се обръща внимание на съответствието на размерите на количествата, включени във формулата. Например, когато се използва вместо универсална газова константа топлинният капацитет трябва да е специфичен моларен и т.н.

При изотермичен процес цялата топлина, подадена към системата, се изразходва за производство външна работа, докато вътрешната енергия и следователно температурата не се променят. Топлинният капацитет на системата при такъв процес е безкрайно голям. При адиабатен процес температурата на системата се променя без топлообмен с външната среда, което означава, че топлинният капацитет на системата в такъв процес ще бъде нула. Поради тази причина няма понятия за изотермичен или адиабатен топлинен капацитет.

В тази работа се използва методът на проточен калориметър за определяне на топлинния капацитет на въздуха. Схемата на лабораторната настройка е показана на фиг.1.

Фиг. 1. Схема на лабораторния стенд

Въздухът с помощта на вентилатор 1 се подава към калориметъра, който представлява тръба 2, изработена от материал с ниска топлопроводимост и външна топлоизолация 3, необходима за предотвратяване на топлинните загуби в заобикаляща среда. Вътре в калориметъра има електрически нагревател 4. Нагревателят се захранва от променливотоковата мрежа чрез регулатор на напрежението 5. Мощността на електрическия нагревател се измерва с ватметър 6. За измерване на температурата на въздуха на входа към и изхода от калориметър, се използват термодвойки 7, свързани чрез превключвател 8 към уреда за измерване на термо-EMF 9. Въздушният поток през калориметъра се променя от регулатора 10 и се измерва с помощта на поплавък ротаметър 11.

РЕД ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РАБОТАТА.

Вземете първоначалните данни и разрешението на ръководителя за извършване на работата

Включете вентилатора и задайте желания въздушен поток.

Задайте желаната стойност за мощността на електрическия нагревател.

След установяване на стационарен температурен режим (контролиран от показанията на температурния сензор на изхода на калориметъра) се измерват температурата на въздуха на входа и изхода на калориметъра, въздушния поток и мощността на нагревателя. Резултатите от измерването се записват в таблицата с експериментални данни (виж таблица 1).

Маса 1.

Инсталира се нов температурен режими се правят повторни измервания. Измерванията трябва да се извършват в 2, 3 различни режима.

След края на измерванията приведете всички регулаторни органи в първоначалното им състояние и изключете уреда.

Въз основа на резултатите от измерването се определя стойността на средния обемен изобарен топлинен капацитет на въздуха:

където
- количеството топлина, подадено на въздуха в калориметъра, W. Приема се равна на електрическата мощност на нагревателя;

- съответно температурата на въздуха на входа и изхода на калориметъра, К;

- обемен въздушен поток през калориметъра, намален до нормални физически условия, m 3 / s;

За да приведете въздушния поток през калориметъра до нормални условия, използвайте уравнението на състоянието на идеалния газ, написано за нормално физически условияи условия на изпитване:

,

където от лявата страна са параметрите на въздуха на входа на калориметъра, а от дясната страна - при нормални физически условия.

След намиране на стойностите
съответстващи на всеки от изследвани режими, се определя стойността
, което се приема като оценка на експерименталната стойност на топлинния капацитет на въздуха и се използва при по-нататъшни изчисления.

, kJ/kg;

Адиабатният индекс за въздуха се определя въз основа на съотношението

;

Сравнете получените стойности на изобарния и изохорния топлинен капацитет с табличните стойности (вижте Приложение 1) и оценете точността на получените експериментални данни.

Запишете резултатите в таблица 2.

Таблица 2.

КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ.

Какво е топлинен капацитет?

Какви са видовете специфичен топлинен капацитет?

Какъв е средният и истински топлинен капацитет?

Какво се нарича изобарен и изохорен топлинен капацитет? Как са свързани те?

Коя от двете топлинни мощности е по-голяма: C p или C v и защо? Дайте обяснение въз основа на 1-ви закон на термодинамиката.

Особености практическо приложениеФормулата на Майер?

Защо не съществуват понятията за изотермичен и адиабатен топлинен капацитет?

Приложение 1.

Топлинен капацитет на въздуха в зависимост от температурата

ИЗУЧВАНЕ НА ПРОЦЕСА НА АДИАБАТНО ИЗТЪКВАНЕ НА ГАЗ ПРЕЗ РАЗГОВОРНА ДЮЗА.

Обективен: експериментално и теоретично изследване на термодинамичните характеристики на процеса на изтичане на газ от конвергентна дюза.

Упражнение:

1. За даден газ получете зависимостта на действителната скорост на изтичане и дебит от наличната разлика в налягането преди и след дюзата.

ОСНОВНИ РАЗПОРЕДБИ.

Термодинамичното изследване на процесите на движение на газа през каналите е от голямо практическо значение. Основните положения на теорията за изтичане на газ се използват при изчисления на пътя на потока на пара и газови турбини, реактивни двигатели, компресори, пневматични задвижвания и много други технически системи.

Канал с променливо напречно сечение, при преминаване през който газовият поток се разширява с намаляване на налягането и увеличаване на скоростта, се нарича дюза. В дюзите потенциалната енергия на налягането на газа се преобразува в кинетичната енергия на потока. Ако в канала има повишаване на налягането на работния флуид и намаляване на скоростта на неговото движение, тогава такъв канал се нарича дифузьор. При дифузьорите увеличаването на потенциалната енергия на газа се осъществява чрез намаляване на кинетичната му енергия.

За опростяване на теоретичното описание на процеса на изтичане на газ се правят следните допускания:

газта е идеална;

няма вътрешно триене в газа, т.е. вискозитет;

няма необратими загуби в процеса на изтичане;

газовият поток е постоянен и неподвижен, т.е. във всяка точка на напречното сечение на потока скоростта на потока w и параметрите на газовото състояние (p, v, T) са еднакви и не се променят с времето;

потокът е едномерен, т.е. характеристиките на потока се променят само в посоката на потока;

няма топлообмен между потока и външната среда, т.е. процесът на изтичане е адиабатичен.

Теоретичното описание на процеса на изтичане на газ се основава на следните уравнения.

Уравнение на състоянието на идеалния газ

,

където R е газовата константа;

Т- абсолютна температурагазов поток.

Адиабатно уравнение (уравнение на Поасон)

където p е абсолютното налягане на газа;

k е адиабатният показател.

Уравнение за непрекъснатост на потока

където F е площта на напречното сечение на потока;

w е скоростта на потока;

v е специфичният обем газ.

Уравнението на Бернули за компресим работен флуид, като се вземе предвид липсата на вътрешно триене

Това уравнение показва, че с увеличаване на налягането на газа, неговата скорост и кинетичната енергия винаги намаляват, и обратно, с намаляване на налягането, скоростта и кинетичната енергия на газа се увеличават.

Уравнението на 1-ви закон на термодинамиката за потока.

Първият закон на термодинамиката в общия случай има следната форма

,

където
е елементарното количество топлина, подадена към системата;

е елементарна промяна във вътрешната енергия на системата;

- елементарна работапромени в обема, направени от системата.

В случай на подвижна термодинамична система (поток от движещ се газ) част от работата по промяна на обема се изразходва за преодоляване на силите на външното налягане, т.е. за движение на газ. Тази част обща работаНаречен бутаща работа. Останалата част от работата по промяна на обема може да се използва полезно, например, изразходвана за въртене на турбинното колело. Тази част от цялостната работа на системата се нарича налична или техническа работа.

По този начин, в случай на газов поток, работата по промяна на обема се състои от 2 члена - работата по натискане и техническата (налична) работа:

където
- елементарна бутаща работа;

- елементарна техническа работа

Тогава първият закон на термодинамиката за потока ще има формата

,

където
- елементарна промяна в енталпията на системата.

В случай на адиабатен излив

По този начин при адиабатен изтичане, се извършва техническа работа поради загуба на енталпия на газа.

Въз основа на горните допускания за случай на изтичане на газ от съд с неограничен капацитет (в този случай началната скорост на газа
) получени формули за определяне на теоретичната скорост и масов газов поток в изходната част на дюзата:

или

където
- налягане и температура на газа във входната секция на дюзата;

- специфична енталпия на потока, съответно на входа и изхода на дюзата;

- индекс на адиабата;

- газова константа;

- съотношението на наляганията на изхода на дюзата и на входа към дюзата;

- площ на изходната част на дюзата.

Анализът на получените формули показва, че според възприетата теория зависимостите на теоретичната скорост и масовия поток от съотношението на налягането  трябва да имат формата, представена на графиките с криви, обозначени с буквата T (виж фиг. 1 и Фиг. 2). От графиките следва, че според теорията, когато стойностите на  намаляват от 1 до 0, скоростта на изпускане трябва непрекъснато да се увеличава (виж Фиг. 1), а масовият дебит първо се увеличава до определена максимална стойност , а след това трябва да намалее до 0 при = 0 (виж Фиг.2).

Фиг. 1. Зависимост на скоростта на изтичане от съотношението на налягането 

Фиг. 2. Зависимост на масовия поток от съотношението на налягането 

Въпреки това, при експериментално изследване на изтичането на газове от сближаваща се дюза беше установено, че с намаляване на  от 1 до 0, действителната скорост на изтичане и съответно действителният дебит първо се увеличават в пълно съответствие с приетите теория на процеса, но след достигане на максимума на техните стойности с по-нататъшно намаляване на  надолу до 0 остават непроменени

Характерът на тези зависимости е показан на графиките с криви, маркирани с буквата D (виж фиг. 1 и фиг. 2).

Физическо обяснение за несъответствието между теоретичната зависимост и експерименталните данни е предложено за първи път през 1839 г. от френския учен Saint-Venant. Това беше потвърдено от по-нататъшни изследвания. Известно е, че всяко, дори слабо смущение на неподвижна среда, се разпространява в нея със скоростта на звука. При поток, движещ се през дюза към източника на смущение, скоростта на предаване на смущението в дюзата, т.е. срещу посоката на потока ще бъде по-ниска със стойността на скоростта на самия поток. Това е така наречената относителна скорост на разпространение на смущението, която е равна на
. Когато вълната на смущението преминава вътре в дюзата по целия поток, възниква съответно преразпределение на наляганията, резултатът от което според теорията е увеличаване на скоростта на изтичане и газовия поток. При постоянно налягане на газа на входа на дюзата P 1 =const, намаляването на налягането на средата, в която газът тече, съответства на намаляване на стойността на β.

Въпреки това, ако налягането на средата, в която газът тече, намалее до определена стойност, при която скоростта на изтичане на изхода на дюзата стане равна на местната скорост на звука, вълната на смущение няма да може да се разпространява вътре в дюзата, тъй като относителната скорост на неговото разпространение в средата в посока, противоположна на движението, ще бъде равна на нула:

.

В тази връзка не може да се случи преразпределение на налягането в потока по протежение на дюзата и скоростта на изтичане на газ на изхода на дюзата ще остане непроменена и равна на местната скорост на звука. С други думи, потокът сякаш „издухва“ създаденото отвън разреждане от дюзата. Колкото и да не намалява допълнително абсолютното налягане на средата зад дюзата, няма да има по-нататъшно увеличаване на скоростта на изтичане, а оттам и на дебита, т.к. образно казано, според Рейнолдс, „дюзата спира да усеща това, което се случва извън нея“ или, както понякога казват, „дюзата е заключена“. Някаква аналогия с това явление е ситуацията, която понякога може да се наблюдава, когато звукът на гласа на човек е издухан от поток от силен попътен вятър и събеседникът не може да чуе думите му, дори да е много близо, ако вятърът духа от него към високоговорител.

Режимът на изтичане, при който скоростта на изтичане на изхода на дюзата достига местната скорост на звука, се нарича критичен режим.Процент на изтичане , консумация и съотношение на налягането съответстващ този режим, също наричан критичен. Този режим съответства на максималните стойности на скоростта на издишване и скоростта на потока, които могат да бъдат постигнати, когато газът преминава през конвенционална сближаваща се дюза. Съотношението на критичното налягане се определя по формулата

,

където k е степента на адиабата.

Съотношението на критичното налягане зависи само от вида на газа и е постоянно за конкретен газ. Например:

за едноатомни газове k= 1,66 и  до 0,489;

за 2 атомни газа и въздух k= 1,4 и  до 0,528

за 3 и многоатомни газове k=1,3 и  до 0,546.

Така теоретичните зависимости за определяне на скоростта на изтичане и дебита на газа, получени в рамките на приетите допускания, всъщност са валидни само в диапазона от стойности
. За ценности
дебитът и дебитът всъщност остават постоянни и максимални за дадени условия.

Освен това, за реални условия на потока, действителната скорост на изтичане и дебит на газа на изхода на дюзата, дори при стойностите
ще бъдат малко по-ниски от съответните им теоретични стойности. Това се дължи на триенето на струята по стените на дюзата. Температурата на изхода на дюзата е малко по-висока от теоретичната температура. Това се дължи на факта, че част от наличната работа на газовия поток се разсейва и се превръща в топлина, което води до повишаване на температурата.

ОПИСАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНИЯ СТАНД.

Изследването на процеса на изтичане на газ от дюзата се извършва на инсталация, базирана на метода на симулация на реални физически процеси. Инсталацията се състои от компютър, свързан към модел на работната зона, контролен панел и измервателни уреди. Инсталационната схема е показана на фиг.3.

Фиг.3. Схема на инсталация за изследване на процеса на изтичане на газ

Работният участък на инсталацията е тръба, в която е монтирана изследваната събирателна дюза 3 с изходен диаметър d= 1,5 mm. Поток на газ (въздух, въглероден двуокис(CO 2), хелий (He)) през дюзата се създава с помощта на вакуумна помпа 5. Налягането на газа на входа е равно на барометричното налягане (P 1 =B). Дебитът на газа G и дебитът w се регулират от клапана 4. Режимите на работа се определят от вакуума зад дюзата P 3, който се записва на цифров индикатор 6. Дебитът на газа се измерва с помощта на измерване диафрагма с диаметър dd = 5 mm. Спадът на налягането през диафрагмата H се записва на цифровия индикатор 7 и се дублира на екрана на монитора на компютъра. Разреждането P 2 в изходната част на дюзата също се записва на цифровия индикатор 6 и на екрана на монитора. В резултат на калибриране се определя коефициентът на потока на измервателната диафрагма с калибриран отвор = 0,95.

РЕД ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РАБОТАТА.

Включете инсталацията в мрежата, влезте в диалог с програмата експериментвградени в компютъра.

Изберете вида газ за експеримента.

Включи Вакуумна помпа. Това създава вакуум зад клапана 4, който се показва на екрана на монитора.

Чрез постепенно отваряне на клапан 4 се задава минималният вакуум

P 3 = 0,1 атм, което съответства на 1-ви режим. Това стартира потока на газ.

Въведете в протокола на експеримента (Таблица 1) числовите стойности P 3 ,P 2 ,H, фиксирани с помощта на цифрови индикатори 6 и 7.

Извършете измервания на стойностите P 2 ,H за следващите режими, съответстващи на стойностите на вакуума, създаден от вакуумната помпа,

P 3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5…..0,9 при. Въведете резултатите от измерването в таблица 1

Маса 1.

Налягане на газа на входа на дюзата P 1 =B= Pa.

Температурата на газа на входа на дюзата t 1 =C.

	Режим №	Резултати от измерването

ОБРАБОТКА НА РЕЗУЛТАТИТЕ ОТ ИЗМЕРВАНЕ.

Определя се абсолютното налягане на средата P 3 зад дюзата, в която изтича газът

, Па

4.2. Определя се абсолютното налягане на газа P 2 в изходния участък на дюзата

, Па

Действителният масов дебит на газа се определя от величината на спада на налягането H през измервателната диафрагма

, кг/с

където
- дебит на измервателната диафрагма;

- спад на налягането през измервателната диафрагма, Pa;

- плътност на газа, kg/m 3 ;

- барометрично налягане, Pa;

- газова константа, J/(kg∙deg);

- температура на газа, С;

- диаметър на измервателния отвор.

4.4. Тъй като процесът на изтичане е адиабатичен, теоретичната температура на газа T 2 на изхода на дюзата се определя с помощта на известното отношение за адиабатния процес:

4.5. Определя се действителната скорост на изтичане и температура на газа в изходната част на дюзата

, Госпожица;

където - действителен масов дебит на газ, kg/s;

- съответно температурата (K) и налягането (Pa) на газа в изходната част на дюзата;

- площ на изходния участък на дюзата;

- диаметър на изходната част на дюзата.

От друга страна, въз основа на 1-ви закон на термодинамиката за потока

където
- специфична енталпия на газа, съответно на входа и изхода на дюзата, J/kg;

- температура на газа, съответно на входа и изхода на дюзата, K;

- специфичен изобарен топлинен капацитет на газа, J/(kgdeg);

Приравнявайки правилните части на уравнения (17) и (18) и решавайки полученото квадратно уравнение за T 2 , се определя действителната температура на газа в изходния участък на дюзата.

или

,

където
;

;

.

4.6. Определя се теоретичният масов дебит на газа по време на адиабатен изтичане

, kg/s;

където - площ на изходния участък на дюзата, m 2 ;

- абсолютно налягане на газа на входа на дюзата, Pa;

- температура на газа на входа на дюзата, K;

- газова константа, J/(kgdeg);

е индексът на адиабата.

4.7. Определя се теоретичният дебит на газа

където - температура на газа във входната секция на дюзата;

- индекс на адиабата;

- газова константа;

- съотношение на налягането;

- абсолютно налягане на средата, в която се осъществява изтичането на газ, Ра;

- абсолютно налягане на газа на входа на дюзата, Pa.

4.8. Определя се максималният теоретичен дебит на газа
(изтичане в празнотата при P 3 = 0) и локална теоретична скорост на звука (критична скорост)
.

4.9. Резултатите от изчисленията са въведени в таблица 2.

Таблица 2.

Резултати от изчисленията

4.10. В координати
и
се изграждат графики на зависимости и също се изгражда график на зависимости
. Графиките определят стойността на критичното съотношение на налягането ,

което се сравнява с изчисленото

.

4.11. Въз основа на резултатите от изчисленията и графичните конструкции направете заключение за следното:

Как теоретичната скорост на изтичане и дебитът на газа зависят от съотношението на налягането β?

Как действителната скорост на изтичане и дебитът на газа зависят от съотношението на налягането β?

Защо стойностите на действителната скорост на изтичане и дебита на газа са по-ниски от съответните теоретични стойности при същите външни условия?

КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ.

Какви предположения се правят в теоретичното описание на термодинамиката на процеса на изтичане на газ?

Какви основни закони се използват за теоретично описание на процеса на изтичане?

Какви са компонентите на работата, извършена от газовия поток при преминаване през дюзата?

Каква е връзката между енталпията и техническата работа на газовия поток при адиабатен поток?

Какво е режим на критичен поток и как се характеризира?

Как да обясним от физическа гледна точка несъответствието между теоретичните и експерименталните зависимости на скоростта на изтичане и скоростта на потока от ?

Как влияят реални условиявърху скоростта, скоростта на потока и температурата на газа на изхода на дюзата?

Основното физични свойствавъздух: плътност на въздуха, неговата динамичност и кинематичен вискозитет, специфичен топлинен капацитет, топлопроводимост, топлопроводимост, число на Прандт и ентропия. Свойствата на въздуха са дадени в таблиците в зависимост от температурата при нормална атмосферно налягане.

Плътността на въздуха спрямо температурата

Представена е подробна таблица със стойности на плътността на сухия въздух при различни температури и нормално атмосферно налягане. Каква е плътността на въздуха? Плътността на въздуха може да се определи аналитично, като масата му се раздели на обема, който заема.при определени условия (налягане, температура и влажност). Също така е възможно да се изчисли неговата плътност, като се използва уравнението на идеалния газ по формулата на състоянието. За да направите това, трябва да знаете абсолютното налягане и температурата на въздуха, както и неговата газова константа и моларен обем. Това уравнение ви позволява да изчислите плътността на въздуха в сухо състояние.

На практика, за да разберем каква е плътността на въздуха при различни температури, удобно е да използвате готови таблици. Например, дадена таблица със стойности на плътността атмосферен въздухв зависимост от неговата температура. Плътността на въздуха в таблицата е изразена в килограми на кубичен метър и е дадена в температурния диапазон от минус 50 до 1200 градуса по Целзий при нормално атмосферно налягане (101325 Pa).

Плътност на въздуха в зависимост от температурата - табл

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

При 25°C въздухът има плътност от 1,185 kg/m 3 .При нагряване плътността на въздуха намалява - въздухът се разширява (специфичният му обем се увеличава). С повишаване на температурата, например до 1200 ° C, се постига много ниска плътност на въздуха, равна на 0,239 kg / m 3, което е 5 пъти по-малко от стойността му при стайна температура. Като цяло, намаляването на нагряването позволява да се осъществи процес като естествена конвекция и се използва например в аеронавтиката.

Ако сравним плътността на въздуха по отношение на, тогава въздухът е по-лек с три порядъка - при температура 4 ° C, плътността на водата е 1000 kg / m 3, а плътността на въздуха е 1,27 kg / m 3. Също така е необходимо да се отбележи стойността на плътността на въздуха при нормални условия. Нормалните условия за газовете са тези, при които температурата им е 0°C, а налягането е равно на нормалното атмосферно налягане. Така, според таблицата, плътността на въздуха при нормални условия (при NU) е 1,293 kg / m 3.

Динамичен и кинематичен вискозитет на въздуха при различни температури

При извършване на топлинни изчисления е необходимо да се знае стойността на вискозитета на въздуха (коефициента на вискозитет) при различни температури. Тази стойност е необходима за изчисляване на числата на Reynolds, Grashof, Rayleigh, чиито стойности определят режима на потока на този газ. Таблицата показва стойностите на коефициентите на динамика μ и кинематичен ν вискозитет на въздуха в температурния диапазон от -50 до 1200°C при атмосферно налягане.

Вискозитетът на въздуха се увеличава значително с повишаване на температурата.Например, кинематичният вискозитет на въздуха е равен на 15,06 10 -6 m 2 / s при температура 20 ° C, а с повишаване на температурата до 1200 ° C вискозитетът на въздуха става равен на 233,7 10 -6 m 2 / s, тоест се увеличава 15,5 пъти! Динамичният вискозитет на въздуха при температура 20°C е 18,1·10 -6 Pa·s.

Когато въздухът се нагрява, стойностите на кинематичния и динамичния вискозитет се увеличават. Тези две величини са свързани помежду си чрез стойността на плътността на въздуха, чиято стойност намалява при нагряване на този газ. Увеличаването на кинематичния и динамичния вискозитет на въздуха (както и на други газове) по време на нагряване е свързано с по-интензивна вибрация на въздушните молекули около тяхното равновесно състояние (според MKT).

Динамичен и кинематичен вискозитет на въздуха при различни температури - табл

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

Забележка: Бъдете внимателни! Вискозитетът на въздуха е даден на степен 10 6 .

Специфичен топлинен капацитет на въздуха при температури от -50 до 1200°С

Представена е таблица на специфичния топлинен капацитет на въздуха при различни температури. Топлинният капацитет в таблицата е даден при постоянно налягане (изобарен топлинен капацитет на въздуха) в температурния диапазон от минус 50 до 1200°C за сух въздух. Какъв е специфичният топлинен капацитет на въздуха? Стойността на специфичния топлинен капацитет определя количеството топлина, което трябва да се подаде на един килограм въздух при постоянно налягане, за да се увеличи температурата му с 1 градус. Например, при 20°C, за загряване на 1 kg от този газ с 1°C в изобарен процес, са необходими 1005 J топлина.

Специфичният топлинен капацитет на въздуха се увеличава с повишаване на температурата му.Въпреки това, зависимостта на масовия топлинен капацитет на въздуха от температурата не е линейна. В диапазона от -50 до 120°C стойността му практически не се променя - при тези условия средният топлинен капацитет на въздуха е 1010 J/(kg deg). Според таблицата може да се види, че температурата започва да оказва значително влияние от стойност от 130°C. Въпреки това, температурата на въздуха влияе на неговия специфичен топлинен капацитет много по-слабо от неговия вискозитет. Така че, когато се нагрява от 0 до 1200°C, топлинният капацитет на въздуха се увеличава само 1,2 пъти - от 1005 до 1210 J/(kg deg).

Трябва да се отбележи, че топлинният капацитет на влажния въздух е по-висок от този на сухия въздух. Ако сравним въздуха, е очевидно, че водата има по-висока стойност и съдържанието на вода във въздуха води до увеличаване на специфичната топлина.

Специфичен топлинен капацитет на въздуха при различни температури - табл

t, °С	C p , J/(kg deg)	t, °С	C p , J/(kg deg)	t, °С	C p , J/(kg deg)	t, °С	C p , J/(kg deg)
-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

Топлопроводимост, топлопроводимост, число на Прандтл въздух

Таблицата показва такива физични свойства на атмосферния въздух като топлопроводимост, топлопроводимост и неговото число на Прандт в зависимост от температурата. Топлофизичните свойства на въздуха са дадени в диапазона от -50 до 1200°C за сух въздух. От таблицата се вижда, че посочените свойства на въздуха зависят значително от температурата и температурната зависимост на разглежданите свойства на този газ е различна.

Транспортна енергия (студен транспорт) Влажност на въздуха. Топлинен капацитет и енталпия на въздуха

Влажност на въздуха. Топлинен капацитет и енталпия на въздуха

Атмосферният въздух е смес от сух въздух и водна пара (от 0,2% до 2,6%). Така въздухът почти винаги може да се счита за влажен.

Механичната смес от сух въздух и водна пара се нарича влажен въздухили смес въздух/пара. Максимално възможно съдържание на пара влага във въздуха m a.s.зависи от температурата ти налягане Псмеси. Когато се промени ти Пвъздухът може да премине от първоначално ненаситен до състояние на насищане с водна пара, а след това излишната влага ще започне да изпада в обема на газа и върху ограждащите повърхности под формата на мъгла, скреж или сняг.

Основните параметри, характеризиращи състоянието на влажния въздух са: температура, налягане, специфичен обем, съдържание на влага, абсолютна и относителна влажност, молекулна маса, газова константа, топлинен капацитет и енталпия.

Според закона на Далтън за газовите смеси общо налягане на влажния въздух (P)е сумата от парциалните налягания на сух въздух P c и водна пара P p: P \u003d P c + P p.

По същия начин обемът V и масата m на влажен въздух ще се определят от отношенията:

V = V c + V p, m \u003d m c + m p.

Плътности специфичен обем влажен въздух (v)дефиниран:

Молекулно тегло на влажен въздух:

където B е барометричното налягане.

Тъй като влажността на въздуха непрекъснато нараства по време на процеса на сушене, а количеството сух въздух в паровъздушната смес остава постоянно, процесът на сушене се оценява по това как се променя количеството водна пара на 1 kg сух въздух и всички показатели за паровъздушната смес (топлинен капацитет, съдържание на влага, енталпия и др.) се отнася за 1 kg сух въздух във влажен въздух.

d \u003d m p / m c, g / kg, или X = m p / m c.

Абсолютна влажност на въздуха- маса на парата в 1 m 3 влажен въздух. Тази стойност е числено равна на .

Относителна влажност -е съотношението на абсолютната влажност на ненаситения въздух към абсолютната влажност на наситения въздух при дадени условия:

тук , но по-често относителната влажност се дава като процент.

За плътността на влажния въздух съотношението е вярно:

Специфична топлинавлажен въздух:

c \u003d c c + c p ×d / 1000 \u003d c c + c p ×X, kJ / (kg × ° С),

където с c - специфична топлинасух въздух, с c = 1,0;

c p - специфичен топлинен капацитет на парата; с n = 1,8.

Топлинният капацитет на сух въздух при постоянно налягане и малки температурни диапазони (до 100 ° C) за приблизителни изчисления може да се счита за постоянен, равен на 1,0048 kJ / (kg × ° C). За прегрята пара средният изобарен топлинен капацитет при атмосферно налягане и ниски степени на прегряване също може да се приеме за постоянен и равен на 1,96 kJ/(kg×K).

Енталпия (i) на влажен въздух- това е един от основните му параметри, който се използва широко при изчисленията на сушилни инсталации, главно за определяне на топлината, изразходвана за изпаряване на влагата от изсушените материали. Енталпията на влажния въздух е свързана с един килограм сух въздух в смес от пара и въздух и се определя като сума от енталпията на сухия въздух и водната пара, т.е.

i \u003d i c + i p × X, kJ / kg.

При изчисляване на енталпията на смесите, отправната точка за енталпията на всеки от компонентите трябва да бъде една и съща. За изчисления на влажен въздух може да се приеме, че енталпията на водата е нула при 0 o C, тогава енталпията на сухия въздух също се брои от 0 o C, тоест i в \u003d c in * t = 1,0048 т.

Което е необходимо за промяна на температурата на работния флуид, в този случай на въздуха, с един градус. Топлинният капацитет на въздуха е пряко зависим от температурата и налягането. Въпреки това, за изследване различни видовемогат да се използват топлинни мощности различни методи.

Математически топлинният капацитет на въздуха се изразява като съотношението на количеството топлина към увеличението на неговата температура. Топлинният капацитет на тяло с маса 1 kg се нарича специфична топлина. Моларният топлинен капацитет на въздуха е топлинният капацитет на един мол вещество. Топлинният капацитет е посочен - J / K. Моларен топлинен капацитет, съответно, J / (mol * K).

Може да се вземе предвид топлинният капацитет физическа характеристикавсяко вещество, в този случай въздух, ако измерването се извършва при постоянни условия. Най-често такива измервания се извършват при постоянно налягане. Така се определя изобарният топлинен капацитет на въздуха. Увеличава се с повишаване на температурата и налягането и също е линейна функциядадени стойности. В този случай промяната на температурата се извършва при постоянно налягане. За да се изчисли изобарният топлинен капацитет, е необходимо да се определят псевдокритичните температура и налягане. Определя се с помощта на референтни данни.

Топлинен капацитет на въздуха. Особености

Въздухът е газова смес. При разглеждането им в термодинамиката бяха направени следните предположения. Всеки газ в сместа трябва да бъде равномерно разпределен в целия обем. По този начин обемът на газа е равен на обема на цялата смес. Всеки газ в сместа има собствено парциално налягане, което упражнява върху стените на съда. Всеки от компонентите газова сместрябва да има температура, равна на температурата на цялата смес. В същото време сумата парциални наляганияна всички компоненти е равно на налягането на сместа. Топлинният капацитет на въздуха се изчислява въз основа на данни за състава на газовата смес и топлинния капацитет на отделните компоненти.

Топлинният капацитет нееднозначно характеризира дадено вещество. От първия закон на термодинамиката можем да заключим, че вътрешна енергиятялото варира не само в зависимост от количеството получена топлина, но и от работата, извършена от тялото. В различни условияхода на процеса на пренос на топлина, работата на тялото може да варира. По този начин едно и също послание към тялото количество топлина,може да предизвика различни промени в температурата и вътрешната енергия на тялото. Тази характеристика е характерна само за газообразните вещества. За разлика от твърдите и течни тела, газообразни вещества, може значително да промени силата на звука и да свърши работа. Ето защо топлинният капацитет на въздуха определя естеството на термодинамичен процес.

При постоянен обем обаче въздухът не върши работа. Следователно промяната във вътрешната енергия е пропорционална на промяната в нейната температура. Съотношението на топлинния капацитет в процес с постоянно налягане към топлинния капацитет в процес с постоянен обем е част от формулата адиабатен процес.Означава се с гръцката буква гама.

От историята

Термините "топлинен капацитет" и "количество топлина" не описват много добре тяхната същност. Това се дължи на факта, че те дойдоха съвременната наукаот теорията за калоричността, която беше популярна през осемнадесети век. Последователите на тази теория разглеждат топлината като вид невъзможна субстанция, съдържаща се в телата. Това вещество не може нито да бъде унищожено, нито създадено. Охлаждането и нагряването на телата се обясняват съответно с намаляване или увеличаване на калоричното съдържание. С течение на времето тази теория беше призната за несъстоятелна. Тя не можа да обясни защо една и съща промяна във вътрешната енергия на което и да е тяло се получава чрез прехвърляне към него различно количествотоплина, а също така зависи и от работата, извършена от тялото.