Objetivo: determinación de la capacidad calorífica isobárica del aire por el método del calorímetro de flujo.

La tarea:

Determine experimentalmente la capacidad calorífica isobárica volumétrica promedio del aire.

Con base en los datos experimentales obtenidos, calcule las capacidades caloríficas isobáricas de masa y molar promedio y las capacidades caloríficas de masa, volumen y molar promedio del aire.

Determine el exponente adiabático del aire.

Compare los datos obtenidos con la tabla.

Dé una estimación de la precisión de los datos experimentales.

DISPOSICIONES PRINCIPALES.

Capacidad calorífica- una propiedad que muestra cuánto calor debe llevarse al sistema para cambiar su temperatura en un grado.

En esta formulación, la capacidad calorífica tiene el significado de un parámetro extensivo, es decir dependiendo de la cantidad de materia en el sistema.

En este caso, es imposible cuantificar las propiedades térmicas de diferentes materiales comparándolos entre sí. Para uso práctico, un parámetro mucho más informativo es el llamado calor especifico.

Calor especifico muestra cuánto calor debe llevarse a una cantidad unitaria de una sustancia para calentarla en un grado.

Según las unidades en que se mida la cantidad de una sustancia, existen:

capacidad calorífica de masa específica (C). En el sistema SI, se mide en

;

Los diferentes tipos de capacidad calorífica específica están interconectados:

,

donde
- respectivamente, capacidad calorífica específica másica, volumétrica y molar;

- densidad del gas en condiciones físicas normales, kg/m 3 ;

- masa molar del gas, kg/kmol;

- el volumen de un kilomol de un gas ideal en condiciones físicas normales.

EN caso general La capacidad calorífica depende de la temperatura a la que se determina.

La capacidad calorífica determinada a un valor de temperatura dado, es decir cuando el cambio de temperatura del sistema en un momento dado tiende a cero
, se llama capacidad calorífica real.

Sin embargo, el desempeño de los cálculos de ingeniería de los procesos de transferencia de calor se simplifica enormemente si asumimos que cuando el proceso se realiza en el rango de cambio de temperatura del sistema de antes de La capacidad calorífica no depende de la temperatura y permanece constante. En este caso, los llamados capacidad calorífica media.

Capacidad calorífica media
– la capacidad calorífica del sistema es constante en el rango de temperatura de antes de .

La capacidad calorífica depende de la naturaleza del proceso de suministro de calor al sistema. En un proceso isobárico, para calentar el sistema en un grado, es necesario llevar gran cantidad calor que en un proceso isocórico. Esto se debe a que en el proceso isobárico se gasta calor no solo en cambiar energía interna sistema, como en un proceso isocórico, sino también para que el sistema realice el trabajo de cambiar el volumen.

Al respecto, distinguir isobárico
Y isocorico
capacidad calorífica, y la capacidad calorífica isobárica es siempre mayor que la isocórica. La relación entre estos tipos de capacidad calorífica está determinada por la fórmula de Mayer:

donde - constante de gas, J/(kggrado).

En la aplicación práctica de esta fórmula, es necesario tener cuidado con la correspondencia de las dimensiones de las cantidades
,
Y . EN este caso, por ejemplo, es necesario utilizar la capacidad calorífica de masa específica. Esta fórmula también será válida para otros tipos de capacidad calorífica específica, pero para evitar errores de cálculo, siempre es necesario prestar atención a la correspondencia de las dimensiones de las cantidades incluidas en la fórmula. Por ejemplo, cuando se usa en lugar de constante universal de gas la capacidad calorífica debe ser molar específica, etc.

En un proceso isotérmico, todo el calor suministrado al sistema se gasta en hacer trabajo externo, mientras que la energía interna y, en consecuencia, la temperatura no cambia. La capacidad calorífica del sistema en tal proceso es infinitamente grande. En un proceso adiabático, la temperatura del sistema cambia sin intercambio de calor con el ambiente externo, lo que significa que la capacidad calorífica del sistema en tal proceso será cero. Por esta razón no hay conceptos de capacidad calorífica isotérmica o adiabática.

En este trabajo se utiliza el método del calorímetro de flujo para determinar la capacidad calorífica del aire. El diagrama de la configuración del laboratorio se muestra en la Fig.1.

Figura 1. Esquema del stand de laboratorio.

El aire con la ayuda de un ventilador 1 se suministra al calorímetro, que es un tubo 2 hecho de un material con baja conductividad térmica y aislamiento térmico externo 3, necesario para evitar pérdidas de calor en ambiente. Dentro del calorímetro hay un calentador eléctrico 4. El calentador se alimenta de la red de CA a través de un regulador de voltaje 5. La potencia del calentador eléctrico se mide con un vatímetro 6. Para medir la temperatura del aire a la entrada y salida del calorímetro, se usan termopares 7, conectados a través de un interruptor 8 al instrumento para medir termo-EMF 9. El regulador 10 cambia el flujo de aire a través del calorímetro y se mide usando un rotámetro flotante 11.

ORDEN DE EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS.

Obtener los datos iniciales y el permiso del jefe para realizar el trabajo

Encienda el ventilador y configure el flujo de aire deseado.

Configure el valor deseado para la potencia del calentador eléctrico.

Después del establecimiento de un régimen de temperatura estacionario (controlado por las lecturas del sensor de temperatura a la salida del calorímetro), se mide la temperatura del aire a la entrada y salida del calorímetro, el flujo de aire y la potencia del calentador. Los resultados de la medición se registran en la tabla de datos experimentales (ver tabla 1).

Tabla 1.

Se está instalando uno nuevo. régimen de temperatura y se toman medidas repetidas. Las mediciones deben realizarse en 2, 3 modos diferentes.

Después del final de las mediciones, lleve todos los cuerpos reguladores a su estado original y apague la unidad.

Según los resultados de la medición, se determina el valor de la capacidad calorífica isobárica volumétrica promedio del aire:

donde
- la cantidad de calor suministrada al aire en el calorímetro, W. Se toma igual a la potencia eléctrica del calentador;

- respectivamente, la temperatura del aire a la entrada y salida del calorímetro, K;

- flujo de aire volumétrico a través del calorímetro, reducido a condiciones físicas normales, m 3 / s;

Para llevar el flujo de aire a través del calorímetro a condiciones normales, use la ecuación de estado de un gas ideal, escrita para normal condiciones físicas y condiciones de prueba:

,

donde en el lado izquierdo están los parámetros del aire en la entrada del calorímetro, y en el lado derecho, en condiciones físicas normales.

Después de encontrar los valores
correspondiente a cada uno de modos investigados, el valor se determina
, que se toma como una estimación del valor experimental de la capacidad calorífica del aire y se utiliza en cálculos posteriores.

, kJ/kg;

El índice adiabático del aire se determina con base en la relación

;

Compare los valores obtenidos de la capacidad calorífica isobárica e isocórica con los valores tabulares (consulte el Apéndice 1) y evalúe la precisión de los datos experimentales obtenidos.

Registre los resultados en la tabla 2.

Tabla 2.

PREGUNTAS DE PRUEBA.

¿Qué es la capacidad calorífica?

¿Cuáles son los tipos de capacidad calorífica específica?

¿Cuál es la capacidad calorífica media y verdadera?

¿A qué se llama capacidad calorífica isobárica e isocórica? ¿Como están relacionados?

¿Cuál de las dos capacidades caloríficas es mayor: C p o C v y por qué? Dar una explicación sobre la base de la primera ley de la termodinámica.

Peculiaridades aplicación práctica¿La fórmula de Mayer?

¿Por qué no existen los conceptos de capacidad calorífica isotérmica y adiabática?

Anexo 1.

Capacidad calorífica del aire en función de la temperatura.

ESTUDIO DEL PROCESO DE SALIDA ADIABÁTICA DE GAS A TRAVÉS DE UNA BOQUILLA CONVERSANTE.

Objetivo: estudio experimental y teórico de las características termodinámicas del proceso de salida de gas de una tobera convergente.

La tarea:

1. Para un gas dado, obtenga la dependencia de la velocidad de salida real y el caudal de la diferencia de presión disponible antes y después de la boquilla.

DISPOSICIONES PRINCIPALES.

El estudio termodinámico de los procesos de movimiento de gases a través de canales es de gran importancia práctica. Las principales disposiciones de la teoría del flujo de salida de gas se utilizan en los cálculos de la trayectoria del flujo de vapor y turbinas de gas, motores a reacción, compresores, accionamientos neumáticos y muchos otros sistemas técnicos.

Un canal de sección transversal variable, al pasar a través del cual el flujo de gas se expande con presión decreciente y velocidad creciente, se llama boquilla. En las boquillas, la energía potencial de la presión del gas se convierte en la energía cinética del flujo. Si en el canal hay un aumento en la presión del fluido de trabajo y una disminución en la velocidad de su movimiento, ese canal se llama difusor. En los difusores, el aumento de la energía potencial del gas se realiza mediante la reducción de su energía cinética.

Para simplificar la descripción teórica del proceso de salida de gas, se hacen las siguientes suposiciones:

el gas es ideal;

no hay fricción interna en el gas, es decir viscosidad;

no hay pérdidas irreversibles en el proceso de vencimiento;

el flujo de gas es constante y estacionario, es decir en cualquier punto de la sección transversal del flujo, la velocidad del flujo w y los parámetros del estado del gas (p, v, T) son los mismos y no cambian con el tiempo;

el flujo es unidimensional, es decir las características del flujo cambian solo en la dirección del flujo;

no hay intercambio de calor entre el flujo y el ambiente externo, es decir, el proceso de salida es adiabático.

La descripción teórica del proceso de salida de gas se basa en las siguientes ecuaciones.

Ecuación de estado de los gases ideales

,

donde R es la constante de los gases;

T– temperatura absoluta flujo de gas.

Ecuación adiabática (ecuación de Poisson)

donde p es la presión absoluta del gas;

k es el exponente adiabático.

Ecuación de continuidad de flujo

donde F es el área de la sección transversal del flujo;

w es el caudal;

v es el volumen específico de gas.

Ecuación de Bernoulli para un fluido de trabajo comprimible, teniendo en cuenta la ausencia de fricción interna

Esta ecuación muestra que a medida que aumenta la presión de un gas, su velocidad y energía cinética siempre disminuyen, y viceversa, con una disminución de la presión, la velocidad y la energía cinética de un gas aumentan.

La ecuación de la primera ley de la termodinámica para el flujo.

La primera ley de la termodinámica en el caso general tiene la siguiente forma

,

donde
es la cantidad elemental de calor suministrada al sistema;

es un cambio elemental en la energía interna del sistema;

- trabajo elemental cambios de volumen realizados por el sistema.

En el caso de un sistema termodinámico móvil (flujo de un gas en movimiento), parte del trabajo de cambio de volumen se gasta en vencer las fuerzas de presión externa, es decir para el movimiento de gases. Esta parte trabajo comun llamado empujando el trabajo. El resto del trabajo de cambiar el volumen se puede utilizar de manera útil, por ejemplo, gastado en girar la rueda de la turbina. Esta parte de la operación general del sistema se llama trabajo disponible o técnico.

Por lo tanto, en el caso de un flujo de gas, el trabajo de cambiar el volumen consta de 2 términos: el trabajo de empujar y el trabajo técnico (disponible):

donde
- trabajo elemental de empuje;

- trabajo técnico elemental

Entonces la primera ley de la termodinámica para el flujo tendrá la forma

,

donde
- cambio elemental en la entalpía del sistema.

En el caso de un flujo de salida adiabático

Así, en salida adiabática, el trabajo técnico se realiza debido a la pérdida de entalpía del gas.

Con base en las suposiciones anteriores para el caso de salida de gas de un recipiente de capacidad ilimitada (en este caso, la velocidad inicial del gas
) fórmulas obtenidas para determinar la velocidad teórica y flujo másico de gas en la sección de salida de la boquilla:

o

donde
- presión y temperatura del gas en la sección de entrada de la boquilla;

- entalpía específica del flujo, respectivamente, en la entrada y salida de la boquilla;

- índice adiabático;

- constante de gas;

- la relación de presiones a la salida de la boquilla ya la entrada de la boquilla;

- área de la sección de salida de la boquilla.

Un análisis de las fórmulas obtenidas muestra que, de acuerdo con la teoría aceptada, las dependencias de la velocidad teórica y el caudal másico sobre la relación de presiones deberían tener la forma representada en los gráficos por curvas marcadas con la letra T (ver Fig. 1 y Figura 2). De los gráficos se deduce que, según la teoría, a medida que los valores de  disminuyen de 1 a 0, la velocidad de escape debe aumentar continuamente (ver Fig. 1), y la tasa de flujo de masa primero aumenta hasta un cierto valor máximo , y luego debería disminuir hasta 0 en = 0 (ver Fig.2).

Fig 1. Dependencia del caudal de salida de la relación de presión 

Fig. 2. Dependencia del caudal másico de la relación de presión 

Sin embargo, en un estudio experimental de la salida de gases de una tobera convergente, se encontró que con una disminución de  de 1 a 0, la velocidad de salida real y, en consecuencia, el caudal real aumentan primero de acuerdo con el estándar aceptado. teoría del proceso, pero después de alcanzar el máximo de sus valores con una nueva disminución de  hasta 0 permanecen sin cambios

La naturaleza de estas dependencias se muestra en los gráficos mediante curvas marcadas con la letra D (ver Fig. 1 y Fig. 2).

Una explicación física para la discrepancia entre la dependencia teórica y los datos experimentales fue propuesta por primera vez en 1839 por el científico francés Saint-Venant. Fue confirmado por investigaciones posteriores. Se sabe que cualquiera, incluso una débil perturbación de un medio estacionario, se propaga en él a la velocidad del sonido. En un flujo que se mueve a través de una tobera hacia la fuente de la perturbación, la velocidad de transmisión de la perturbación a la tobera, es decir contra la dirección del flujo será menor por el valor de la velocidad del flujo mismo. Esta es la denominada velocidad relativa de propagación de la perturbación, que es igual a
. Cuando la onda de perturbación pasa por el interior de la tobera a lo largo de todo el caudal, se produce una correspondiente redistribución de la presión, cuyo resultado, según la teoría, es un aumento de la velocidad de salida y del caudal de gas. A una presión de gas constante en la entrada de la tobera P 1 = constante, una disminución en la presión del medio en el que fluye el gas corresponde a una disminución en el valor de β.

Sin embargo, si la presión del medio en el que fluye el gas disminuye a un cierto valor, en el que la velocidad de salida en la salida de la boquilla se vuelve igual a la velocidad local del sonido, la onda de perturbación no podrá propagarse dentro de la boquilla, ya que la velocidad relativa de su propagación en el medio en sentido contrario al del movimiento, será igual a cero:

.

En este sentido, no puede ocurrir la redistribución de la presión en el flujo a lo largo de la boquilla, y la velocidad de salida del gas en la salida de la boquilla permanecerá sin cambios e igual a la velocidad local del sonido. En otras palabras, el flujo, por así decirlo, "expulsa" la rarefacción creada desde el exterior de la boquilla. No importa cuánto no disminuya más la presión absoluta del medio detrás de la boquilla, no habrá más aumento en la velocidad del flujo de salida y, por lo tanto, en el caudal, porque hablando en sentido figurado, según Reynolds, "la boquilla deja de sentir lo que sucede fuera de ella" o, como dicen a veces, "la boquilla está bloqueada". Una analogía con este fenómeno es la situación que a veces se puede observar cuando el sonido de la voz de una persona es arrastrado por una corriente de fuerte viento en contra y el interlocutor no puede escuchar sus palabras, incluso estando muy cerca, si el viento sopla desde él hacia el altavoz.

El modo de salida, en el que la velocidad de salida en la salida de la tobera alcanza la velocidad local del sonido, se llama modo crítico. Tasa de caducidad , consumo y relación de presión correspondiente este régimen, también llamado crítico. Este régimen corresponde a los valores máximos de caudal y caudal, que se pueden alcanzar cuando el gas fluye a través de una tobera convergente convencional. La relación de presión crítica está determinada por la fórmula

,

donde k es el exponente adiabático.

La relación de presión crítica depende únicamente del tipo de gas y es constante para un gas en particular. Por ejemplo:

para gases monoatómicos k= 1.66 y  a 0.489;

para 2 gases atómicos y aire k= 1,4 y  a 0,528

para 3 y gases poliatómicos k=1.3 y  a 0.546.

Por lo tanto, las dependencias teóricas para determinar la velocidad del flujo de salida y el caudal de gas, obtenidas en el marco de los supuestos aceptados, son de hecho válidas solo en el rango de valores
. por valores
la tasa de flujo y el flujo realmente permanecen constantes y máximos para condiciones dadas.

Además, para condiciones de caudal real, la velocidad de salida real y el caudal de gas en la salida de la boquilla, incluso en los valores
será algo inferior a sus correspondientes valores teóricos. Esto se debe a la fricción del chorro contra las paredes de la boquilla. La temperatura a la salida de la tobera es algo superior a la temperatura teórica. Esto se debe a que parte del trabajo disponible del flujo de gas se disipa y se convierte en calor, lo que provoca un aumento de la temperatura.

DESCRIPCIÓN DEL STAND DE LABORATORIO.

El estudio del proceso de salida de gases por la tobera se realiza sobre una instalación basada en el método de simulación de procesos físicos. La instalación consta de un PC conectado a una maqueta del área de trabajo, un panel de control e instrumentos de medida. El diagrama de instalación se muestra en la Fig.3.

Fig. 3. Esquema de una instalación para el estudio del proceso de salida de gases.

La sección de trabajo de la instalación es un tubo en el que se instala la tobera convergente 3 estudiada con un diámetro de salida d= 1,5 mm. Flujo de gas (aire, dióxido de carbono(CO 2), helio (He)) a través de la boquilla se crea utilizando una bomba de vacío 5. La presión del gas en la entrada es igual a la presión barométrica (P 1 =B). El caudal de gas G y el caudal w están regulados por la válvula 4. Los modos de funcionamiento están determinados por el vacío detrás de la boquilla P 3, que se registra en el indicador digital 6. El caudal de gas se mide utilizando un medidor diafragma con un diámetro dd = 5 mm. La caída de presión a través del diafragma H se registra en el indicador digital 7 y se duplica en la pantalla del monitor de la PC. La rarefacción P 2 en la sección de salida de la boquilla también se registra en el indicador digital 6 y en la pantalla del monitor. El coeficiente de flujo del diafragma de medición con un orificio calibrado = 0,95 se determina como resultado de la calibración.

ORDEN DE EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS.

Encienda la instalación en la red, entre en un diálogo con el programa experimentar incrustado en la computadora.

Seleccione el tipo de gas para el experimento.

Encender Bomba aspiradora. Esto crea un vacío detrás de la válvula 4, que se muestra en la pantalla del monitor.

Al abrir gradualmente la válvula 4, se establece el vacío mínimo

P 3 = 0,1 atm, que corresponde al 1er modo. Esto inicia el flujo de gas.

Ingresar en el protocolo del experimento (Tabla 1) los valores numéricos P 3 ,P 2 ,H, fijados por medio de los indicadores digitales 6 y 7.

Realice mediciones de los valores P 2 ,H para modos posteriores correspondientes a los valores del vacío creado por la bomba de vacío,

P3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0.5…..0.9 a. Introduzca los resultados de la medición en la tabla 1

Tabla 1.

Presión de gas en la entrada de la boquilla P 1 =B= Pa.

La temperatura del gas en la entrada de la boquilla t 1 =C.

	Nº de modo	Resultados de la medición

PROCESAMIENTO DE RESULTADOS DE MEDICIÓN.

La presión absoluta del medio P 3 detrás de la boquilla en la que fluye el gas se determina

, papá

4.2. La presión de gas absoluta P 2 en la sección de salida de la boquilla se determina

, papá

El caudal másico real de gas está determinado por la magnitud de la caída de presión H a través del diafragma de medición

, kg/s

donde
- caudal del diafragma de medición;

- caída de presión a través del diafragma de medición, Pa;

- densidad del gas, kg/m 3 ;

- presión barométrica, Pa;

- constante de gas, J/(kg∙deg);

- temperatura del gas, С;

- diámetro de la apertura de medición.

4.4. Dado que el proceso de flujo de salida es adiabático, la temperatura teórica del gas T 2 a la salida de la boquilla se determina usando la relación conocida para el proceso adiabático:

4.5. La velocidad real de la expiración se determina y temperatura del gas en la sección de salida de la boquilla

, Sra;

donde - caudal másico real de gas, kg/s;

- respectivamente, la temperatura (K) y la presión (Pa) del gas en la sección de salida de la boquilla;

- área de la sección de salida de la boquilla;

- diámetro de la sección de salida de la boquilla.

Por otro lado, con base en la 1ra ley de la termodinámica para el flujo

donde
- entalpía específica del gas, respectivamente, a la entrada ya la salida de la tobera, J/kg;

- temperatura del gas, respectivamente, a la entrada y salida de la boquilla, K;

- capacidad calorífica isobárica específica del gas, J/(kgdeg);

Igualando los lados derechos de las ecuaciones (17) y (18), y resolviendo la ecuación cuadrática resultante para T2, se determina la temperatura real del gas en la sección de salida de la boquilla.

o

,

donde
;

;

.

4.6. Se determina el caudal másico teórico de gas durante el flujo de salida adiabático

, kg/s;

donde - área de la sección de salida de la boquilla, m 2 ;

- presión absoluta del gas a la entrada de la tobera, Pa;

- temperatura del gas a la entrada de la boquilla, K;

- constante de gas, J/(kggrado);

es el índice adiabático.

4.7. El caudal de gas teórico se determina

donde - temperatura del gas en la sección de entrada de la boquilla;

- índice adiabático;

- constante de gas;

- proporción de presión;

- presión absoluta del medio en el que se produce la salida de gas, Pa;

- presión absoluta del gas en la entrada de la boquilla, Pa.

4.8. El caudal de gas teórico máximo se determina
(flujo hacia el vacío en P 3 = 0) y velocidad teórica local del sonido (velocidad crítica)
.

4.9. Los resultados del cálculo se ingresan en la tabla 2.

Tabla 2.

Resultados de cálculo

4.10. en coordenadas
Y
se construyen gráficos de dependencia, y también se construye un gráfico de dependencia
. Los gráficos determinan el valor de la relación de presión crítica ,

que se compara con el calculado

.

4.11. Con base en los resultados de los cálculos y construcciones gráficas, llegue a una conclusión sobre lo siguiente:

¿Cómo dependen la velocidad teórica del flujo de salida y el caudal de gas de la relación de presión β?

¿Cómo dependen la velocidad real del flujo de salida y el caudal de gas de la relación de presión β?

¿Por qué los valores de la velocidad de salida real y el caudal de gas son inferiores a los valores teóricos correspondientes en las mismas condiciones externas?

PREGUNTAS DE PRUEBA.

¿Qué suposiciones se hacen en la descripción teórica de la termodinámica del proceso de salida del gas?

¿Qué leyes básicas se utilizan para describir teóricamente el proceso de salida?

¿Cuáles son los componentes del trabajo realizado por el flujo de gas cuando fluye a través de la boquilla?

¿Cuál es la relación entre la entalpía y el trabajo técnico de un flujo de gas en un flujo de salida adiabático?

¿Qué es un régimen de flujo crítico y cómo se caracteriza?

¿Cómo explicar desde un punto de vista físico la discrepancia entre las dependencias teóricas y experimentales de la velocidad de salida y el caudal de ?

¿Cómo influyen condiciones reales de la velocidad, caudal y temperatura del gas a la salida de la boquilla?

El principal propiedades físicas aire: densidad del aire, su dinámica y viscosidad cinemática, capacidad calorífica específica, conductividad térmica, difusividad térmica, número de Prandtl y entropía. Las propiedades del aire se dan en las tablas dependiendo de la temperatura en condiciones normales presión atmosférica.

Densidad del aire versus temperatura

Se presenta una tabla detallada de los valores de densidad del aire seco a varias temperaturas y presión atmosférica normal. ¿Cuál es la densidad del aire? La densidad del aire se puede determinar analíticamente dividiendo su masa por el volumen que ocupa. en determinadas condiciones (presión, temperatura y humedad). También es posible calcular su densidad utilizando la fórmula de la ecuación de estado de los gases ideales. Para hacer esto, necesita conocer la presión y temperatura absolutas del aire, así como su constante de gas y volumen molar. Esta ecuación le permite calcular la densidad del aire en estado seco.

En la práctica, para saber cual es la densidad del aire a diferentes temperaturas, es conveniente utilizar tablas preparadas. Por ejemplo, la tabla dada de valores de densidad aire atmosférico dependiendo de su temperatura. La densidad del aire en la tabla se expresa en kilogramos por metro cúbico y se da en el rango de temperatura de menos 50 a 1200 grados Celsius a presión atmosférica normal (101325 Pa).

Densidad del aire en función de la temperatura - tabla

t, °С	r, kg / m 3	t, °С	r, kg / m 3	t, °С	r, kg / m 3	t, °С	r, 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

A 25°C, el aire tiene una densidad de 1,185 kg/m 3 . Cuando se calienta, la densidad del aire disminuye: el aire se expande (aumenta su volumen específico). Con un aumento de la temperatura, por ejemplo, hasta 1200 °C, se logra una densidad del aire muy baja, igual a 0,239 kg/m 3 , que es 5 veces menor que su valor en temperatura ambiente. En general, la reducción del calentamiento permite que se produzca un proceso como la convección natural y se utiliza, por ejemplo, en aeronáutica.

Si comparamos la densidad del aire con respecto a, entonces el aire es más liviano en tres órdenes de magnitud: a una temperatura de 4 ° C, la densidad del agua es 1000 kg / m 3 y la densidad del aire es 1.27 kg / m 3. También es necesario anotar el valor de la densidad del aire en condiciones normales. Las condiciones normales de los gases son aquellas en las que su temperatura es de 0 °C, y la presión es igual a la presión atmosférica normal. Así, según la tabla, la densidad del aire en condiciones normales (en NU) es de 1.293 kg / m 3.

Viscosidad dinámica y cinemática del aire a diferentes temperaturas.

Al realizar cálculos térmicos, es necesario conocer el valor de la viscosidad del aire (coeficiente de viscosidad) a diferentes temperaturas. Este valor es necesario para calcular los números de Reynolds, Grashof, Rayleigh, cuyos valores determinan el régimen de flujo de este gas. La tabla muestra los valores de los coeficientes de dinámica. μ y cinemática ν viscosidad del aire en el rango de temperatura de -50 a 1200°C a presión atmosférica.

La viscosidad del aire aumenta significativamente con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, la viscosidad cinemática del aire es igual a 15.06 10 -6 m 2 / s a ​​una temperatura de 20 ° C, y con un aumento de temperatura a 1200 ° C, la viscosidad del aire se vuelve igual a 233.7 10 -6 m 2 / s, es decir, ¡aumenta 15,5 veces! La viscosidad dinámica del aire a una temperatura de 20°C es de 18,1·10 -6 Pa·s.

Cuando se calienta el aire, aumentan los valores de viscosidad tanto cinemática como dinámica. Estas dos cantidades están interconectadas a través del valor de la densidad del aire, cuyo valor disminuye cuando se calienta este gas. Un aumento en la viscosidad cinemática y dinámica del aire (así como de otros gases) durante el calentamiento está asociado con una vibración más intensa de las moléculas de aire alrededor de su estado de equilibrio (según el MKT).

Viscosidad dinámica y cinemática del aire a diferentes temperaturas - tabla

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

Nota: ¡Cuidado! La viscosidad del aire se da a la potencia de 10 6 .

Capacidad calorífica específica del aire a temperaturas de -50 a 1200°С

Se presenta una tabla de la capacidad calorífica específica del aire a varias temperaturas. La capacidad calorífica de la tabla se da a presión constante (capacidad calorífica isobárica del aire) en el rango de temperatura de menos 50 a 1200°C para aire seco. ¿Cuál es la capacidad calorífica específica del aire? El valor de la capacidad calorífica específica determina la cantidad de calor que debe suministrarse a un kilogramo de aire a presión constante para aumentar su temperatura en 1 grado. Por ejemplo, a 20°C, para calentar 1 kg de este gas en 1°C en un proceso isobárico, se requieren 1005 J de calor.

La capacidad calorífica específica del aire aumenta a medida que aumenta su temperatura. Sin embargo, la dependencia de la capacidad calorífica másica del aire con la temperatura no es lineal. En el rango de -50 a 120°C, su valor prácticamente no cambia - bajo estas condiciones, la capacidad calorífica promedio del aire es 1010 J/(kg grado). De acuerdo con la tabla, se puede observar que la temperatura comienza a tener un efecto significativo a partir de un valor de 130°C. Sin embargo, la temperatura del aire afecta su capacidad calorífica específica mucho más débilmente que su viscosidad. Entonces, cuando se calienta de 0 a 1200 °C, la capacidad calorífica del aire aumenta solo 1,2 veces, de 1005 a 1210 J/(kg grado).

Cabe señalar que la capacidad calorífica del aire húmedo es mayor que la del aire seco. Si comparamos el aire, es obvio que el agua tiene un valor más alto y el contenido de agua en el aire conduce a un aumento del calor específico.

Capacidad calorífica específica del aire a diferentes temperaturas - tabla

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

Conductividad térmica, difusividad térmica, número de Prandtl del aire

La tabla muestra propiedades físicas del aire atmosférico como la conductividad térmica, la difusividad térmica y su número de Prandtl según la temperatura. Las propiedades termofísicas del aire se dan en el rango de -50 a 1200°C para aire seco. De acuerdo con la tabla, se puede ver que las propiedades indicadas del aire dependen significativamente de la temperatura y la dependencia de la temperatura de las propiedades consideradas de este gas es diferente.

Transporte de energía (transporte frío) Humedad del aire. Capacidad calorífica y entalpía del aire.

Humedad del aire. Capacidad calorífica y entalpía del aire.

El aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua (del 0,2 % al 2,6 %). Por lo tanto, el aire casi siempre puede considerarse húmedo.

La mezcla mecánica de aire seco y vapor de agua se llama aire húmedo o mezcla aire/vapor. El contenido máximo posible de humedad vaporosa en el aire. m a.s. dependiente de la temperatura t y presión PAGS mezclas cuando cambia t Y PAGS el aire puede pasar de un estado inicialmente no saturado a un estado de saturación con vapor de agua, y luego el exceso de humedad comenzará a caer en el volumen de gas y en las superficies circundantes en forma de niebla, escarcha o nieve.

Los principales parámetros que caracterizan el estado del aire húmedo son: temperatura, presión, volumen específico, contenido de humedad, humedad absoluta y relativa, masa molecular, constante de gas, capacidad calorífica y entalpía.

Según la ley de Dalton para mezclas de gases presión total aire húmedo (P) es la suma de las presiones parciales del aire seco P c y el vapor de agua P p: P \u003d P c + P p.

De manera similar, el volumen V y la masa m de aire húmedo estarán determinados por las relaciones:

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

Densidad Y volumen específico de aire húmedo (v) definido:

Peso molecular del aire húmedo:

donde B es la presión barométrica.

Dado que la humedad del aire aumenta continuamente durante el proceso de secado y la cantidad de aire seco en la mezcla de vapor y aire permanece constante, el proceso de secado se juzga por cómo cambia la cantidad de vapor de agua por 1 kg de aire seco y todos los indicadores de la mezcla vapor-aire (capacidad calorífica, contenido de humedad, entalpía, etc.) se refiere a 1 kg de aire seco en aire húmedo.

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

Humedad absoluta del aire- masa de vapor en 1 m 3 de aire húmedo. Este valor es numéricamente igual a .

Humedad relativa - es la relación entre la humedad absoluta del aire no saturado y la humedad absoluta del aire saturado en condiciones dadas:

aquí, pero más a menudo la humedad relativa se da como un porcentaje.

Para la densidad del aire húmedo, la relación es verdadera:

Calor especifico aire húmedo:

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

donde con c - calor especifico aire seco, con c = 1,0;

c p - capacidad calorífica específica del vapor; con n = 1,8.

La capacidad calorífica del aire seco a presión constante y pequeños rangos de temperatura (hasta 100 °C) para cálculos aproximados puede considerarse constante, igual a 1,0048 kJ/(kg × °C). Para el vapor sobrecalentado, también se puede suponer que la capacidad calorífica isobárica promedio a presión atmosférica y grados bajos de sobrecalentamiento es constante e igual a 1,96 kJ/(kg×K).

Entalpía (i) del aire húmedo- este es uno de sus parámetros principales, que se usa ampliamente en los cálculos de las instalaciones de secado, principalmente para determinar el calor gastado en la evaporación de la humedad de los materiales secos. La entalpía del aire húmedo está relacionada con un kilogramo de aire seco en una mezcla aire-vapor y se define como la suma de las entalpías del aire seco y el vapor de agua, es decir

i \u003d i c + i p × X, kJ / kg.

Al calcular la entalpía de mezclas, el punto de partida de referencia para las entalpías de cada uno de los componentes debe ser el mismo. Para los cálculos del aire húmedo, se puede suponer que la entalpía del agua es cero a 0 o C, luego la entalpía del aire seco también se cuenta desde 0 o C, es decir, i en \u003d c en * t \u003d 1.0048 t.

Lo cual es necesario para cambiar la temperatura del fluido de trabajo, en este caso, el aire, en un grado. La capacidad calorífica del aire depende directamente de la temperatura y la presión. Sin embargo, para la investigación diferentes tipos Se pueden utilizar capacidades caloríficas varios métodos.

Matemáticamente, la capacidad calorífica del aire se expresa como la relación entre la cantidad de calor y el incremento de su temperatura. La capacidad calorífica de un cuerpo que tiene una masa de 1 kg se llama calor específico. La capacidad calorífica molar del aire es la capacidad calorífica de un mol de una sustancia. Se indica la capacidad calorífica - J / K. Capacidad de calor molar, respectivamente, J / (mol * K).

La capacidad calorífica se puede considerar característica física cualquier sustancia, en este caso aire, si la medida se realiza en condiciones constantes. Muy a menudo, tales mediciones se llevan a cabo a presión constante. Así es como se determina la capacidad calorífica isobárica del aire. Aumenta con el aumento de la temperatura y la presión, y también es función lineal valores dados. En este caso, el cambio de temperatura se produce a presión constante. Para calcular la capacidad calorífica isobárica, es necesario determinar la temperatura y la presión pseudocríticas. Se determina utilizando datos de referencia.

Capacidad calorífica del aire. Peculiaridades

El aire es una mezcla de gases. Al considerarlos en termodinámica, se hicieron las siguientes suposiciones. Cada gas en la mezcla debe distribuirse uniformemente en todo el volumen. Por lo tanto, el volumen del gas es igual al volumen de toda la mezcla. Cada gas de la mezcla tiene su propia presión parcial, que ejerce sobre las paredes del recipiente. Cada uno de los componentes mezcla de gases debe tener una temperatura igual a la temperatura de toda la mezcla. Al mismo tiempo, la cantidad presiones parciales de todos los componentes es igual a la presión de la mezcla. El cálculo de la capacidad calorífica del aire se realiza sobre la base de los datos sobre la composición de la mezcla de gases y la capacidad calorífica de los componentes individuales.

La capacidad calorífica caracteriza ambiguamente a una sustancia. De la primera ley de la termodinámica podemos concluir que energía interna cuerpo varía no sólo en función de la cantidad de calor recibido, sino también en el trabajo realizado por el cuerpo. En varias condiciones el curso del proceso de transferencia de calor, el trabajo del cuerpo puede variar. Así, el mismo mensaje al cuerpo cantidad de calor, puede causar diversos cambios en la temperatura y la energía interna del cuerpo. Esta característica es característica solo para sustancias gaseosas. A diferencia de duro y cuerpos liquidos, sustancias gaseosas, puede cambiar mucho el volumen y trabajar. Es por eso que la capacidad calorífica del aire determina la naturaleza del proceso termodinámico.

Sin embargo, a un volumen constante, el aire no realiza trabajo. Por lo tanto, el cambio en la energía interna es proporcional al cambio en su temperatura. La relación entre la capacidad calorífica en un proceso a presión constante y la capacidad calorífica en un proceso a volumen constante es parte de la fórmula proceso adiabático. Se denota con la letra griega gamma.

de la historia

Los términos "capacidad calorífica" y "cantidad de calor" no describen muy bien su esencia. Esto se debe al hecho de que vinieron a ciencia moderna de la teoría del calórico, que fue popular en el siglo XVIII. Los seguidores de esta teoría consideraban el calor como una especie de sustancia imponderable contenida en los cuerpos. Esta sustancia no se puede destruir ni crear. El enfriamiento y calentamiento de los cuerpos se explicaba por una disminución o aumento del contenido calórico, respectivamente. Con el tiempo, esta teoría fue reconocida como insostenible. No pudo explicar por qué se obtiene el mismo cambio en la energía interna de cualquier cuerpo transfiriéndole cantidad diferente calor, y también depende del trabajo realizado por el cuerpo.