Tikslas: oro izobarinės šiluminės talpos nustatymas srauto kalorimetro metodu.

Užduotis:

Eksperimentiškai nustatykite vidutinę tūrinę izobarinę oro šiluminę talpą.

Remdamiesi gautais eksperimentiniais duomenimis, apskaičiuokite vidutines masės ir molines izobarines šilumos talpas bei vidutines oro masės, tūrio ir molines šilumos talpas.

Nustatykite oro adiabatinį eksponentą.

Palyginkite gautus duomenis su lentele.

Pateikite eksperimentinių duomenų tikslumo įvertinimą.

PAGRINDINĖS NUOSTATOS.

Šilumos talpa- savybė, rodanti, kiek šilumos reikia atnešti į sistemą, kad jos temperatūra pasikeistų vienu laipsniu.

Šioje formulėje šiluminė talpa turi plataus parametro reikšmę, t.y. priklauso nuo medžiagos kiekio sistemoje.

Šiuo atveju neįmanoma kiekybiškai įvertinti skirtingų medžiagų šiluminių savybių lyginant jas tarpusavyje. Praktiniam naudojimui daug informatyvesnis parametras yra vadinamasis specifinė šiluma.

Specifinė šiluma parodo, kiek šilumos reikia atnešti iki vienetinio medžiagos kiekio, kad ji įkaistų vienu laipsniu.

Priklausomai nuo vienetų, kuriais matuojamas medžiagos kiekis, yra:

savitoji masės šiluminė talpa (C). SI sistemoje jis matuojamas

;

Skirtingi specifinės šiluminės galios tipai yra tarpusavyje sujungti:

,

kur
- atitinkamai savitoji masė, tūrinė ir molinė šiluminė talpa;

- dujų tankis normaliomis fizinėmis sąlygomis, kg/m 3 ;

- molinė dujų masė, kg/kmol;

- vieno kilomolio idealių dujų tūris įprastomis fizinėmis sąlygomis.

IN bendras atvejisšiluminė talpa priklauso nuo temperatūros, kurioje ji nustatoma.

Šilumos talpa, nustatyta esant tam tikrai temperatūros vertei, t.y. kai sistemos temperatūros pokytis tam tikru metu linkęs į nulį
, vadinamas tikroji šiluminė talpa.

Tačiau šilumos perdavimo procesų inžinerinių skaičiavimų atlikimas labai supaprastėja, jei darome prielaidą, kad kai procesas vykdomas sistemos temperatūros pokyčio diapazone nuo prieš šilumos talpa nepriklauso nuo temperatūros ir išlieka pastovi. Šiuo atveju vadinamasis vidutinė šiluminė galia.

Vidutinė šilumos talpa
– sistemos šiluminė galia pastovi temperatūrų diapazone nuo prieš .

Šilumos galia priklauso nuo šilumos tiekimo į sistemą proceso pobūdžio. Izobariniame procese, norint pašildyti sistemą vienu laipsniu, reikia atvesti didelis kiekisšilumos nei izochoriniame procese. Taip yra dėl to, kad izobariniame procese šiluma eikvojama ne tik keisti vidinė energija sistema, kaip ir izochoriniame procese, bet ir tam, kad sistema atliktų garsumo keitimo darbą.

Šiuo atžvilgiu išskirkite izobarinis
Ir izochorinis
šiluminė talpa, o izobarinė šiluminė talpa visada didesnė už izochorinę. Ryšys tarp šių šilumos talpos tipų nustatomas pagal Mayer formulę:

kur - dujų konstanta, J/(kgdeg).

Praktiškai taikant šią formulę, reikia būti atsargiems dėl kiekių matmenų atitikimo
,
Ir . IN Ši byla, pavyzdžiui, reikia naudoti specifinę masės šiluminę galią. Ši formulė galios ir kitoms specifinės šiluminės galios rūšims, tačiau norint išvengti skaičiavimo klaidų, visada reikia atkreipti dėmesį į į formulę įtrauktų kiekių matmenų atitikimą. Pavyzdžiui, kai naudojamas vietoj universali dujų konstanta šiluminė talpa turi būti specifinė molinė ir kt.

Izoterminio proceso metu visa į sistemą tiekiama šiluma išleidžiama gamybai išorinis darbas, o vidinė energija ir atitinkamai temperatūra nesikeičia. Sistemos šiluminė talpa tokiame procese yra be galo didelė. Adiabatiniame procese sistemos temperatūra keičiasi be šilumos mainų su išorine aplinka, o tai reiškia, kad sistemos šiluminė talpa tokiame procese bus lygi nuliui. Dėl šios priežasties izoterminės ar adiabatinės šiluminės talpos sąvokų nėra.

Šiame darbe oro šiluminei talpai nustatyti taikomas srauto kalorimetro metodas. Laboratorijos įrengimo schema parodyta 1 pav.

1 pav. Laboratorinio stendo schema

Oras ventiliatoriaus 1 pagalba tiekiamas į kalorimetrą, kuris yra vamzdis 2, pagamintas iš mažo šilumos laidumo medžiagos ir išorinės šilumos izoliacijos 3, reikalingos šilumos nuostoliams išvengti. aplinką. Kalorimetro viduje yra elektrinis šildytuvas 4. Šildytuvas maitinamas iš kintamosios srovės tinklo per įtampos reguliatorių 5. Elektrinio šildytuvo galia matuojama vatmetru 6. Oro temperatūrai matuoti prie įleidimo ir išėjimo iš šildytuvo. kalorimetras, naudojamos termoporos 7, per jungiklį 8 prijungtos prie termo-EMF 9 matavimo prietaiso. Oro srautas per kalorimetrą keičiamas reguliatoriumi 10 ir matuojamas plūdiniu rotametru 11.

DARBŲ ATLIKIMO TVARKA.

Gaukite pirminius duomenis ir vadovo leidimą atlikti darbą

Įjunkite ventiliatorių ir nustatykite norimą oro srautą.

Nustatykite norimą elektrinio šildytuvo galios vertę.

Nustačius stacionarų temperatūros režimą (valdomas temperatūros jutiklio rodmenimis kalorimetro išėjimo angoje), matuojama oro temperatūra kalorimetro įėjimo ir išleidimo angoje, oro srautas ir šildytuvo galia. Matavimo rezultatai įrašomi į eksperimentinių duomenų lentelę (žr. 1 lentelę).

1 lentelė.

Įrengiamas naujas temperatūros režimas ir atliekami pakartotiniai matavimai. Matavimai turi būti atliekami 2, 3 skirtingais režimais.

Pasibaigus matavimams, nustatykite visas reguliavimo institucijas į pradinę būseną ir išjunkite įrenginį.

Remiantis matavimo rezultatais, nustatoma oro vidutinės tūrinės izobarinės šiluminės talpos vertė:

kur
- kalorimetre į orą tiekiamos šilumos kiekis, W. Jis imamas lygus šildytuvo elektros galiai;

- atitinkamai oro temperatūra kalorimetro įleidimo ir išleidimo angose, K;

- tūrinis oro srautas per kalorimetrą, sumažintas iki normalių fizinių sąlygų, m 3 / s;

Norėdami sureguliuoti oro srautą per kalorimetrą iki normalių sąlygų, naudokite idealių dujų būsenos lygtį, parašytą normalioms fizines sąlygas ir bandymo sąlygos:

,

kur kairėje pusėje yra oro parametrai kalorimetro įleidimo angoje, o dešinėje - normaliomis fizinėmis sąlygomis.

Suradę reikšmes
atitinkantis kiekvieną iš tiriami režimai, nustatoma reikšmė
, kuris imamas kaip oro šiluminės talpos eksperimentinės vertės įvertinimas ir naudojamas tolesniuose skaičiavimuose.

, kJ/kg;

Oro adiabatinis indeksas nustatomas pagal santykį

;

Palyginkite gautas izobarinės ir izochorinės šiluminės talpos vertes su lentelės reikšmėmis (žr. 1 priedą) ir įvertinkite gautų eksperimentinių duomenų tikslumą.

Įrašykite rezultatus į 2 lentelę.

2 lentelė.

TESTO KLAUSIMAI.

Kas yra šiluminė talpa?

Kokie yra specifinės šilumos talpos tipai?

Kokia yra vidutinė ir tikroji šilumos talpa?

Kas vadinama izobarine ir izochorine šilumos talpa? Kaip jie susiję?

Kuris iš dviejų šiluminių pajėgumų yra didesnis: C p ar C v ir kodėl? Pateikite paaiškinimą remiantis 1-uoju termodinamikos dėsniu.

Ypatumai praktinis pritaikymas Mayerio formulė?

Kodėl neegzistuoja izoterminės ir adiabatinės šilumos talpos sąvokos?

1 priedas.

Oro šiluminė talpa priklausomai nuo temperatūros

TYRIMAS ADIABATINIO DUJŲ NUTEKĖJIMO PER KONVERSINGĄ PANTAKTĮ PROCESO.

Tikslas: eksperimentinis ir teorinis dujų ištekėjimo iš konverguojančio purkštuko termodinaminių charakteristikų tyrimas.

Užduotis:

1. Nustatykite tam tikrų dujų faktinio ištekėjimo greičio ir srauto priklausomybę nuo esamo slėgio skirtumo prieš ir už purkštuko.

PAGRINDINĖS NUOSTATOS.

Didelę praktinę reikšmę turi termodinaminis dujų judėjimo kanalais procesų tyrimas. Pagrindinės dujų nutekėjimo teorijos nuostatos naudojamos skaičiuojant garo tėkmės kelią ir dujų turbinos, reaktyviniai varikliai, kompresoriai, pneumatinės pavaros ir daugelis kitų techninių sistemų.

Kintamo skerspjūvio kanalas, kuriuo eidamas dujų srautas plečiasi mažėjant slėgiui ir didėjant greičiui, vadinamas antgalis. Purkštukuose potenciali dujų slėgio energija paverčiama srauto kinetine energija. Jei kanale padidėja darbinio skysčio slėgis ir sumažėja jo judėjimo greitis, tada toks kanalas vadinamas difuzorius. Difuzoriuose dujų potencialios energijos didinimas atliekamas mažinant jų kinetinę energiją.

Siekiant supaprastinti teorinį dujų nutekėjimo proceso aprašymą, daromos šios prielaidos:

dujos yra idealios;

dujose nėra vidinės trinties, t.y. klampumas;

pasibaigus galiojimo laikui nėra negrįžtamų nuostolių;

dujų srautas yra pastovus ir nejudantis, t.y. bet kuriame srauto skerspjūvio taške srauto greitis w ir dujų būsenos parametrai (p, v, T) yra vienodi ir laikui bėgant nekinta;

srautas yra vienmatis, t.y. srauto charakteristikos keičiasi tik tekėjimo kryptimi;

tarp srauto ir išorinės aplinkos nevyksta šilumos mainai, t.y. nutekėjimo procesas yra adiabatinis.

Teorinis dujų nutekėjimo proceso aprašymas grindžiamas šiomis lygtimis.

Idealiųjų dujų būsenos lygtis

,

kur R yra dujų konstanta;

T- absoliuti temperatūra dujų srautas.

Adiabatinė lygtis (Puasono lygtis)

čia p yra absoliutus dujų slėgis;

k yra adiabatinis eksponentas.

Srauto tęstinumo lygtis

kur F yra srauto skerspjūvio plotas;

w yra srauto greitis;

v yra specifinis dujų tūris.

Bernulio lygtis suspaudžiamam darbiniam skysčiui, atsižvelgiant į vidinės trinties nebuvimą

Ši lygtis rodo, kad didėjant dujų slėgiui, jų greitis ir kinetinė energija visada mažėja, ir atvirkščiai, mažėjant slėgiui, didėja dujų greitis ir kinetinė energija.

1-ojo termodinamikos dėsnio tėkmės lygtis.

1-asis termodinamikos dėsnis bendruoju atveju turi tokią formą

,

kur
yra elementarus į sistemą tiekiamos šilumos kiekis;

yra elementarus sistemos vidinės energijos pokytis;

- elementarus darbas sistemos atlikti garsumo pakeitimai.

Esant mobiliai termodinaminei sistemai (judančių dujų srautui), dalis tūrio keitimo darbo skiriama išorinio slėgio jėgoms įveikti, t.y. dujų judėjimui. Ši dalis bendras darbas paskambino stumdomas darbas. Likusį tūrio keitimo darbą galima panaudoti naudingai, pavyzdžiui, sukant turbinos ratą. Ši bendros sistemos veikimo dalis vadinama turimas arba techninis darbas.

Taigi, esant dujų srautui, tūrio keitimo darbas susideda iš 2 terminų - stūmimo darbo ir techninio (turimo) darbo:

kur
- elementarus stūmimo darbas;

- elementarus techninis darbas

Tada 1-asis srauto termodinamikos dėsnis turės formą

,

kur
- elementarus sistemos entalpijos pokytis.

Adiabatinio nutekėjimo atveju

Taigi, val adiabatinis nutekėjimas, atliekami techniniai darbai dėl dujų entalpijos praradimo.

Remiantis aukščiau pateiktomis prielaidomis dujų ištekėjimo iš neribotos talpos indo atveju (šiuo atveju pradinis dujų greitis
) gautos teorinio greičio nustatymo formulės ir masinis dujų srautas antgalio išėjimo dalyje:

arba

kur
- dujų slėgis ir temperatūra purkštuko įleidimo dalyje;

- specifinė srauto entalpija, atitinkamai, purkštuko įleidimo angoje ir purkštuko išleidimo angoje;

- adiabatinis indeksas;

- dujų konstanta;

- slėgių purkštuko išleidimo angoje ir įleidimo angoje santykis su antgaliu;

- purkštuko išleidimo dalies plotas.

Gautų formulių analizė rodo, kad pagal priimtą teoriją teorinio greičio ir masės srauto priklausomybės nuo slėgio santykio  turėtų turėti formą, kuri diagramose vaizduojama kreivėmis, pažymėtomis raide T (žr. 1 pav. ir 2 pav.). Iš grafikų matyti, kad, remiantis teorija,  reikšmėms mažėjant nuo 1 iki 0, išmetamųjų dujų greitis turėtų nuolat didėti (žr. 1 pav.), o masės srautas pirmiausia didėja iki tam tikros didžiausios vertės. , o tada turėtų sumažėti iki 0, kai = 0 (žr. 2 pav.).

1 pav. Ištekėjimo greičio priklausomybė nuo slėgio santykio 

2 pav. Masės srauto priklausomybė nuo slėgio santykio 

Tačiau eksperimentinio dujų nutekėjimo iš susiliejančio purkštuko tyrimo metu buvo nustatyta, kad sumažėjus  nuo 1 iki 0, tikrasis nutekėjimo greitis ir atitinkamai tikrasis srauto greitis pirmiausia didėja visiškai laikantis priimtų reikalavimų. proceso teoriją, tačiau pasiekus maksimalias jų vertes toliau mažėjant  iki 0 lieka nepakitusios

Šių priklausomybių pobūdis diagramose parodytas kreivėmis, pažymėtomis D raide (žr. 1 pav. ir 2 pav.).

Fizinį paaiškinimą dėl neatitikimo tarp teorinės priklausomybės ir eksperimentinių duomenų 1839 m. pirmą kartą pasiūlė prancūzų mokslininkas Saint-Venant. Tai patvirtino tolesni tyrimai. Yra žinoma, kad joje garso greičiu sklinda bet koks, net ir silpnas nejudančios terpės trikdymas. Sraute, judančiame purkštuku link trikdžių šaltinio, trikdžių perdavimo į purkštuką greitis, t.y. prieš srauto kryptį bus mažesnis paties srauto greičio verte. Tai yra vadinamasis santykinis trikdymo sklidimo greitis, kuris yra lygus
. Kai perturbacijos banga praeina purkštuko viduje per visą srautą, įvyksta atitinkamas slėgių persiskirstymas, kurio rezultatas, remiantis teorija, yra ištekėjimo greičio ir dujų srauto padidėjimas. Esant pastoviam dujų slėgiui purkštuko įleidimo angoje P 1 =const, terpės, į kurią teka dujos, slėgio sumažėjimas atitinka β vertės sumažėjimą.

Tačiau jei terpės, į kurią teka dujos, slėgis sumažės iki tam tikros vertės, kuriai esant ištekėjimo greitis purkštuko išleidimo angoje tampa lygus vietiniam garso greičiui, perturbacijos banga negalės sklisti purkštuko viduje, kadangi santykinis jo sklidimo greitis terpėje judėjimui priešinga kryptimi bus lygus nuliui:

.

Šiuo atžvilgiu slėgis sraute išilgai purkštuko negali pasiskirstyti, o dujų nutekėjimo greitis purkštuko išleidimo angoje išliks nepakitęs ir lygus vietiniam garso greičiui. Kitaip tariant, srautas iš antgalio tarsi „išpučia“ iš išorės sukurtą retumą. Nesvarbu, kiek absoliutus terpės slėgis už purkštuko toliau nemažės, ištekėjimo greitis, taigi ir srauto greitis, toliau nepadidės, nes vaizdžiai tariant, pasak Reynoldso, „purkštukas nustoja jausti, kas vyksta už jo ribų“ arba, kaip kartais sakoma, „purkštukas užrakintas“. Tam tikra šio reiškinio analogija yra situacija, kurią kartais galima pastebėti, kai žmogaus balso garsą nupučia stiprus priešinis vėjas ir pašnekovas negirdi jo žodžių, net būdamas labai arti, jei vėjas pučia nuo jo link. garsiakalbis.

Ištekėjimo režimas, kai ištekėjimo greitis ties purkštuko išėjimu pasiekia vietinį garso greitį, vadinamas kritinis režimas. Galiojimo laikas , vartojimas ir slėgio santykis atitinkamas šis režimas, taip pat vadinama kritiškas. Šis režimas atitinka didžiausias iškvėpimo greičio ir srauto greičio vertes, kurias galima pasiekti, kai dujos teka per įprastą susiliejantį antgalį. Kritinis slėgio santykis nustatomas pagal formulę

,

kur k yra adiabatinis eksponentas.

Kritinis slėgio santykis priklauso tik nuo dujų rūšies ir yra pastovus tam tikroms dujoms. Pavyzdžiui:

vienatominėms dujoms k= 1,66 ir  iki 0,489;

2 atomų dujoms ir orui k= 1,4 ir  iki 0,528

3 ir daugiaatomėms dujoms k=1,3 ir  iki 0,546.

Taigi teorinės priklausomybės nutekėjimo greičiui ir dujų srautui nustatyti, gautos remiantis priimtomis prielaidomis, iš tikrųjų galioja tik reikšmių diapazone.
. Dėl vertybių
debitas ir srautas iš tikrųjų išlieka pastovūs ir didžiausi tam tikromis sąlygomis.

Be to, esant tikroms srauto sąlygoms, tikrasis ištekėjimo greitis ir dujų srauto greitis purkštuko išleidimo angoje, net esant tokioms vertėms
bus šiek tiek mažesnės nei atitinkamos teorinės vertės. Taip yra dėl purkštuko trinties į purkštuko sieneles. Temperatūra purkštuko išleidimo angoje yra šiek tiek aukštesnė už teorinę temperatūrą. Taip yra dėl to, kad dalis turimo dujų srauto darbo yra išsklaidoma ir paverčiama šiluma, dėl ko pakyla temperatūra.

LABORATORIJOS STOVANO APRAŠAS.

Dujų nutekėjimo iš purkštuko proceso tyrimas atliekamas įrenginyje, pagrįstu tikrojo modeliavimo metodu. fiziniai procesai. Įrenginys susideda iš kompiuterio, prijungto prie darbo zonos modelio, valdymo pulto ir matavimo prietaisų. Montavimo schema parodyta 3 pav.

3 pav. Dujų nutekėjimo proceso tyrimo įrenginio schema

Darbinė instaliacijos dalis yra vamzdis, kuriame sumontuotas tirtas konverguojantis antgalis 3, kurio išėjimo skersmuo d= 1,5 mm. Dujų srautas (oras, anglies dvideginis(CO 2), helis (He)) per antgalį sukuriamas naudojant vakuuminį siurblį 5. Dujų slėgis įleidimo angoje lygus barometriniam slėgiui (P 1 =B). Dujų srautas G ir debitas w reguliuojamas vožtuvu 4. Darbo režimus lemia vakuumas už purkštuko P 3, kuris registruojamas skaitmeniniame indikatoriuje 6. Dujų srautas matuojamas naudojant matavimo prietaisą. diafragma, kurios skersmuo dd = 5 mm. Slėgio kritimas diafragmoje H užfiksuojamas skaitmeniniame indikatoriuje 7 ir dubliuojamas kompiuterio monitoriaus ekrane. Retėjimas P 2 antgalio išleidimo dalyje taip pat užfiksuojamas skaitmeniniame indikatoriuje 6 ir monitoriaus ekrane. Matavimo diafragmos su kalibruota anga = 0,95 srauto koeficientas nustatomas kalibravimo rezultatu.

DARBŲ ATLIKIMO TVARKA.

Įjunkite diegimą tinkle, užmegzkite dialogą su programa eksperimentasįdėta į kompiuterį.

Pasirinkite dujų rūšį eksperimentui.

Įjungti Vakuuminis siurblys. Taip už vožtuvo 4 susidaro vakuumas, kuris rodomas monitoriaus ekrane.

Palaipsniui atidarant vožtuvą 4, nustatomas minimalus vakuumas

P 3 = 0,1 atm, tai atitinka 1 režimą. Tai pradeda dujų srautą.

Į eksperimento protokolą (1 lentelė) įveskite skaitines reikšmesP 3 ,P 2 ,H, fiksuotas skaitmeniniais indikatoriais 6 ir 7.

Atlikite P 2 ,H verčių matavimus kitiems režimams, atitinkantiems vakuuminio siurblio sukurto vakuumo reikšmes,

P 3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5…0,9 val. Įveskite matavimo rezultatus į 1 lentelę

1 lentelė.

Dujų slėgis purkštuko įleidimo angoje P 1 =B= Pa.

Dujų temperatūra purkštuko įleidimo angoje t 1 =C.

	Režimas Nr.	Matavimo rezultatai

MATAVIMO REZULTATŲ APDOROJIMAS.

Nustatomas absoliutus terpės P 3 slėgis už purkštuko, į kurį išteka dujos

, Pa

4.2. Nustatomas absoliutus dujų slėgis P 2 purkštuko išleidimo dalyje

, Pa

Tikrasis dujų masės srautas nustatomas pagal slėgio kritimo H dydį matavimo diafragmoje

, kg/s

kur
- matavimo diafragmos srautas;

- slėgio kritimas matavimo diafragmoje, Pa;

- dujų tankis, kg/m 3;

- barometrinis slėgis, Pa;

- dujų konstanta, J/(kg∙deg);

- dujų temperatūra, С;

- matavimo angos skersmuo.

4.4. Kadangi ištekėjimo procesas yra adiabatinis, teorinė dujų temperatūra T 2 ties purkštuko išėjimu nustatoma naudojant žinomą adiabatinio proceso ryšį:

4.5. Nustatomas tikrasis iškvėpimo greitis ir dujų temperatūra antgalio išėjimo dalyje

, m/s;

kur - faktinis dujų masės srautas, kg/s;

- atitinkamai dujų temperatūra (K) ir slėgis (Pa) purkštuko išleidimo dalyje;

- purkštuko išleidimo dalies plotas;

- purkštuko išleidimo angos skersmuo.

Kita vertus, remiantis 1-uoju tėkmės termodinamikos dėsniu

kur
- specifinė dujų entalpija, atitinkamai, purkštuko įleidimo ir išleidimo angoje, J/kg;

- dujų temperatūra, atitinkamai, purkštuko įleidimo ir išleidimo angoje, K;

- savitoji izobarinė dujų šiluminė talpa, J/(kgdeg);

Sulyginus teisingas (17) ir (18) lygčių dalis ir išsprendus gautą kvadratinę T 2 lygtį, nustatoma faktinė dujų temperatūra antgalio išleidimo dalyje.

arba

,

kur
;

;

.

4.6. Nustatomas teorinis dujų masės srautas adiabatinio nutekėjimo metu

, kg/s;

kur - purkštuko išleidimo sekcijos plotas, m 2;

- absoliutus dujų slėgis purkštuko įleidimo angoje, Pa;

- dujų temperatūra purkštuko įleidimo angoje, K;

- dujų konstanta, J/(kgdeg);

yra adiabatinis indeksas.

4.7. Nustatomas teorinis dujų srauto greitis

kur - dujų temperatūra antgalio įleidimo dalyje;

- adiabatinis indeksas;

- dujų konstanta;

- slėgio santykis;

- absoliutus terpės, į kurią nuteka dujos, slėgis, Pa;

- absoliutus dujų slėgis purkštuko įleidimo angoje, Pa.

4.8. Nustatomas didžiausias teorinis dujų srautas
(ištekėjimas į tuštumą esant P 3 = 0) ir vietinis teorinis garso greitis (kritinis greitis)
.

4.9. Skaičiavimo rezultatai įrašyti 2 lentelėje.

2 lentelė.

Skaičiavimo rezultatai

4.10. Koordinatėse
Ir
sudaromi priklausomybių grafikai, taip pat sukuriamas priklausomybės grafikas
. Grafikai nustato kritinio slėgio santykio reikšmę ,

kuris lyginamas su apskaičiuotu

.

4.11. Remdamiesi skaičiavimų ir grafinių konstrukcijų rezultatais, padarykite išvadą apie:

Kaip teorinis ištekėjimo greitis ir dujų srautas priklauso nuo slėgio santykio β?

Kaip tikrasis ištekėjimo greitis ir dujų srautas priklauso nuo slėgio santykio β?

Kodėl tikrojo ištekėjimo greičio ir dujų srauto vertės yra mažesnės nei atitinkamos teorinės vertės tomis pačiomis išorinėmis sąlygomis?

TESTO KLAUSIMAI.

Kokios prielaidos daromos teoriniame dujų nutekėjimo proceso termodinamikos aprašyme?

Kokie pagrindiniai dėsniai naudojami teoriškai apibūdinti nutekėjimo procesą?

Kokie yra dujų srauto, tekančio pro antgalį, atliekamo darbo komponentai?

Koks ryšys tarp entalpijos ir techninio dujų srauto veikimo adiabatiniame ištekėjime?

Kas yra kritinio srauto režimas ir kaip jis apibūdinamas?

Kaip fiziniu požiūriu paaiškinti ištekėjimo greičio ir srauto greičio teorinių ir eksperimentinių priklausomybių nuo  neatitikimą?

Kaip jie daro įtaką realiomis sąlygomis apie dujų greitį, srautą ir temperatūrą purkštuko išleidimo angoje?

Pagrindinis fizines savybes oras: oro tankis, jo dinamika ir kinematinis klampumas, savitoji šiluminė talpa, šilumos laidumas, šiluminis difuziškumas, Prandtl skaičius ir entropija. Oro savybės pateiktos lentelėse, priklausomai nuo temperatūros esant normaliai Atmosferos slėgis.

Oro tankis ir temperatūra

Pateikiama išsami sauso oro tankio verčių esant įvairioms temperatūroms ir normaliam atmosferos slėgiui lentelė. Koks oro tankis? Oro tankį galima analitiškai nustatyti padalijus jo masę iš jo užimamo tūrio. tam tikromis sąlygomis (slėgis, temperatūra ir drėgmė). Taip pat galima apskaičiuoti jo tankį naudojant būsenos formulės idealiųjų dujų lygtį. Norėdami tai padaryti, turite žinoti absoliutų oro slėgį ir temperatūrą, taip pat jo dujų konstantą ir molinį tūrį. Ši lygtis leidžia apskaičiuoti oro tankį sausoje būsenoje.

Praktikoje, išsiaiškinti, koks yra oro tankis esant skirtingoms temperatūroms, patogu naudoti jau paruoštas lenteles. Pavyzdžiui, pateikta tankio verčių lentelė atmosferos oras priklausomai nuo jo temperatūros. Oro tankis lentelėje išreiškiamas kilogramais kubiniame metre ir pateikiamas temperatūros intervale nuo minus 50 iki 1200 laipsnių Celsijaus esant normaliam atmosferos slėgiui (101325 Pa).

Oro tankis priklausomai nuo temperatūros – lentelė

t, °С	ρ, kg/m3	t, °С	ρ, kg/m3	t, °С	ρ, kg/m3	t, °С	ρ, kg/m3
-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

25°C temperatūroje oro tankis yra 1,185 kg/m 3 . Kaitinant mažėja oro tankis – oras plečiasi (padidėja savitasis tūris). Padidėjus temperatūrai, pavyzdžiui, iki 1200 ° C, pasiekiamas labai mažas oro tankis, lygus 0,239 kg / m 3, o tai yra 5 kartus mažesnis už jo vertę esant kambario temperatūra. Apskritai, šildymo sumažėjimas leidžia vykti tokiam procesui kaip natūrali konvekcija ir naudojamas, pavyzdžiui, aeronautikoje.

Jei palyginsime oro tankį, tada oras yra lengvesnis trimis dydžiais - esant 4 ° C temperatūrai, vandens tankis yra 1000 kg / m 3, o oro tankis - 1,27 kg / m 3. Taip pat būtina atkreipti dėmesį į oro tankio vertę normaliomis sąlygomis. Normalios dujų sąlygos yra tokios, kai jų temperatūra yra 0 ° C, o slėgis lygus normaliam atmosferos slėgiui. Taigi, pagal lentelę, oro tankis normaliomis sąlygomis (esant NU) yra 1,293 kg / m 3.

Dinaminis ir kinematinis oro klampumas esant skirtingoms temperatūroms

Atliekant šiluminius skaičiavimus, būtina žinoti oro klampos reikšmę (klampumo koeficientą) esant skirtingoms temperatūroms. Ši vertė reikalinga norint apskaičiuoti Reynoldso, Grashofo, Rayleigh skaičius, kurių reikšmės lemia šių dujų srauto režimą. Lentelėje parodytos dinaminių koeficientų reikšmės μ ir kinematinis ν oro klampumas temperatūros intervale nuo -50 iki 1200°C esant atmosferos slėgiui.

Oro klampumas žymiai padidėja didėjant temperatūrai. Pavyzdžiui, oro kinematinė klampumas yra lygus 15,06 10 -6 m 2 / s esant 20 ° C temperatūrai, o temperatūrai pakilus iki 1200 ° C, oro klampumas tampa lygus 233,7 10 -6 m 2 / s, tai yra, jis padidėja 15,5 karto! Oro dinaminis klampumas esant 20°C temperatūrai yra 18,1·10 -6 Pa·s.

Kaitinamas oras, didėja tiek kinematinės, tiek dinaminės klampos reikšmės. Šie du dydžiai yra tarpusavyje susiję per oro tankio vertę, kurios vertė mažėja kaitinant šias dujas. Oro (kaip ir kitų dujų) kinematinės ir dinaminės klampos padidėjimas kaitinant yra susijęs su intensyvesne oro molekulių vibracija aplink jų pusiausvyros būseną (pagal MKT).

Dinaminis ir kinematinis oro klampumas esant skirtingoms temperatūroms - lentelė

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

Pastaba: Būkite atsargūs! Oro klampumas pateikiamas laipsniu 10 6 .

Savitoji oro šiluminė talpa esant temperatūrai nuo -50 iki 1200°С

Pateikiama oro savitosios šiluminės talpos įvairiomis temperatūromis lentelė. Lentelėje pateikta šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui (izobarinė oro šiluminė talpa) temperatūrų intervale nuo minus 50 iki 1200°C sausam orui. Kokia yra specifinė oro šiluminė talpa? Savitosios šiluminės galios reikšmė nustato šilumos kiekį, kuris turi būti tiekiamas vienam kilogramui pastovaus slėgio oro, kad jo temperatūra padidėtų 1 laipsniu. Pavyzdžiui, 20°C temperatūroje, norint pašildyti 1 kg šių dujų 1°C izobariniame procese, reikia 1005 J šilumos.

Oro savitoji šiluminė talpa didėja kylant jo temperatūrai. Tačiau oro masės šiluminės talpos priklausomybė nuo temperatūros nėra tiesinė. Diapazone nuo -50 iki 120°C jo reikšmė praktiškai nekinta – tokiomis sąlygomis vidutinė oro šiluminė talpa yra 1010 J/(kg deg). Pagal lentelę matyti, kad temperatūra pradeda daryti reikšmingą poveikį nuo 130°C vertės. Tačiau oro temperatūra jo savitąją šiluminę talpą veikia daug silpniau nei klampumas. Taigi kaitinant nuo 0 iki 1200°C oro šiluminė talpa padidėja tik 1,2 karto – nuo ​​1005 iki 1210 J/(kg deg).

Reikėtų pažymėti, kad drėgno oro šiluminė talpa yra didesnė nei sauso oro. Jei palygintume orą, akivaizdu, kad vanduo turi didesnę vertę, o vandens kiekis ore lemia specifinės šilumos padidėjimą.

Oro savitoji šiluminė talpa esant skirtingoms temperatūroms – lentelė

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

Šilumos laidumas, šiluminis difuziškumas, oro Prandtl skaičius

Lentelėje pateikiamos tokios atmosferos oro fizinės savybės, kaip šilumos laidumas, šiluminis difuziškumas ir jo Prandtl skaičius priklausomai nuo temperatūros. Sauso oro termofizinės savybės pateikiamos nuo -50 iki 1200°C. Pagal lentelę matyti, kad nurodytos oro savybės labai priklauso nuo temperatūros ir skiriasi šių dujų nagrinėjamų savybių priklausomybė nuo temperatūros.

Transporto energija (šaltasis transportas) Oro drėgnumas. Oro šiluminė talpa ir entalpija

Oro drėgnumas. Oro šiluminė talpa ir entalpija

Atmosferos oras yra sauso oro ir vandens garų mišinys (nuo 0,2% iki 2,6%). Taigi oras beveik visada gali būti laikomas drėgnu.

Mechaninis sauso oro ir vandens garų mišinys vadinamas drėgnas oras arba oro/garų mišinys. Didžiausias galimas garų drėgmės kiekis ore m a.s. priklausoma nuo temperatūros t ir spaudimas P mišiniai. Kai pasikeičia t Ir P oras iš iš pradžių nesočiojo gali pereiti į prisotintą vandens garais būseną, o tada drėgmės perteklius pradės kristi dujų tūryje ir ant gaubiančių paviršių rūko, šerkšno ar sniego pavidalu.

Pagrindiniai drėgno oro būklę apibūdinantys parametrai yra: temperatūra, slėgis, savitasis tūris, drėgmės kiekis, absoliuti ir santykinė drėgmė, molekulinė masė, dujų konstanta, šiluminė talpa ir entalpija.

Pagal Daltono dėsnį dujų mišiniams šlapio oro bendras slėgis (P) yra sauso oro P c ir vandens garų P p dalinių slėgių suma: P \u003d P c + P p.

Panašiai drėgno oro tūris V ir masė m bus nustatomi pagal santykius:

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

Tankis Ir specifinis drėgno oro tūris (v) apibrėžta:

Drėgno oro molekulinė masė:

kur B yra barometrinis slėgis.

Kadangi džiovinimo metu oro drėgnumas nuolat didėja, o sauso oro kiekis garų-oro mišinyje išlieka pastovus, džiovinimo procesas sprendžiamas pagal tai, kaip keičiasi vandens garų kiekis 1 kg sauso oro, ir visi garų ir oro mišinys (šilumos talpa, drėgmės kiekis, entalpija ir kt.) reiškia 1 kg sauso oro drėgname ore.

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

Absoliuti oro drėgmė- garų masė 1 m 3 drėgno oro. Ši reikšmė skaitine prasme yra lygi .

Santykinė drėgmė - yra neprisotinto oro absoliučios drėgmės ir prisotinto oro absoliučios drėgmės santykis tam tikromis sąlygomis:

čia , bet dažniau santykinė oro drėgmė nurodoma procentais.

Drėgno oro tankio santykis yra teisingas:

Specifinė šiluma drėgnas oras:

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

kur su c - specifinė šiluma sausas oras, kai c = 1,0;

c p - savitoji garo šiluminė talpa; kai n = 1,8.

Sauso oro šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui ir mažiems temperatūros diapazonams (iki 100 ° C), apytiksliais skaičiavimais gali būti laikoma pastovia, lygia 1,0048 kJ / (kg × ° C). Perkaitinto garo vidutinė izobarinė šiluminė talpa esant atmosferos slėgiui ir žemiems perkaitimo laipsniams taip pat gali būti laikoma pastovia ir lygi 1,96 kJ/(kg×K).

Drėgno oro entalpija (i).- tai yra vienas iš pagrindinių jo parametrų, plačiai naudojamas džiovinimo įrenginių skaičiavimuose, daugiausia siekiant nustatyti šilumą, sunaudotą drėgmei iš džiovintų medžiagų išgaruoti. Drėgno oro entalpija yra susijusi su vienu kilogramu sauso oro garų ir oro mišinyje ir apibrėžiama kaip sauso oro ir vandens garų entalpijų suma, ty

i \u003d i c + i p × X, kJ / kg.

Skaičiuojant mišinių entalpiją, kiekvieno komponento entalpijų atskaitos taškas turi būti vienodas. Apskaičiuojant drėgną orą, galima daryti prielaidą, kad vandens entalpija 0 o C temperatūroje yra lygi nuliui, tada sauso oro entalpija taip pat skaičiuojama nuo 0 o C, tai yra, i \u003d c * t \u003d 1,0048 t.

Tai būtina norint pakeisti darbinio skysčio, šiuo atveju oro, temperatūrą vienu laipsniu. Oro šiluminė talpa tiesiogiai priklauso nuo temperatūros ir slėgio. Tačiau tyrimams skirtingi tipai gali būti panaudoti šiluminiai pajėgumai įvairių metodų.

Matematiškai oro šiluminė talpa išreiškiama šilumos kiekio ir jo temperatūros prieaugio santykiu. Kūno, kurio masė yra 1 kg, šiluminė talpa vadinama savita šiluma. Oro molinė šiluminė talpa yra vieno molio medžiagos šiluminė talpa. Nurodyta šiluminė talpa - J / K. Molinė šiluminė talpa, atitinkamai, J / (mol * K).

Galima atsižvelgti į šilumos talpą fizinė savybė bet kokia medžiaga, šiuo atveju oras, jei matavimas atliekamas pastoviomis sąlygomis. Dažniausiai tokie matavimai atliekami esant pastoviam slėgiui. Taip nustatoma izobarinė oro šiluminė talpa. Jis didėja didėjant temperatūrai ir slėgiui, taip pat yra tiesinė funkcija duotomis vertybėmis. Šiuo atveju temperatūros pokytis vyksta esant pastoviam slėgiui. Norint apskaičiuoti izobarinę šiluminę talpą, būtina nustatyti pseudokritinę temperatūrą ir slėgį. Jis nustatomas naudojant atskaitos duomenis.

Oro šiluminė talpa. Ypatumai

Oras yra dujų mišinys. Nagrinėjant juos termodinamikoje, buvo padarytos šios prielaidos. Visos dujos mišinyje turi būti tolygiai paskirstytos visame tūryje. Taigi dujų tūris yra lygus viso mišinio tūriui. Kiekvienos mišinio dujos turi savo dalinį slėgį, kurį jos veikia indo sieneles. Kiekvienas iš komponentų dujų mišinys temperatūra turi būti lygi viso mišinio temperatūrai. Tuo pačiu ir suma dalinis slėgis visų komponentų yra lygus mišinio slėgiui. Oro šiluminės talpos apskaičiavimas atliekamas remiantis duomenimis apie dujų mišinio sudėtį ir atskirų komponentų šiluminę talpą.

Šiluminė talpa nevienareikšmiškai apibūdina medžiagą. Iš pirmojo termodinamikos dėsnio galime daryti išvadą vidinė energija kūnas skiriasi ne tik priklausomai nuo gaunamos šilumos kiekio, bet ir nuo organizmo atliekamo darbo. At įvairios sąlygosšilumos perdavimo proceso eiga, organizmo darbas gali skirtis. Taigi, ta pati žinutė kūnui šilumos kiekis, gali sukelti įvairius temperatūros ir vidinės organizmo energijos pokyčius. Ši savybė būdinga tik dujinėms medžiagoms. Skirtingai nuo sunkus ir skysti kūnai, dujinių medžiagų, gali labai pakeisti garsumą ir atlikti darbą. Štai kodėl oro šiluminė talpa lemia jo pobūdį termodinaminis procesas.

Tačiau esant pastoviam tūriui, oras neveikia. Todėl vidinės energijos pokytis yra proporcingas jos temperatūros pokyčiui. Šiluminės talpos pastovaus slėgio procese ir šilumos talpos pastovaus tūrio procese santykis yra formulės dalis adiabatinis procesas. Ji žymima graikiška raide gama.

Iš istorijos

Sąvokos „šilumos talpa“ ir „šilumos kiekis“ nelabai apibūdina jų esmę. Taip yra dėl to, kad jie atvyko modernus mokslas iš kaloringumo teorijos, kuri buvo populiari XVIII a. Šios teorijos pasekėjai šilumą laikė tam tikra neaprėpiamąja medžiaga, esančia kūnuose. Šios medžiagos negalima nei sunaikinti, nei sukurti. Kūnų vėsinimas ir šildymas buvo paaiškintas atitinkamai kalorijų kiekio sumažėjimu arba padidėjimu. Laikui bėgant ši teorija buvo pripažinta nepagrįsta. Ji negalėjo paaiškinti, kodėl perkeliant į jį gaunamas toks pat bet kurio kūno vidinės energijos pokytis skirtingas kiekisšilumos, o taip pat priklauso ir nuo organizmo atliekamo darbo.