6 Определение теплоемкости твердых тел методом

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ
КАЛОРИМЕТРИРОВАНИЯ
Методические указания к лабораторной
работе № 6ТП
Самара
Самарский государственный технический университет
2008
Печатается по решению Редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 536.242.2.
Определение теплоемкости твердых тел методом калориметрирования: Метод.
указ/ Сост. Г.М.Синяев. Самара; Самар.гос. тех. Ун-т, 2008. 8 с.: ил.
Методические указания предназначены для студентов теплоэнергетических специальностей 140101, 140104,140105,140106 и других специальностей при выполнении
ими экспериментальных исследований на имитационных компьютерных моделях лабораторных установок по дисциплинам «Теоретические основы теплотехники», «Тепломассообмен», «Теоретические основы тепломассопереноса», «Теплотехника» и другим
дисциплинам, в которых изучается теплообмен.
Определение теплоемкости твердых тел методом калориметрирования
Составитель: Синяев Геннадий Михайлович
УДК 536.242.2.
Редактор В. Ф. Е л и с е е в а
Технический редактор В.Ф. Е л и с е е в а
Подп. в печать 07.06.08. Формат 60х84 1/16. Бум. офсетная. Печать офсетная.
Усл. п. л. 0,56. Усл. кр.-отт. Уч-изд. л. 0,55. Тираж 50. Рег № 198.
Самарский государственный технический университет
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус
Составитель: Г.М.Синяев
Рецензент докт. тех. наук, проф. А.А. Кудинов
© Г.М.Синяев
составление, 2008
© Самарский государственный технический университет, 2008
Отпечатано в типографии
Самарского государственного технического университета
443100. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус № 8
8. Как замеряется в работе количество теплоты, пошедшее на
нагревание образца твердо тела?
9. Поясните, какой тепловой режим называют стационарным
(или установившемся) и нестационарным (или неустановившемся)?
10. Что такое калориметр?
11. В чем заключается метод калориметрирования для определения теплоемкости твердых материалов?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Клименко А.В., Зорин В.М.. Теоретические основы теплотехники. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 561 с.
2. Мазур Л. Техническая термодинамика и теплотехника. М.:
ГЭОЭР-МЕД, 2003. - 350 с.
3. Кудинов В А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. М.: Высшая школа, 2003. - 261 с.
4. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991. - 479 с.
5. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача.
М.: Высшая школа, 1980. 261 с.
6. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов
теплообмена. - М.: Энергия, 1979. - 319 с
7. Задачник по технической термодинамике и теории тепломасообмена / Под ред. В. Крутова, Г. Петражицкого. - М.: Высшая школа, 1986. - 383 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Краткие теоретические сведения. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Описание экспериментальной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Технические характеристики установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Цель работы - углубление знаний по термодинамике и теплообмену, изучение методики опытного определения массовой теплоемкости твердых материалов, получение навыков в проведении теплофизических экспериментальных исследований и их обработке.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Теплота является наиболее универсальной формой передачи
энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов.
Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая
форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.
п.) трансформируется, в конечном итоге, либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут
обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики. Теплообмен возможен
лишь при наличии разности температур контактирующих сред (или в
самой среде).
Теплообмен − это самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным температурным полем.
Количество теплоты, пошедшее на повышение температуры
на t, тела массой m может быть подсчитано по формуле
Q  c  m  t ,
где: Q – количество теплоты, поглощенное телом при нагревании на t,
0
C;
с – массовая теплоемкость (удельная) твердого тела, Дж/(кгК);
m – масса тела, кг;
t – разность конечной и начальной температур, 0C.
Из последнего уравнения можно вычислить массовою теплоемкость (удельную) твердого тела
1
с
Q
.
m  t
(1)
Для вычисления по формуле (1) необходимо из эксперимента
определить количество теплоты Q, переданное телу, массу тела m,
начальную t1 и конечную t2температуры тела.
В данной работе для определения этих величин используется
экспериментальная установка, работающая по методу калориметрирования, который заключается в следующем.
Если для нагрева пустого калориметра на t 0C требуется Q1
джоулей теплоты, а для нагрева калориметра с исследуемым образцом
на t 0C требуется Q2 джоулей теплоты, то на нагрев самого образца
идет количество теплоты Qобр
Qобр = Q2 – Q1.
(2)
В установке нагрев калориметра производится пропусканием
тока через нагреватель.
Количество теплоты, выделяемое нагревателем:
Q = IU,
(3)
где: I - ток, проходящий через нагреватель;
U - напряжение на нагревателе;
 - время нагрева;
Если мощность нагрева остается постоянной в течении всего
эксперимента, то после постановки выражения для количества теплоты
из формулы (3) в формулу (2)
Qобр = IU(2-1),
(4)
где: 1 - время нагрева пустого калориметра на t 0C;
2 - время нагрева калориметра с образцом на t 0C.
Подставляя выражение (4) в (1), получим выпражение для расчета
массовой теплоемкости
I  U   2   1 
с
.
m  t
(5)
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 1.
Установка (рис. 1) представляет собой конструкцию настольного типа, состоящую из трех основных частей:
2
стрелке винт в нижней части калориметра, после чего вытащить
образец рукояткой.
6. Нагрев калориметра с исследуемым образцом рекомендуется производить через 2-3 минуты после помещения образца в калориметр и закрытия крышки.
7. После окончания экспериментов все регуляторы установить
на 0 и выключить тумблеры.
8. По результатам экспериментов рассчитать массовую теплоемкость твердых материалов предлагаемых в лабораторной работе.
9. Сравнить полученные результаты расчетов с табличными
данными этих материалов.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет о работе должен содержать.
1. Формулировку цели работы.
2. Краткие теоретические сведения.
3. Принципиальную схему экспериментальной установки и ее
описание.
4. Порядок проведения опыта.
5. Таблицы экспериментально замеренных и вычисленных величин.
6. Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните как
достигается поставленная цель?
2. Назовите основные узлы экспериментальной установки и
укажите их назначение.
3. Что такое «теплота»?
4. В чем состоит универсальность тепловой энергии?
5. Дайте определение понятию «теплообмен».
6. Назовите необходимое условие теплообмена.
7. Какие величины следует измерять в данной работе, чтобы
вычислить массовую теплоемкость материала?
7
1
10
2
3
Питание установки от сети переменного тока:
220
напряжение, В
11
12
13
14
2) блока рабочего элемента РЭ-8 (поз. 2);
3) стойки (поз. 3).
(от +22 до -33)
частота, Гц
Потребляемая мощность, Вт, не более
Габаритные размеры, мм, не более
Масса установки, кг, не более
50  1
130
400200
5
Характеристики исследуемых материалов
Материал
1. Сталь 3
2. Алюминий Д16
3. Латунь А63
Габаритные размеры, мм
40´100
40´100
40´100
Кол-во
1
1
1
Установка предназначена для эксплуатации при температуре
окружающего воздуха от +10 °С до +35 °С и относительной влажности не
более 80 %.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включить тумблер «ВКЛ.» в модуле питания «СЕТЬ».
При этом загорается сигнальная лампа.
2. Убедиться, что в калориметре отсутствует образец. Плотно
закрыть крышку калориметра.
3. Включить тумблер «ВКЛ.» в модуле «НАГРЕВ». При этом
загорается сигнальная лампа.
Регулятором модуля установить заданную мощность нагрева.
4. Контролировать температуру по цифровому контроллеру
для измерения температуры. Временные интервалы отсчитываются по
цифровому контроллеру измерения времени.
5. Для быстрого охлаждения калориметра надо выключить
нагрев, открыть крышку, опустить в калориметр один из образцов.
Температура начнет понижаться.
Когда темп охлаждения снизится, нагревшийся образец
вынуть и вложить следующий (холодный).
Для вынимания образца надо повернуть по часовой
1) блока приборного БП-8 (поз. 1);
6
Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки.
1. Блок приборный БП-8. 2. Блок РЭ-8. 3. Стойка. 4. Нагреватель. 5. Образцы
твердых тел. 6. Контроллер для измерения температуры.
Блок приборный БП-8 представляет собой единый конструктив
со съемной крышкой, съемными лицевыми панелями. Внутри блока
размешены печатная плата с радиоэлементами, органы подключения
регулирования, трансформаторы.
На лицевой панели блока приборного БП-8 находятся цифровой
контроллер для измерения времени, амперметр, вольтметр, органы
управления и регулирования установки. Визуально блок приборный
разделен на три функциональных узла:
1. узел «ИЗМЕРЕНИЕ»
3
2. узел «НАГРЕВ»;
3. узел «СЕТЬ».
Узел «ИЗМЕРЕНИЕ» состоит из цифрового контроллера для
измерения времени, амперметра, вольтметра и осуществляет замер
величины тока, напряжения, времени проведения опыта.
Узел «НАГРЕВ» осуществляет включение и регулирование
нагрева нагревателя.
Узел «СЕТЬ» осуществляет подключение установки к сети питающего напряжения.
Сзади приборного блока БП-8 установлены:
1. разъем для подключения кабеля от блока РЭ-8.
2. сетевой шнур с вилкой;
3. сетевой предохранитель.
Блок РЭ-8 представляет собой коробчатый конструктив,
укрепленный на горизонтальном основании стойки. Несущими узлами
блока РЭ-8 являются панель и кронштейн, скрепленные между собой
винтами. Спереди блок РЭ-8 закрыт съемным экраном из орг. стекла,
при выполнении работы экран навешивается на заднюю стенку блока
РЭ-8.
На панели расположен цифровой контроллер для измерения
температуры, внизу на выступающей панели размещены образцы из
различных материалов и рукоятка для установки образцов в нагреватель.
Нагреватель состоит из металлического кожуха, теплоизолирующего материала, калориметра, с намотанной на нем спиралью,
ручки для выталкивания образца из калориметра. В калориметр вмонтирован датчик контроллера для измерения температуры.
Стойка (поз. 3) представляет собой настольную конструкцию
с горизонтальным основанием для установки приборного блока БП-8
и блока рабочего элемента РЭ-8.
Установка запитывается от сети переменного тока напряжением 220 В. Предохранитель защищает установку от перегрузки и токов короткого замыкания.
Трансформатор 1 служит источником переменного тока
напряжением 25 В, а трансформатор 2 – 15 В.
Светодиод 1 сигнализирует о подаче питания на установку, светодиод 3
сигнализирует о подаче напряжения на нагреватель. Регулирование
температуры нагревателя осуществляется резистором, амперметр 6 и
4
вольтметр 7 служат для контроля тока и напряжения на нагревателе.
Цифровой контроллер для измерения температуры запитан с
платы постоянным током напряжением 9 В. В качестве датчика температуры используется датчик цифрового контроллера для измерения
температуры.
Цифровой контроллер для измерения времени запитан с платы
постоянным током напряжением 1,5 В.
Тумблер правый служит для включения питания установки, а
левый тумблер для включения питания нагревателя.
Блок РЭ-8 подключен к блоку приборному установки через
разъем.
Плата включает в себя:
стабилизированный источник постоянного тока напряжением 9 В, который построен на микросхеме, конденсаторы - сглаживающие фильтры на выходе выпрямителя и стабилизатора соответственно;
тиристорный регулятор тока, который состоит из диодного
моста, тиристора, схемы управления тиристором, параметрического
стабилизатора для питания схемы управления тиристором.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАНОВКИ
Таблица № 1.
Наименование характеристик
Величины
1
2
3
1
2
3
4
5
Нагрев калориметра осуществляется выпрямленным током
Максимальная температура нагрева, °С
Погрешность измерения температуры, °С
Диапазон регулирования напряжения на нагревателе, В
Номинальное напряжение на нагревателе, В
Погрешность измерения напряжения на нагревателе, %, не
более
Погрешность измерения тока на нагревателе, %, не более
Диапазон измерения цифрового контроллера для измерения времени, сек
6
7
8
9
Погрешность измерения времени контроллера, %, не более
40
0,5
2…20
18
5
5
1…1999
2
5