Лабораторная работа №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНЫХ ПРОЦЕССОВ Задание

Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНЫХ ПРОЦЕССОВ
Задание
1. Провести эксперимент политропного расширения воздуха.
2. Рассчитать параметры состояния газа в характерных точках и
построить рабочую диаграмму процессов.
3. Определить показатель политропы расширения.
4. Вычислить энергетические характеристики процессов.
Лабораторная установка
Принципиальная схема лабораторной установки представлена на
рис. 1. В состав установки входит металлический бак 1, объемом 35 литров,
оснащенный клапаном для стравливания газа. Нагнетание воздуха в бак
производится при помощи компрессора 2. Для
измерения избыточного
давления в баке служит U-образный жидкостной манометр 3, заполненный
дистиллированной водой.
Рис. 1. Схема установки
Параметры состояния атмосферного воздуха в аудитории во время
проведения опыта контролируются термометром и барометром.
Методика выполнения работы
Проведение эксперимента
С помощью компрессора провести нагнетание воздуха в бак до
избыточного давления
500...800 мм вод. ст.
Сжатие
воздуха
сопровождается его нагревом, поэтому после нагнетания сделать выдержку
5-7 минут, необходимую для выравнивания температур воздуха в баке и
окружающей
среды.
При
достижении
установившихся
показаний
жидкостного манометра величину избыточного давления Р1 изб занести в
табл.1.
Осуществить политропное расширение воздуха от начального давления
Р1= Р1
изб+
Ратм
до давления Р2 = Ратм . Для этого открыть
клапан
и
удерживать его до тех пор, пока избыточное давление в баке не упадет до
нуля. После завершения расширения клапан должен быть немедленно
закрыт.
Процесс политропного расширения воздуха сопровождается
понижением температуры в баке и одновременно подводом теплоты от
относительно более горячей окружающей среды. На P-v диаграмме,
представленной на рис.2, этот процесс изображен линией 1-2.
v
Рис. 2. Рабочая диаграмма политропных процессов.
Выждать время, необходимое для прогрева воздуха, оставшегося в
баке,
до
комнатной
температуры.
Нагрев
в
изохорных
условиях
сопровождается подводом к воздуху теплоты и возрастанием избыточного
давления в баке. На диаграмме состояния этот процесс изображен линией
2-3. После установления показаний манометра значение Р3 изб занести в
табл.1.
Замерить и занести в табл.1
значения параметров атмосферного
воздуха в лаборатории.
Таблица 1
Избыточное давление, мм вод.ст.
Р1 изб
Параметры атмосферного воздуха
t ,оС
Р3 изб
Ратм , Па
Графический анализ процессов
На рабочей диаграмме (рис.2), кроме экспериментально выполненных
процессов политропного расширения
1-2 и изохорного нагрева 2-3
построить графики процессов адиабатного расширения воздуха
изобарного нагрева при атмосферном давлении
4-2
1-4,
и изотермического
сжатия 3-1.
Перед построением графиков определить для характерных точек
процессов параметры состояния воздуха, а также его массу и занести их в
табл.2 (вычисления проводить с точностью до трех знаков после запятой).
При расчетах использовать уравнение состояния идеального газа
P υ  RT ,
PV  mRT ,
принимая значение удельной газовой постоянной воздуха R=287 Дж/(кгК).
Для нахождения
параметров
адиабатного процесса P υ k  const
точки
4
в виде
использовать
уравнение
P4 υ4k  P1 υ1k .
Для воздуха, как смеси двухатомных газов, принять значение
показателя адиабаты k = 1,4 .
Таблица 2
Характерные точки процесса
Параметр
1
2
3
4
Р, кПа
Т, К
υ , м3/кг
m, кг
По найденным значениям параметров состояния построить рабочую
диаграмму пяти термодинамических процессов. Построение провести на
миллиметровой бумаге. При выборе масштабов учитывать реальный
диапазон изменения параметров. В силу малости относительного изменения
параметров состояния допускается представить все процессы отрезками
прямых линий.
Определение показателя политропы
Показатель политропы процесса 1-2 вычисляется из уравнения
P υ n  const
с учётом изотермичности процесса 1-3
( υ1 υ3  P3 P1 ) и
равенства объёмов изохорного процесса 2-3 ( υ 2  υ 3 ) по формуле
n
ln ( P2
ln (
P3
P1
P1
)
.
)
Расчет энергетических характеристик
Для всех пяти процессов, изображенных на диаграмме, вычислить
массовую теплоемкость воздуха сφ, количество теплоты Q, изменение
внутренней энергии U и энтальпии I, а также работу деформации L и
располагаемую работу L термодинамической системы.
Для нахождения изохорной и изобарной теплоемкостей использовать
уравнение Майера
c p  cυ  R
c p cυ  k
и соотношение
.
В процессах, протекающих с переменной массой, использовать ее
среднее значение. Результаты расчетов свести в табл. 3.
Таблица 3
Процессы
Параметр
1-2
1-4
4-2
политропный адиабатный изобарный
2-3
3-1
изохорный изотермический
n
cφ, Дж/(кг К)
U , Дж
L , Дж
Q , Дж
L , Дж
I , Дж
Дополнительные задания
1. Изобразить термодинамические процессы в тепловой диаграмме (T-s).
2. Указать на диаграммах точку, соответствующую состоянию воздуха в
аудитории во время проведения опыта.
3. Рассчитать плотность воздуха в аудитории во время проведения опыта.
4. Определить массу воздуха, закачанного в бак перед расширением.
5. Найти массу воздуха, который дополнительно вытек бы из бака, если
после политропного расширения клапан оставить открытым.
6. Изобразить на рабочей диаграмме процесс нагнетания воздуха в бак.
7. То же самое выполнить на тепловой диаграмме.
8. До какой температуры нагрелся бы воздух в баке, если процесс
нагнетания той же массы воздуха произвести мгновенно?
9. Какое давление в баке было бы при этом?
10. До
какой
температуры нужно было бы нагреть воздух в баке при
закрытом клапане для достижения давления Р1,
состояние его соответствует атмосферным условиям?
11. Вычислить термический КПД цикла 1-3-2-4-1 .
если
начальное