Лабораторна робота N 3 "Визначення теплоти

пароутворення води"

Вступ

Найбільше застосування, як робоче тіло, в теплових машинах знаходить вода та водяна пара, що обумовлено суттєвими термодинамічними властивостями, нешкідливістю для живих організмів та навколишнього середовища.

Пароутворення - перехід рідини в газоподібний стан - може здійснюватися шляхом випаровування або кипіння.

Випаровування - це процес пароутворення зі свободної поверхні рідини, яке протікає при будь якій температурі.

Кипіння - це процес інтенсивного пароутворення на стінках посудини та у всій масі рідини, обумовлене підводом до рідини теплоти зовні.

Процес отримання водяної пари потрібних параметрів здійснюється таким чином.

До 1 кг рідини, що знаходиться під тиском р_н і має початкову температуру t_o = 0 ^oC, підводиться теплота. При досягненні температури рідини t_н, величина якої залежить від природи речовини та тиску p_н, рідина починає кипіти.

Температура t_н, при досягненні якої рідина, що знаходиться під тиском р_н, починає кипіти, називається температурою насичення, а відповідний тиск р_н - тиском насичення.

Кількість теплоти q', яку необхідно підвести до 1 кг рідини, щоб підвищити її температуру від t_o = 0 ^oC до t_н, називається теплотою рідини. Ця теплота приблизно дорівнює ентальпії киплячої рідини (q'» i').

При кипінні рідини при сталих температурі t_н та тиску р_н над поверхнею рідини утворюється парорідинна суміш - волога насичена пара, яка складається з сухої насиченої пари та найдрібніших частинок киплячої рідини, що рівномірно розосереджені по об`єму пари. Важливою характеристикою вологої насиченої пари є ступінь сухості:

, (3.1)

де m_сп - маса сухої пари в парорідинній суміші, кг;

m_в - маса частинок рідини в парорідинній суміші, кг.

Значення «х» може змінюватися в межах 0 £ х £ 1. В момент остаточного википання рідини утворюється суха насичена пара, температура якої дорівнює t_н, а х = 1.

Кількість теплоти «r», яку необхідно витратити на випаровування 1 кг киплячої рідини до стану сухої насиченої пари при сталих температурі t_н та тиску р_н називається теплотою пароутворення.

При подальшому нагріванні сухої насиченої пари при сталому тиску р_н утворюється перегріта пара, температура якої t > t_н. Теплота q_пер, що підводиться до 1 кг сухої насиченої пари, називається теплотою перегріву.

Процес зворотного переходу пара в рідину, що протікає при сталих t_н та р_н, називається конденсацією, а рідина - конденсатом.

У відповідності до першого закону термодинаміки теплота пароутворення дорівнює

, (3.2)

де u^// та u^/ - внутрішня енергія сухої насиченої пари та киплячої рідини відповідно, кДж/кг;

v^// та v^/ - питомий об`єм сухої насиченої пари та киплячої рідини відповідно, м³/кг;

- внутрішня теплота пароутворення, що витрачається на розрив зв`язків між молекулами рідини при переході її в газоподібний стан (робота дисгрегацїї), кДж/кг;

y - зовнішня теплота пароутворення, що витрачається на роботу розширення, пов`язану із збільшенням питомого об`єму, кДж/кг.

Мета лабораторної роботи

Мета роботи - поглиблення знань з теорії пароутворення, вивчення методики визначення теплоти пароутворення.

Завдання лабораторної роботи

- експериментальне визначення теплоти пароутворення води при атмосферному тиску;

- закріплення навичок роботи з таблицями води та водяної пари;

- визначення ступіні сухості пари, що утворюється при проведенні експерименту.

Опис лабораторної установки

Основним вузлом лабораторної установки, схема якої зображена на рис. 3.1, є кип`ятильник 1. Нагрів води у кип`ятильнику 1 здійснюється нагрівачем 2. При кипінні води утворюється волога насичена пара.

Рис. 3.1 Схема лабораторної установки для визначення

теплоти пароутворення води.

Зверху кип`ятильника 1 виготовлена розширювальна ємність 3, яка з`єднана з конденсатором 4. Ємність 3 призначена для того, щоб частинки киплячої води не потрапляли у конденсатор 4 в разі інтенсивного кипіння.

Конденсатор 4 змонтовано у холодильнику 5, по внутрішньому об`єму якого циркулює охолоджуюча вода.

Для збирання конденсату, який утворюється в конденсаторі 4, використовується ємність 6. Температура конденсату вимірюється термометром 12.

Заповнення кип`ятильника 1 водою та злив води здійснюється через кран 7.

Електричний струм на нагрівач 2 подається від мережі напругою 220 В через вимикач 11 та ЛАТР 10. Електрична потужність нагрівача розраховується по показам амперметра 8 та вольтметра 9.

Методика виконання роботи

Лабораторну роботу по визначенню теплоти пароутворення води необхідно виконувати в такій послідовності:

1. Зафіксувати барометричний тиск повітря В.

2. Подати охолоджуючу воду у холодильник 5.

3. За допомогою вимикача 11 через ЛАТР 10 подати напругу на нагрівач 2 і довести воду у кип`ятильнику 1 до кипіння.

4. Після закипання води за допомогою ЛАТРа 10 відрегулювати такий режим кипіння, щоб частинки киплячої води не потрапляли разом з парою у конденсатор 4.

5. Через 2...3 хвилини після отримання перших порцій конденсату, що стікає з холодильника 5, почати його відбір у ємність 6. Зафіксувати покази амперметра 8 та вольтметра 9, а також термін збору конденсату, тривалість якого повинна складати 3...5 хвилин. Виміряти температуру конденсату в ємності 6 термометром 12. Виміряти об`єм утвореного конденсату.

6. За допомогою ЛАТРа 10 змінити електричну потужність, що подається на нагрівач 2, і повторити операції по пунктах 4 і 5.

7. Після завершення роботи ЛАТРом 10 зняти напругу з нагрівача 2 та вимикачем 11 відключити установку від мережі змінного струму.

8. Результати вимірів занести у журнал спостережень.

Журнал спостережень

Обробка результатів спостережень

1. По температурі конденсату t_k визначити його густину r_k (додаток 3)

та розрахувати масу утвореного конденсату в кожному експерименті:

. (3.3)

2. Визначити теплоту Q, яку виділяє нагрівач за термін збору конденсату t:

. (3.4)

Теплота Q, що передається нагрівачем киплячій воді, витрачається на пароутворення Q_пар та витрати в навколишнє середовище Q_вит:

. (3.5)

Кількість теплоти, що витрачається на утворення пари, складає:

. (3.6)

де r_х - теплота пароутворення вологої насиченої пари, кДж/кг.

По результатах двох проведених експериментів рівняння (3.4) з урахуванням співвідношення (3.5) будуть мати вигляд

- для першого досліду:

, (3.7а)

- для другого досліду:

. (3.7б)

Приймаючи до уваги, що Q_вит1» Q_вит2 та r_x1» r_x2 після віднімання з рівняння (3.7а) виразу (3.7б) можна одержати:

. (3.8)

З рівняння (3.8) формула для розрахунку теплоти пароутворення матиме вигляд:

. (3.9)

3. Для атмосферного тиску В по таблицях води та водяної пари (додаток 3) визначити теплофізичні характеристики води та сухої насиченої пари, включаючи теплоту пароутворення «r».

4. З рівняння:

(3.10)

визначити ступінь сухості пари, одержаної при проведенні лабораторної роботи:

. (3.11)

Контрольні запитання

1. Що таке пароутворення, кипіння, випаровування?

2. Дати визначення процесів сублімації та десублімації, конденсації.

3. Що таке волога насичена, суха насичена, перегріта пара?

4. Дати визначення міри сухості та міри вологості вологої насиченої пари.

5. Що таке теплота рідини, теплота пароутворення, теплота перегрітої пари, їх позначення та формули для розрахунків.

6. Як складаються та використовуються таблиці водяної пари?

7. is - діаграма водяної пари.

8. Зображення термодинамічних процесів водяної пари на is - діаграмі.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: