Исследование политропного процесса

 СЖАТИЯ ВОЗДУХА

 

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ.

1. К выполнению лабораторной работы допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности.

2. При выполнении лабораторной работа необходимо помнить, что сосуды, находящиеся под давлением могут подвергнуться разрушению, поэтому при выполнение опытов нельзя чрезмерно нагружать (повышать давление) аппарат.

 

  Цель работы: провести термодинамический анализ политропного процесса;

Задачи: определить:

- теплоемкости рабочих веществ;

- показатель политропы,

- коэффициент разветвления теплоты,

- величину совершенной работы процесса;

- количество тепла, отведенного от рабочего тела за время процесса;

- изменение внутренней энергии и энтропии,

- построить в Р-V и Т-S диаграммах процесс.

 

Общие сведения

 

  Большинство термодинамических процессов тепловых машин с достаточной точностью описывается уравнением

                                P·Vⁿ = const,

где n - показатель политропы - постоянная величина, которая в раз личных процессах может принимать значения от + ¥ до - ¥.

Необходимым условием постоянства показателя политропы является постоянство удельной теплоемкости рабочего тела. Известно, что теплоемкость газов зависит от характера процесса, при котором осуществляется подвод теплоты, так что            

                            С= С_v · ((n–k)/(n–1)),

где   С_v - теплоемкость газа при постоянном давлении, равная для воздуха 0,72 кДж/(кг·К),

k = С_p/ С_v - показатель адиабаты, равный для воздуха 1,4,

С_р - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, равная для воздуха 1 кДж/(кг·К).

При изменении показателя политропы в указанных пределах изменяется и величина теплоемкости, оставаясь постоянной в течении всего политропного процесса. Из постоянства С и С_v  следует постоянство так называемого коэффициента разветвления теплоты характеризующего долю теплоты, затраченную на изменение внутренней энергии рабочего тела.

 

     y =DU/ q = (n–1) / (n–k),

 

Связь между параметрами состояния политропного процесса и соотношения для определения основных термодинамических функций приводится в разделе ²Обработка опытных данных².

 Для анализа политропных процессов широко используют диаграммы Р-V и Т-S (рис.1.1). При этом изохорный (n=¥, С= С_v) и изобарный (n=0, С= С_р) процессы на Р-V диаграмме изображаются линиями, параллельными соответствующим осям, а процессы изотермический (n=1, С=¥) и изоэнтропный (адиабатный, (n= k, С= 0)  такими же линиями в Т-S координатах. При этом площадь под кривой процесса в Р-V диаграмме соответствует работе термодинамического процесса, а в Т-S диаграмме - количеству теплоты, участвующей в процессе.

Рис.2.1. Сводные графики политропных процессов в P-V- и T-S координатах

 

 По диаграммам легко проследить, области в которых процессы происходят с положительной или отрицательной работой, подводом или отводом тепла, ростом или уменьшением внутренней энергии и энтальпии рабочего тела. Границами этих зон являются соответственно изохора, адиабата и изотерма. Заштрихованные на рис.2.1 зоны соответствуют политропным  процессам с отрицательной теплоемкостью, для которых k>n>1. Эти процессы характерны для сжатия и расширения рабочего тела в тепловых машинах и имеют большое практическое значение. В них при сжатии (внешняя работа отрицательна) от рабочего тела теплота, однако изменение внутренней энергии положительно, т.е. работа затрачиваемая на сжатие газа, больше отводимой теплоты.

При расширении положительная работа совершается как за счет подводимого тепла, так и за счет уменьшения внутренней энергии (и температуры) рабочего тела.

 

  ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Установка для исследования политропного сжатия воздуха представлена на рис. 2.2. Она представляет собой толстостенный прозрачный цилиндр в металлическом корпусе, внутри которого находится воздух. Давление внутри цилиндра, определяют по показаниям манометра.

Изменение давления воздуха в цилиндре происходит путем накачивания воды во внутрь цилиндра снизу, и вода становится поршнем сжимающим воздух.

 Р _{абсолютное} =Р _{манометрическое} + Р _{барометрическое}

 

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки рис.2.2., таблицу 2.1 для записи результатов измерений.

2. Измерить и записать температуру и давление воздуха, переведя барометрическое давление в кг/см², Па.

3. Измерить высоту столбы воздуха (м) при котором давление в цилиндре по манометру равно 0,05 кг/см².

4. Накачивая ручным насосом (2) воду установить давление по манометру Р_{1 ман} = 1 кг/см²(98070 Па). Измерить высоту столба воздушного пространства.

Обратить внимание на то, что при остановке движения поршня давление цилиндра в течение некоторого времени изменяется. Поэтому при переходе на новое давление необходимо всякий раз фиксировать Р _{ман.начальное.}

 

 

1

3

2

Р

Выпуск воздуха

Слив воды

 

 

Рис. 2.2 – Принципиальная схема демонстрации политропного процесса сжатия воздуха: 1–цилиндр; 2– насос водяной; 3– емкость воды;

 

4. Повторить эксперимент по п. 3 при давлениях Р_{2 ман} = 2 кг/см²(196140 Па); Р_{3 ман} =  3 кг/см²(294210 Па); Р_{4 ман} =  4 кг/см² (392280 Па).

5. Привести установку в исходное состояние.