К. Т. Тулеуов, С. А. Абдукаримов. Термодинамика и основы теплотехники методические указания к лабораторным работам (для студентов специальностей 050724, 050729, 050708) Издание третье, переработанное а лматы 2010 удк 621. 536. 016(18)
Скачать 0.69 Mb.
|
4.4 Методика проведения работы, описание и принцип работы прибора ИТ – с – 400. Измеритель теплоемкости ИТ – с – 400 предназначен для исследования температурной зависимости удельной теплоемкости твердых тел, сыпучих, волокнистых материалов, жидкостей. Он рассчитан на проведение массовых теплофизических исследований в лабораторных и заводских условиях. Ячейки измерительной (рисунок 4.2) является важнейшей частью блока измерительного и состоит из корпуса 6, разъемной оболочки теплоизоляционной 8 и металлического ядра (детали 1, 2, 4, 10, 11). Блок питания и регулирования обеспечивает нагрев ядра ячейки измерительной (рисунок 4.2) с заданной скоростью – 0,1 К/с и автоматическое регулирование температуры. Скорость разогрева определяется величиной начального напряжения на нагревателе и скоростью его изменения. Обе эти величины строго фиксированы. Для определения теплоемкости в эксперименте в процессе непрерывного разогрева на фиксированных уровнях температуры используется прибор микровольт амперметр Ø136. Он используется как нуль – прибор в потенциометре. Прибор Ø136 рассчитан на определенные значения термо – эдс, соответствующие фиксированным уровням температур от минус 125 до плюс 400°С через 25°С. Для регулирования работы в нагревателе и температурных измерений в приборе (в ампуле 2 и колпаке 4) используются хромель – алюмелевые термопары 12 с диаметром электродов 0,2 мм. Переключатель термопар измерительного блока имеет три положения  , УСТ.О. В положениях измеряется температура основания 10 и испытуемого образца 9. В положении УСТ.О проверяется механический нуль прибора Ø136. В эксперименте в процессе непрерывного разогрева на различных уровнях температуры (через 25°С) с помощью прибора Ø136 и секундомера измеряется временное запаздывание температуры ампулы по отношению к температуре основания.Испытуемый образец 9 помещается в ампулу 2, которая закрывается крышкой 3. Отпускается верхняя половина корпуса измерительной ячейки. Подается напряжение на нагреватель 7, и ядро измерительной ячейки начинает, плавно, монотонно разогреваться до верхней, предельной для каждого образца 9, температуры. Во время разогрева с помощью нагревателя 11, расположенного в охранном колпаке 4, поддерживаются адиабатические условия (нулевая разность температур) между ампулой 2 и охранным колпаком 4. Тепломер 1 смонтирован в медном основании 10. Рабочим слоем тепломера является кольцо 1 из нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Основание, кольцо 1 и ампула 2 спаяны друг с другом серебряным припоем. Измерение удельной теплоемкости производится на образцах диаметром 15±0,1 мм и высотой 10±0,5 мм. Для улучшения теплового контакта образцов используется смазка ПØМС – 4 ТУ6 – 02 – 917 – 74. Для образцов, впитывающих смазку, используется графитовый порошок (ГОСТ 8295 – 73) или алюминиевая пудра (ГОСТ 5494 – 71Е). В случае изменения смазки или начала температурного диапазона необходима новая градуировка с измененными условиями.  1 – образец испытуемый; 2 – ампула; 3 – тепломер; 4 – оболочка адиабатическая; 5 – основание; 6 – крышка.Рисунок 4.1– Тепловая схема метода динамического с – калориметра.  1 – тепломер; 2 – ампула; 3 – крышка; 4 – колпак охранный (адиабатическая оболочка); 5 – патрубок; 6 – корпус; 7 – спираль нагревателей; 8 – оболочка теплоизоляционная; 9 – образец испытуемый; 10 – основание; 11 – блок нагревателей; 12 – термопары. Рисунок 4.2 – Схема измерительной ячейки. ^ 1) Переводить переключатель “СЕТЬ” и “НАГРЕВ” в положение “ВЫКЛ”. 2) Подключить блок питания и регулирования прибора Ø136 к сети 220 В, 50 Гц. 3) Установить переключатель “ИЗМЕРЕНИЕ” в положение “УСТ.О” и переключатель “ТЕМПЕРАТУРА” – в положение 25°С. 4) Замкнуть входные штеккерны прибора Ø136 и произвести коррекцию нуля. 5) Взвесить испытуемый образец с точностью ±0,001 г и занести полученное значение  в таблицу 4.1.6) Поднимать верхнюю часть ячейки измерительной. 7) Протереть бензином и нанести тонкий слой смазки ПØМС – 4 на контактные поверхности образцов, ампулы и крышки. 8) В ампулу 2 установить испытуемый образец 9 и закрыть ампулу крышкой 3. 9) Отпустить верхнюю часть ячейки измерительной. 10) Включить блок питания и регулирования, нажав кнопку “СЕТЬ” 11) Выведить по вольтметру блока питания и регулирования напряжения до нуля. 12) Установить переключатель “ИЗМЕРЕНИЕ” в положение  .13) Включить кнопку “НАГРЕВ”, основной нагреватель и установить по вольтметру блока и регулирования начальное напряжение 40±2 В при работе от плюса 25°С. 14) Включить секундомер при достижении температуры плюс 25°С (при положении светового указателя прибора Ø136 через нуль шкалы) и переводить переключатель “ИЗМЕРЕНИЕ” в положение  . Выключить секундомер при прохождении светового указателя через нуль шкалы.15) Записать показания секундомера в графу “  ” таблицы,4.116) Повторить измерение при всех значениях температур, указанных в таблице 4.1.17)Выключить нагреватель при достижении желаемого уровня температуры или предельной температуры разогрева образца. 18) Заретируйте прибор Ø136 (полностью отключить прибор Ø136). 19) Установить переключатель “ИЗМЕРЕНИЕ” в положение “УСТ.О”. 20) Выключить блок питания и регулирования. 21) Поднимать верхнюю часть корпуса ячейки измерительной. 22) Охладить ячейку измерительной. ^ 24) Построить зависимость удельной массовой теплоемкости испытуемого образца  .25) Максимальная относительная погрешность измерения удельной теплоемкости  , оценивается по формуле  100%, (4.15)где  - абсолютная погрешность тепловой проводимости тепломера ( );  - абсолютная погрешность время запаздывания температуры на тепломере в эксперименте с эталонным образцом, соответствующая половине деления шкалы секундомера, с;  - абсолютная погрешность время запаздывания температуры на тепломере в эксперименте с пустой ампулой, с ( ) или соответствующая половине деления шкалы секундомера;  абсолютная погрешность измерения массы испытуемого образца (определяется классом точности прибора  г). Общий предел допускаемой погрешности определения  .Результаты измерений и обработки результатов эксперимента заносят в таблицу 4.1 Таблица 4.1 Результаты измерений и обработки результатов эксперимента Испытуемый образец Масса испытуемого образца  , кг
Литература: 1  .^ 1) Что называется теплоемкостью? 2) Что такое полная и удельная теплоемкость? 3) Виды удельных теплоемкостей и связь между ними? 4) В каких единицах выражаются теплоемкости? 5) Какие факторы влияют на теплоемкость? 6) В чем сущность метода динамического с – калориметра? 7) Что такое время запаздывания температуры на тепломере и метод ее определения?8) Что такое время запаздывания температуры на тепломере  и метод определения?9) Что такое тепловая проводимость тепломера  и метод ее определения?10) Напишите первый закон термодинамики в дифференциальном и интегральном видах? 11) Что такое истинная и средняя теплоемкость? 12) Написать уравнение количество теплоты через теплоемкость? 13) Почему теплоемкость газа при постоянном давлении  всегда больше теплоемкости при постоянном объеме  ?^ 5.1 Цель работы Цель работы – экспериментальное исследование определение температурной зависимости теплопроводность твердых механически обработанных материалов в режиме монотонного нагрева, ознакомление с методикой исследования и получение навыков в проведении эксперимента. 5.2 Задание 1) Ознакомиться с раборой прибора “Измеритель теплопроводимости ИТ – λ – 400” 2) Определить температурную зависимость коэффицента теплопроводности λ твердого механически обработанного материала в пределах интервала температуры от 25°С до 150°С. 3) Обработать результаты эксперимента. 4) Определить погрешность эксперимента по формуле (5.17) 5) Построить график зависимости коэффициента теплопроводности испытуемого образца λ от средней температуры  , т.е.  .6) Составить и защитить отчет по выполненной работе. ^ Коэффициент теплопроводности λ (Вт/(мК)) является физическим параметром, характеризующим способность тела проводить теплоту или интенсивность переноса теплопроводности в веществе и в общем случае зависит от температуры, количества подводимого или отводимого теплоты, давления, пористости, влажности и рода вещества. Численно он равен плотности теплового потока q (Вт/м2) при единичном температурном градиенте   Вт/(мК) (5.1)Значения коэффициента теплопроводности вещества необходимо для аналитического описания процесса теплопроводности в нем. Для измерения теплопроводности в измерителе теплопроводности использован метод динамического λ – калориметра, теоретическое обоснование которого подробно изложено в [9]. На рисунке 5.1 показана тепловая схема метода динамического  - калориметра. Испытуемый образец 4, пластина контактная 3 и стержень 5 монотонно разогреваются тепловым потоком Q (τ), поступающим от основания 1. Боковые поверхности стержня 5, образца4, пластины 2 и 3 адиабатически изолированы. Стержень 5 и контактная пластина 3 изготовлены из меди, обладающей высокой теплопроводностью, поэтому перепады температур на них незначительны. Тепловой поток Q (τ),проходящий через пластину 2, частично поглощается ее и далее идет на разогрев пластины 3, испытуемого образца 4 и стержня5. Размеры системы выбрали таким образом, чтобы потоки, аккумулируемые испытуемым образцом и пластиной, были по крайне мере в 5 … 10 раз меньше поглощаемых стержнем. В этом случае температурное поле образца 4 и пластины 2 оказывается близким к линейному и стационарному. Тепловые потоки, проходящие через испытуемый образец 4 и поглощаемые стержнем 5 Qо(τ), и среднее сечение пластины (тепломера) Qт (τ) определяются по формулам:  , Вт (5.2) , Вт (5.3)где ϴ0 – перепад температуры на испытуемого образца 4, К; Fо – площадь поперечного сечения образца, м2; R – тепловое сопротивление между стержнем 5 и контактной пластиной 3, м2  К/Вт; Со- полная теплоемкость образца 4, Дж/К; Сс – полная теплоемкость стержня 5, Дж/К; в- скорость разогрева измерительной ячейки, К/с; Кт*- коэффициент пропорциональности, характеризующий тепловую проводимость пластины (тепломера) 2, Вт/К; ϴт – перепад температуры на пластине тепломера 2, К; Ст – полная теплоемкость пластины тепломера 2, Дж/К; Сп – полная теплоемкость контактной пластины 3,Дж/К.Тепловое (термическое) сопротивление между стержнем 5 и контактной пластиной 3 определяются по формуле R=Ro+Rк , (5.4) где Ro- тепловое сопротивление образца, м2 К/Вт; Rк – поправка, учитывающая тепловое сопротивление контакта, неидентичность и тепловое сопротивление заделки термопар, м2К/Вт. Тепловое сопротивление образца определяется по формуле Ro=  , (5.5) где h- высота исследуемого образца, м; λ - коэффициент теплопроводности образца, Вт/(мК).На основании формулы (5.2), (5.3), (5.4), (5.5) получены рабочие расчетные формулы для теплового сопротивления образца и его теплопроводности: Ro=  - Rк, (5.6) где  с – поправка, учитывающая теплоемкость образца  с =  , (5.7) здесь Со=С(t) · mо, (5.8) Сс=См(t) · mс, (5.9) здесь Со(t), См(t) – ориентирововочное значение удельной теплоемкости образца и удельная теплоемкость меди, Дж/(кг·К); mо, mс – масса образца и стержня, кг. Значения См(t) и Со(t), даны в таблице 5.2.Коэффициент теплопроводности образца равен из (6.5) λ=  · (5.10)Вычисление значения λ образца следует относить к средней температуре образца  , которая определяется по формуле =tc(o)+0,5 ·At·По. (5.11) где tc(o) – температура, при которой проводилось измерение теплопроводности, оС;At - чувствительность термопары хромель-алюмель, К/мВ (таблица 5.2); По- перепад температуры на образце, мВ (таблица 5.3).Параметры Кт и Rк не зависят от свойств испытуемого образца, является «постоянным» измерителя. Значение Rк обычно дается для материалов С λ = 2 … 5 Вт/(м·К) и не превышает (10…20%) теплового сопротивления образца Ro. Для определения Кт и Rк производят градуировку измерителя с образцовой мерой из кварцевого стекла марки КВ (ГОСТ 15130-86) и образцом из меди М1 (ГОСТ 859-78), и показания записывают в таблицу 5.3. Для определения теплопроводности испытуемого образца в эксперименте необходимо на различных уровнях температуры измерять перепады температуры на тепломере  т и образца о в микровольтах, мкВ, Пт и По (таблица 5.3). Значение термо – эдс(мкВ) необходимо перевести в мВ и температуру Кельвина (мкВ·10-3 = мВ – таблица 5.3).Тогда  т= At· Пт, К и о=At· По, К, (5.12) где Пт , По – перепады температуры на пластине тепломера 2 и образце 4, мВ.Градуировка измерителя теплопроводности заключается в экспериментальном определении тепловой проводимости тепломера Кт и поправки Rк, которая учитывает контактное сопротивление образца – заделки термопар, динамические погрешности и неидентичность градуировки термопар. При определении Кт проводит пять эксперимента, в которых в качестве образца используют образцовую меру теплопроводности из плавленого кварца марки КВ ГОСТ 15130-86. Экспериментальные данные заносятся в таблицу 5.3 с учетом таблицы 5.2. Расчет Кт проводится без учета поправки Rк по формуле Кт =  ·  · F (1+ с), (5.13) где По- перепад температуры на образце в микровольтах, мкВ; Пt – перепад температуры на рабочем слое термопара в микровольтах, мкВ.При определении теплового сопротивления Rк проводят серию экспериментов с образцом из меди М1 (ГОСТ 859-78) (диаметр образца 15мм, высота – 5мм). Экспериментальные данные заносят в таблицу 5.3. Расчет Rк проводят по формуле Rк = ·  · (1+с) -  , (5.14) где  м- теплопроводность медного образца, Вт/(м·К);  м - высота медного образца (м=5 · 10-3, м),м.Значения теплопроводности м в зависимости от температуры приведены в таблице 5.2.Приводят уточненный расчет Кт с учетом среднего значения Rк по формуле Кт =   · F (1-к+с), (5.15) где кв – теплопроводность кварцевого стекла марки КВ, Вт/(м·К) (приведены в таблице 5.2). кв – высота образца из кварцевого стекла марки КВ (кв=4 м),м; F – площадь поперечного сечения образца из кварцевого стекла марки КВ, м2; с – поправка, учитывающая теплоемкость образца из кварца марки КВ; к- поправка, учитывающая тепловое сопротивление Rк.к= Rк· · (5.16)Среднее из вычисленных значений Кт используют при дальнейшей работе. Погрешности определения Кт и Rк являются случайными. Величина их зависит от квалификации и опыта экспериментатора и не должна превышать соответственно 5 и 10%. |
,°С
, Дж/(кгК)Похожие:
 | К. Т. Тулеуов, С. А. Абдукаримов. Термодинамика и основы теплотехники... Методические указания предназначены для студентов специальностей 050724, 050729, 050708. Они могут быть использованы студентами других... | | Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов... Теория электрических цепей Методические указания к лабораторным работам для студентов специальностей 5В071900, 5В070400, 5В070300,... |
| Методические указания к лабораторным работам по курсу «информационные системы в экономике» Методические указания к лабораторным работам по курсу «информационные системы в экономике» для студентов специальности 080105. 65... | | Методические указания к лабораторным работам «Основы метрологии и... Методичні вказівки до лабораторних робіт «Основи метрології та вимірювальної техніки» для студентів електротехнічних спеціальностей... |
| Поппер К. Открытое общество и его враги. Т. 1: Чары Платона. Пер... Первое издание — 1945. Второе издание (переработанное) — 1952. Третье издание (переработанное) — 1957. Четвертое издание (переработанное)... | | Методические указания к лабораторным работам по изучению операционной... Методические указания рекомендуется использовать для проведения лабораторного практикума в объеме 4 – 6 работ |
| Методические указания к лабораторным работам и самостоятельным по... «Информатика» и к учебной практике «Вычислительная техника» для студентов всех специальностей | | Методические указания к индивидуальному домашнему заданию по курсу... Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальностей: 14050265 «Котло-и реакторостроение», 14010165... |
| Методические указания по курсу «Математика» для студентов В данной работе приводятся тексты контрольных задач, соответствующих программе и методические указания по их выполнению. Издание... | | Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Информационные... Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования |