Определение удельной теплоты парообразования воды

Цель работы: определение удельной теплоты парообразования и средней удельной теплоёмкости воды, исследование процесса кипения.

1.1 Теоретические сведения

Во всех областях промышленного производства наибольшее распространение получил водяной пар, являющийся рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках и различных теплообменниках.

Процесс превращения вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Процесс кипения заключается в том, что если к жидкости подводить теплоту, то при некоторой температуре, зависящей от физических свойств жидкости и давления, наступает процесс парообразования как на свободной поверхности жидкости, так и внутри её.

Характерной особенностью процесса кипения является образование пузырьков пара. Различают кипение жидкости на твёрдой поверхности теплообмена и кипение в объёме жидкости.

Процесс кипения на твёрдой поверхности теплообмена может возникнуть тогда, когда температура жидкости выше температуры насыщения при данном давлении, а температура поверхности теплообмена выше температуры кипящей жидкости. Образование пузырьков пара происходит непосредственно на поверхности теплообмена.

Объёмное кипение может происходить при перегреве жидкости относительно температуры насыщения при данном давлении. Объёмное кипение можно получить при быстром уменьшении давления или при наличии в жидкости внутренних источников теплоты.

В современной теплоэнергетике обычно встречаются процессы кипения на твёрдых поверхностях, поэтому им уделим наибольшее внимание.

(3.1)

В пограничном слое жидкость перегрета относительно температуры жидкости в объёме на:

ΔТ=Т_ст-Т_ж,

где ΔТ, ⁰С - перепад температуры в пограничном слое

Т_ст, ⁰С - температура поверхности нагрева;

Т_ж, ⁰С - температура в объёме жидкости.

При плотности теплового потока q = 22 220 Вт / м² и температуре насыщенного водяного пара Т_ц = 100 ⁰С, температура в объёме жидкости Т_ж ⁼ 100,4 ⁰С, а Т ⁼ 109,1 ⁰С.

Как показывают наблюдения, пузырьки пара зарождаются только на обогреваемой поверхности в перегретом "пограничном слое жидкости и только в отдельных точках этой поверхности, называемых центрами парообразования. " Центрами образования пузырьков пара являются неровности самой поверхности нагрева, частицы накипи и выделяющиеся из жидкости пузырьки пара. Количество образующихся пузырьков пара будет тем больше, чем больше центров парообразования, чем больше перегрет пограничный слой, чем больше температурный напор или чем больше тепловая нагрузка поверхности нагрева.

При достижении определенных размеров пузырьки пара отрываются от поверхности и всплывают наверх, а на их месте возникают новые пузырьки. Если кипящая жидкость хорошо смачивает поверхность теплообмена, то пузырек пара имеет тонкую ножку и хорошо отрывается. Если кипящая жидкость не смачивает поверхность, то пузырек пара имеет толстую ножку, при этом верхняя часть пузырька отрывается, а ножка остается на поверхности.

Рост пузырьков и движение их после отрыва вызывают интенсивную циркуляцию и перемешивание жидкости в пограничном слое, в следствие чего резко возрастает интенсивность теплоотдачи от поверхности к жидкости. Такой режим называется пузырьковым кипением.

Если жидкость недогрета, то образующиеся на самой поверхности теплообмена пузырьки пара после отрыва сразу конденсируются, а процесс кипения ограничивается тонким пограничным слоем перегретой жидкости у поверхности. В этом случае пузырьки пара слабо перемешивают пристеночный слой, и теплоотдача в основном определяется свободной конвекцией. Этот режим называют поверхностным или конвективным кипением.

Переход от конвективного к пузырьковому кипению происходит при перепаде температуры в пограничном слое примерно равном 5 ⁰С.

С возрастанием температурного напора или с увеличением поверхностной плотности теплового потока число центров парообразования непрерывно увеличивается, и их становится так много, что отдельные пузырьки пара сливаются в сплошной паровой слой, который периодически в некоторых местах разрывается, а образовавшийся пар прорывается в объем кипящей жидкости. Такой режим кипения называется пленочным.

(3.2)

Сплошной паровой слой ввиду малой теплопроводности пара представляет большое термическое сопротивление (при р = 0,1 МПа, λ_воды= 0,68 Вт / м · К, а λ_пара = 0,02 Вт / м · К). Теплоотдача от стенки к жидкости резко падает, а температурный напор - возрастает. Коэффициент теплоотдачи при этом резко снижается, и если количество передаваемой теплоты остается неизменным, то из:

q=a-(T_ст-T_ж)

где а, Вт / м² · К -коэффициент теплоотдачи; при Т_ж = const произойдёт значительное увеличение температуры стенки. Увеличение температуры поверхности может привести к пережогу стенки и к аварии аппарата.

При кипении жидкости в большом объёме в условиях свободного движения коэффициент теплоотдачи зависит от физических свойств жидкости, температурного напора и давления. Форма сосуда существенного влияния на теплоотдачу не оказывает.

Если парообразование жидкости происходит в неограниченном пространстве, то вся она может превратиться в пар. Если же парообразование жидкости происходит в закрытом сосуде, то вылетающие из жидкости молекулы заполняют свободное пространство над ней, при этом часть молекул, движущихся в паровом пространстве над поверхностью, возвращается обратно в жидкость. В некоторый момент между парообразованием и обратным переходом молекул из пара в жидкость наступает равновесие, при котором число молекул, вылетающих из жидкости, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Пар в этом состоянии принимает максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным, то есть это пар, соприкасающийся с жидкостью и находящийся с ней в термическом равновесии.

Насыщенный пар, в котором отсутствуют взвешенные высокодисперсные (мельчайшие) частицы жидкой фазы, называется сухим насыщенным паром. Состояние сухого насыщенного пара определяется только одним параметром -давлением, или удельным объемом, или температурой.

Насыщенный пар, в котором содержаться взвешенные высокодисперсные частицы жидкой фазы, равномерно распределенные по всей массе пара, называется влажным насыщенным паром. Состояние влажного пара определяется двумя величинами: температурой или давлением и каким-либо другим параметром, например степенью сухости пара.

Если сухому насыщенному пару сообщить некоторое количество теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать. Пар, получаемый в этом процессе, называется перегретым. Перегретый пар над поверхностью жидкости получить нельзя. Перегретый пар является ненасыщенным, так как при данном давлении удельный объем перегретого пара больше удельного объема сухого насыщенного пара, а плотность меньше.

Фазовая pV - диаграмма системы, состоящей из жидкости и пара (рисунок 3.1), представляет собой график зависимости удельных объёмов воды и пара от давления.

 

Рисунок 3.1 Фазовая рv диаграмма вода – пар

 

Участок кривой АК называют пограничной кривой жидкости. Он характеризует удельный объем жидкости, находящейся в равновесии с паром, при изменение температуры. Так как жидкость практически не сжимается и её плотность слабо зависит от температуры, участок кривой АК почти параллелен оси ординат.

Участок кривой КВ называется пограничной кривой пара. Он характеризует удельный объем сухого насыщенного пара, находящегося в равновесии с жидкостью, при изменение темпиратуры.

Если при постоянном давлении сообщать воде теплоту, то её температура будет повышаться и удельный объем – увеличиваться. При некоторой температуре Т_кип вода закепит, а её удельный обьем V_кип в точке А1 достигает при данном давлении р_кип максимального значения (с увеличением давления растет температура кипения жидкости и её удельный объем).

В случае дальнейшего подвода теплоты при постоянном давление начнется процесс парообразования. При этом количество воды уменьшится, количество пара увеличится. В момент окончания парообразования в точке В1 пар будет сухим насыщенным. Если процесс парообразования протекает при постоянном давление, то температура его не изменяется и процесс А1 В1 является одновременно изобарным и изотермическим. Если к сухому насыщенному пару и далее подводить теплоту, то температура и объем его будет увеличиваться, и пар из сухого насыщенного перейдёт в перегретый (точка D).

Обе кривые АК и КВ сходятся в одной точке К, которая называется критической точкой. В критической точке различие между жидкостью и паром исчезает. Выше критической точки существование вещества в виде жидкости невозможно. Никаким давлением нельзя перевести газ в жидкое состояние при температуре выше критической.

Температура и давление в точке К называются соответственно: критическая темпиратура и критическое давление. Для воды критическая темпиратура Т_кр =374,12 ⁰С; критическое давление р_кр=22,115 Мпа; удельный объём в критической точке

V_кр=0,003147 м³/кг.

(3.3)

Количество теплоты, затраченное на парообразование 1 кг жидкости при температуре кипения до сухого насыщенного пара, называют удельной теплотой парообразования и обозночается r, Дж/кг. Теплота парообразования определяется давлением или температурой. С возрастанием последних r уменьшается и в критической точке делается равной нулю. Удельная теплота парообразования r расходуется на изменение внутренней потенциальной энергии р и на внешнюю работу расширения ψ. Величина р называется внутренней, а ψ-внешней теплотой парообразования.

R = р + Ψ = р + р • (V_пар – У_ж)

где V_пар, м / кг - удельный объём пара; v , м" / кг - удельный объём жидкости.

 

1.2 Приборы и оборудование.

Работа проводится на измерителе теплоёмкости ИТ - с - 400 (далее - измеритель). Описание устройства и работы измерителя приведено в лабораторной работе № 1 «Исследование температурной зависимости удельной теплоёмкости веществ».

1.3 Порядок выполнения работы

Вода заливается внутрь металлической ампулы и разогревается вместе с ней за счёт теплового потока, непрерывно поступающего к ампуле через тепломер (смотри рисунок 1.2 лабораторной работы №1).

Весь процесс разогрева можно разделить на три части:

А. Разогрев воды от комнатной температуры до точки начала кипения. В течение этой части процесса определяется средняя удельная теплоёмкость воды в температурном диапазоне от 40 до 80 ⁰С.

Б. Кипение воды - от точки начала кипения до точки полного выкипания воды в ампуле. В этой части исследуется процесс кипения и определяется удельная теплота парообразования воды.

В. Разогрев пустой ампулы после выкипания воды. Этот процесс исследуется только для определения момента полного выкипания воды.

Среднюю удельную теплоёмкость воды можно вычислить путём определения её истинной теплоёмкости в нескольких точках.

Произведём численное интегрирование полученных результатов методом трапеций. Так как истинная удельная теплоёмкость воды в интервале измерения меняется незначительно, производится замена интеграла суммой площадей вписанных трапеций:

(3.4)

,

где С_ср= Дж / кг · К - средняя удельная теплоёмкость в интервале температур Т, К - истинная удельная теплоёмкость при температуре Т; n - количество точек, в которых определялась истинная теплоёмкость.

При измерении истинной теплоёмкости через одинаковые интервалы температур можно записать:

(3.5)

,

Методика определения истинной теплоёмкости приведена в разделе 2 лабораторной работы № 1 «Исследование температурной зависимости удельной теплоёмкости веществ».

На рисунке 3.1 изображён график зависимости температуры основания (Т_осн) и температуры ампулы (Та) от времени. Из рисунка видно, что функция Т_а = f (t) в точках В и С резко меняет свой характер. Точке перегиба В соответствует начало пузырькового кипения. На самом деле кипение воды начинается раньше (точка А). На участке АВ происходит конвективное кипение, при котором тепловой поток от ампулы к воде незначителен.

Точке С соответствует момент полного выкипания воды и начало нагрева пустой ампулы.

Очевидно, что температура ампулы и температура кипящей воды различны, так как температура кипящей воды остаётся постоянной, а температура ампулы медленно возрастает.

(3.6)

Тепловой поток, проходящий через тепломер в процессе кипения воды, идёт на нагрев ампулы и парообразование:

,

где Р_т, В_т - тепловой поток через тепломер; Ра, Вт - тепловой поток, идущий на разогрев ампулы; Рпар, Вт - тепловой поток, идущий на парообразование.

Тепловой поток, идущий на разогрев ампулы может быть вычислен по формуле:

(3.7)

,

где Са, Дж / К - теплоёмкость ампулы (изменением теплоёмкости ампулы в процессе нагрева можно пренебречь);

dTg / dt, К / с - скорость возрастания температуры ампулы.

Скорость возрастания температуры ампулы, как это видно из графика, в процессе парообразования меняется незначительно, поэтому можно принять, что тепловой поток, идущий на нагрев ампулы, во времени меняется мало.

(3.8)

Тепловой поток через тепломер равен:

,

где: К_т, В_т / К - тепловая проводимость тепломера.

Как видно из графика, перепад температур на тепломере возрастает; следовательно возрастает и тепловой поток, идущий на парообразование.

Тепловой поток, идущий на парообразование, можно вычислить по формуле:

(3.9)

P_пар=K,-(T_осн-T_а)-C_а-dT_а/dt,

Количество теплоты, проходящее через тепломер за время кипения воды, с учётом постоянства теплопроводности тепломера Кт, можно вычислить по формуле:

(3.10)

,

где О_кипт, Дж - количество теплоты, прошедшее через тепломер за время кипения воды;

t_а, с - время начала кипения (точка A);

t_с, с - время окончания кипения (точка С).

Количество теплоты, затраченное на парообразование, можно вычислить по формуле:

(3.11)

Q_nap ⁼ Q_{кип Т} - Q_{кип А},

где Q_nap, Дж - количество теплоты, затраченное на парообразование;

Q_{кип а}, Дж - количество теплоты, затраченное на разогрев ампулы

(3.12)

,

где Т_ас, °С - температура ампулы в точке С;

(3.13)

Т_аА, °С - температура ампулы в точке А. Удельная теплота парообразования может быть вычислена по формуле:

,

где рв, кг / м³ - плотность воды при комнатной температуре;

Ve, м³ - объём испытуемого образца воды при комнатной температуре.

При разогреве пустой ампулы (правее точки С), тепловой поток, проходящий через тепломер, идет на разогрев ампулы и частично рассеивается внутри адиабатической оболочки (так как регулятор адиабатической оболочки не успевает отследить резкое повышение температуры ампулы, условия на некоторое время перестают быть адиабатическими).

Разогрев пустой ампулы может быть приближённо описан формулой:

(3.14)

Т_а=С_з+В_з-t-ЕХР(а-t+β),

где Т_а, ⁰С - температура ампулы,

t, с – время;

С _з, В _з, а, β - некоторые коэффициенты.

 

Кривая зависимости температуры основания от времени Т_осн = f(t) также делится точками В и С на три части.

Левее точки В, где перепад температур на тепломере почти не меняется, также остаётся постоянной и скорость разогрева основания (этот участок графика практически прямой).

От точки В до точки С (процесс парообразования) увеличивается перепад температур на тепломере и, соответственно, тепловой поток, который отводится от основания через тепломер. Поэтому скорость разогрева основания несколько снижается.

Правее точки С перепад температур на тепломере и тепловой поток через тепломер уменьшаются, и скорость разогрева основания возрастает.

Определение местоположения точки В производится в следующей последовательности.

На график наносятся точки зависимости Та = f (t), полученные в результате эксперимента, которые соединяются плавной линией. Приблизительно определяется место перегиба точки В кривой Та == f (t), и на график наносятся границы области перегиба. Ширина области перегиба должна составлять 60 с (по оси абсцисс), а центр должен находиться в точке наибольшей кривизны графика (определяется визуально).

Аналогично определяется область перегиба точки С. Её ширина должна быть 40 с.

Участок кривой Т_а = f(t) левее точки В аппроксимируется многочленом первой степени:

(3.15)

,

где Bi, Ci - некоторые коэффициенты, определяемые в процессе аппроксимации. При этом для вычисления коэффициентов В, С берутся точки, расположенные левее левой границы области перегиба точки В. Участок кривой Та = f(t) между точками В и С аппроксимируется многочленом первой степени:

(3.16)

.

Для аппроксимации используются точки, расположенные между правой границей области перегиба точки В и левой границей области перегиба точки С.

(3.17)

Абсциссу точки В (tВ) можно приближённо принять как абсциссу точки пересечения этих двух аппроксимирующих прямых:

.

(3.18)

Решая это уравнение относительно ta, получаем:

.

Определение абсциссы точки С производится аналогично.

Участок кривой Т_а = f(t) между точками В и С аппроксимируется.

(3.19)

Для нахождения коэффициентов Сз и Вз участок кривой Т оси = f (t) (зависимость температуры основания от времени) правее точки С аппроксимируется многочленом первой степени:

.

(3.20)

Для аппроксимации выбираются точки, расположенные правее правой границы области перегиба точки С. Коэффициент Вз принимается равным В4, а С4 вычисляется по формуле:

.

(3.21)

Коэффициенты а и Р находятся следующим способом

,

где ti, Т_а; - соответствующие координаты экспериментально определённых точек зависимости

Т_а = f (t) правее точки С, тогда:

(3.22)

.

Полученная зависимость аппроксимируется многочленом первой степени. Для аппроксимации выбираются точки, расположенные правее правой границы области перегиба точки С. За принимается коэффициент В, а за - коэффициент С аппроксимирующей функции.

(3.23)

Абсциссу точки С (tc) можно приближённо определить, решив уравнение относительно t_с:

Уравнение решается в численном виде, например, методом деления отрезка пополам.

Для определения местоположения точки А можно воспользоваться условием, что точка начала конвективного кипения (точка А) находится примерно на 5 ⁰С ниже точки начала пузырькового кипения (точка В).

(3.24)

Кривая Т_а = f(t) левее точки В аппроксимируется многочленом второй степени:

T_а=A5·t²+B5·t+C5

(3.25)

Аппроксимация проводится по точкам, расположенным левее точки В. Время начала конвективного кипения ta находится из уравнения:

А₅ · 1в² + В₅ · t_В + C₅ - 5 = А₅ ² + В₅ · t_A +, С₅

Решая относительно t_A, получаем

(3.26)

Для удобства дальнейших вычислений кривые Т_а = f(t) и Т_осн ^=: f(t) аппроксимируется многочленами второй степени на участках А - В и В - С (кусочная аппроксимация):

(3.27-3.31)

Аппроксимация функций Т_а - f (t) и Т_осн ⁼⁼ f (t) на участке В - С производится по точкам, расположенным между точками В и С, а на участке А - В - по точкам, расположенным между точками А и В, по первой точке, расположенной левее точки А и по первой точке, расположенной правее точки В.

Количество теплоты, которое пошло на парообразование, можно вычислить по формуле:

(3.32)

Тепловой поток, идущий на парообразование в момент времени t можно вычислить по формуле:

(3.33)

.

 

если1_A<1<1в.

(3.34)

,

если 1в < t < tc.

(3.35)

Разность температур между кипящей водой и ампулой в момент времени t может быть вычислена по формулам:

(3.36)

та ⁼ А_аАВ ·t_a^{2 +} В_аАВ ·t_a + C_aAB

ΔТ_АВ = А_аАВ · t² + В_аАВ · t + C_aAB - т_а

(3.37)

если ia < t < t_B.

ΔТ_вС = А_аВС • t² + В_аВС • t + С_аВС - т_а

если 1в < t < tc,

где: Т_а,°С - температура кипения воды (температура ампулы в точке A), ΔT,,°С - разность температур между кипящей водой и ампулой.

(3.38)

Поверхностная плотность теплового потока в момент времени t может быть вычислена по формуле:

q=P_nap/S_a,

где q, Вт / м² - поверхностная плотность теплового потока; Sa = 1,77 · 10⁰⁴ м² площадь дна ампулы (тепловым потоком с боковых стенок ампулы можно пренебречь).

Таким образом, тепловой поток, разность температур между кипящей водой и ампулой и поверхностная плотность теплового потока в процессе кипения воды увеличиваются.

(3.39)

Коэффициент теплоотдачи поверхности соприкосновения ампулы и кипящей воды может быть вычислен по формуле:

.

(3.40)

Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении также может быть вычислен по эмпирической формуле:

,

где _расч, Вт / м² · К - расчётный коэффициент теплоотдачи; р, МПа - абсолютное давление пара (при кипении равно атмосферному давлению).

1.2 Приборы и оборудование

В данной работе используются барометр, милливольтметр и нагреватель

1.3Порядок выполнения работы

Перевести выключатели «СЕТЬ» и «НАГРЕВ» блока питания и регулирования в положение «ВЫКЛ», а ручку регулятора напряжения оттянуть на себя и повернуть до отказа против часовой стрелки.

Установить на блоке измерительном переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» в положение «УСТ. О», переключатель «ТЕМПЕРАТУРА» - в положение «50° С».

Установить выключатель «СЕТЬ» милливольтметра в положение «ВЫКЛ», переключатель режима работы - в положение «50-0-50», переключатель диапазона в положение «1 mV».

Поднять и повернуть на 90º верхнюю часть измерительной ячейки блока измерительного. Протереть контактную поверхность ампулы и крышку ампулы.

Отмерить с помощью мерной пипетки 1 мл воды и залить её в ампулу. Это осуществляется в следующей последовательности: сжать резиновую трубку пипетки и погрузить кончик пипетки в стакан с водой. Медленно отпуская резиновую трубку, набрать воду в пипетку на 1 - 2 см выше верхней отметки пипетки (кончик пипетки должен находиться ниже уровня воды, в столбе воды в пипетке не должно быть воздушных пузырьков). Поднять кончик пипетки над уровнем воды и, медленно сжимая резиновую трубку, слить излишки воды до верхней отметки пипетки. Медленно отпуская резиновую трубку, поднять уровень воды в пипетке на 1 - 2 см, в нижней части пипетки при этом образуется воздушный пузырёк. Перенести кончик пипетки в ампулу, стараясь не сжимать и не разжимать резиновую трубку. Слить воду в ампулу до нижней отметки пипетки (кончик пипетки должен находиться выше уровня воды в ампуле). После слива воды вторично, медленно разжимая резиновую трубку, поднять уровень воды в пипетке на 1 - 2 см, перенести пипетку в стакан с водой и слить из пипетки оставшуюся в ней воду. Поместить на поверхность воды в ампуле шарик парафина диаметром 2-3 мм и закрыть крышку ампулы.

Измерить и записать показания барометра р_атм-(атмосферное давление).

Повернуть на 90° и опустить верхнюю часть измерительной ячейки. Подключить блок питания и регулирования и милливольтметр к сети 220 В. Включить выключатель «СЕТЬ» блока питания и регулирования и выключатель «СЕТЬ» милливольтметра, дать приборам прогреться в течение 5 минут.

После прогрева проверить положение нуля милливольтметра»: стрелка прибора должна стоять на отметке 50 ± 1 деление по верхней шкале, переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» блока измерительного должен быть в положении «УСТ. О» (коррекция нуля прибора производится преподавателем).

Установить по вольтметру блока питания и регулирования начальное напряжение 40 ± 2 В. Установка начального напряжения производится с помощью ручки регулятора напряжения, при повороте этой ручки её необходимо оттянуть на себя.

Включить кнопкой «НАГРЕВ» блока питания и регулирования основной нагреватель.

Перевести переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» блока измерительного в положение «t₁».

В момент прохождения стрелки милливольтметра через отметку 40 (по верхней шкале) включить секундомер. Для более точного определения момента прохождения стрелки через отметки следует визуально совместить стрелку и ее отражение на зеркальной части шкалы прибора.

Перевести переключатель «ИЗМЕРЕНИЕ» блока измерительного в положение «t₂», стрелка милливольтметра при этом должна сместиться влево.

В момент прохождения стрелки милливольтметра через отметки (по верхней шкале) выключить секундомер.

Записать показания секундомера (т-г) в таблицу 3.5

Время измерения составляет 15 - 30 с. Время нагрева воды от одного значения температуры, при котором производится измерение теплоёмкости, до следующего - если измерения производятся через 10 °С - от 1 до 3 минут.

Повторить измерение времени Т при значениях температур 50, 60, 70, 80 ⁰С (указанные значения температур соответствуют показаниям милливольтметра в делениях по верхней шкале при положении переключателя «ТЕМПЕРАТУРА» - «50 °С»).

Перевести переключатель «ТЕМПЕРАТУРА» в положение «100 °С».

Снимать и записывать в таблицу 4.6 каждые 20 с показания милливольтметра при положении переключателя «ИЗМЕРЕНИЕ» «t₁» и «t₂» в делениях верхней шкалы милливольтметра, причём в первую очередь должны сниматься показания милливольтметра в положении переключателя «ИЗМЕРЕНИЕ» - «t₂», а затем сразу же в положении «t₁».

Выключить выключатели «СЕТЬ» и «НАГРЕВ» блока питания и регулирования, выключатель «СЕТЬ» милливольтметра. Отключить блок питания и регулирования и милливольтметр от сети.

Поднять и повернуть на 90° верхнюю часть корпуса измерительной ячейки для её охлаждения. Подождать пока измерительная ячейка достаточно остынет и протереть ампулу, крышку ампулы и основание от излишков парафина.

 

Таблица 3.1

Т, дел, °с
Δt,с

 

Таблица 3.2

t, мин,с
Та, дел («t2»)	40 столбцов
Тосн дел(«t1»)

 

Обработка результатов измерений

Вычислить и занести в таблицу 3.3 значения истинной удельной теплоёмкости воды Ст для каждого значения температуры Т, указанного в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3

Т,°С
Δt, с
Ct, Дж / кг · К

 

(3.41)

Значения At приведены в таблице 3.3, значения Ст вычисляются по формуле:

,

где Кт = 0,49 Вт / К - тепловая проводимость тепломера; τ_о = 11,6 с - постоянная прибора; р = 1000 кг / м³ - плотность воды;

V = 1 · 10^-6 м³ - объём воды в ампуле.

(3.42)

Вычислить среднюю удельную теплоёмкость воды с, Дж / кг • К в интервале температур 40-80 ⁰С по формуле

.

Определить относительную погрешность измерения по формуле:

(3.43)

,

где Сист ⁼ 4190 Дж / кг · К - истинное табличное значение средней удельной теплоёмкости воды в указанном интервале температур.

Занести значения t, Та, Т_осн в таблицу 3.4, при этом перевести значения t, выраженные в минутах и секундах, в секунды, значения Та и Т_осн, выраженные в делениях милливольтметра - в градусы Цельсия. Для перевода Та и Т_осн в градусы Цельсия необходимо к их значениям, выраженным в делениях милливольтметра, прибавить 50.

 

Таблица 3.4

T,c
Ta,0C	40 столбцов
Tосн,0С

 

По данным таблицы 3.4, построить график зависимостей Та = f(t) и Т_осн = f(t), на графике обозначить экспериментально определённые точки, выделить область перегиба точки В и область перегиба точки С.

Произвести аппроксимации по таблице 3.4 и графику и определить абсциссу точки В, результаты занести в таблицу 3.5.

 

Таблица 3.5

Левая прямая

Правая прямая

ТочкаВ

С1

d1

f1

g1

B1

C1

c2

d2

f2

g2

B2

C2

TB,c

 

Произвести аппроксимации по таблице 3.4 и графику и определить абсциссу точки С, результаты занести в таблицы 3.6, 3.7, 3.8.

При аппроксимации функции Т_осн = f (t) необходимо учитывать, что при выполнении работы значение Т_осн снимается примерно на 2 секунды позже чем Т, а, поэтому ко времени tj нужно прибавлять 2 секунды.

 

Таблица 3.6

Аппроксимация Тосн=f(t)	Правая кривая	ТочкаС
c4	d4	f4	g4	B4	C4	B3	C3	Tc,c

 

Таблица 3.7 Правая кривая

ti,c
TAi,0C

 

Таблица 3.8 Вычисление α и β

с	d	f	G	B(α)	С(β)

 

Произвести аппроксимации по таблице 3.6 и графику и определить абсциссу точки А, результаты занести в таблицу 3.9.

 

Таблица 3.9

a5

b5

c5

d5

e5

f5

g5

A5

B5

C5

ta1

ta2

ta

Произвести аппроксимации по таблице 3.6 функций Т_а = f(t) и Т_осн = r(t) на участках АВ и ВС.

 

Таблица 3.10 Т_а=f(t), участок АВ

а	B	С	D	е	F	G	АаАВ	ВаАВ	СаАВ

 

Таблица 3.11 Т_а=f(t), участок ВС

А	b	С	d	е	f	G	АаВС	ВаВС	СаВС

 

А	B	С	d	е	F	g	А оснАВ	Восн АВ	Сосн АВ

Таблица 3.12 Т_осн=f(t), участок АВ

 

Таблица 3.13 Т_осн=f(t), участок ВС

а	B	С	d	е	f	G	А оснВС	В оснВС	c оснВС

 

Вычислить количество теплоты, которое пошло на парообразование, теплоёмкость ампулы Са= 5,7 Дж/К, тепловая проводимость тепломера

Кт = 0,49 Вт / К.

Вычислить удельную теплоту парообразования воды

(3.44)

Определить относительную погрешность измерения γ_r % по формуле:

,

где r, Дж / кг - удельная теплота парообразования, определённая экспериментально;

r_ист⁼⁼ 2,26 · 10⁶ Дж / кг- истинное табличное значение удельной теплоты парообразования при условиях эксперимента.

По величине измеренного атмосферного давления р_атм определить истинную температуру кипения воды Т_{кип ист} °С.

 

Таблица 3.14

Ратм, кПа Т									98 1
Tкип ист°С	96,7	97,0	97,3	97,6	97,9	98,2	98,5	98,8

 

Таблица 3.15

Ратм, кПа
Т 0С Tкип ист°С	99,6	99,9	100,2	100,5	100,7	101,0	101,3	101,6

 

(3.45)

Вычислить температуру кипения воды Тд по экспериментальным данным, подставить значение t_a

.

(3.46)

Определить абсолютную погрешность экспериментального определения температуры кипения воды ΔТ_A, °С по формуле:

.

(3.47)

Вычислить внешнюю теплоту парообразования ψ, Дж / кг

Ψ = Р_атм · (V_nap - V_ж),

где V_nap = 1,7 м³ / кг; Vж = 1,04 ·10'³ м³ / кг.

(3.48)

Вычислить внутреннюю теплоту парообразования р, Дж / кг

.

Пользуясь построенным графиком, выбрать три точки на участке АВ, включая точку А, и семь точек на участке ВС, включая точки В и С (интервалы между точками на указанных участках должны быть примерно одинаковыми). Занести абсциссы выбранных точек (ti) в таблицу 1.18.

Вычислить и занести в таблицу 1.7 расчётные значения Т_а и Т_осн для выбранных точек. Отметить на графике вышеуказанные точки, обозначить точки А, В, С.

Занести в таблицу 1.20 значения теплового потока Р_{лар Ав} и Р_{пар вс}, для всех значений t, указанных в таблице.

Занести в таблицу 1.20 значения разности температур между ампулой и кипящей водой ΔT.

Занести в таблицу 1.20 значения поверхностной плотности теплового потока q.

Занести в таблицу 1.20 значения коэффициента теплоотдачи а_т поверхности соприкосновения ампулы и кипящей воды.

 

Таблица 3.16

	т. А	Участок АВ	т. В	участок ВС	т. С
т, с
Та,°С
Т °Г
Рпап, ВТ
ДТ,°С
q, Вт / м2
αт, Вт / м2 · К
αрасч, bt / М2 · К

Занести в таблицу 3.16 значения расчётного коэффициента теплоотдачи α_расч поверхности соприкосновения ампулы и кипящей воды, указанных в таблице на участке ВС.

По таблице 3.16 построить график зависимости расчётного коэффициента теплоотдачи О_расч и экспериментального а-г от поверхностной плотности теплового потока q.

 

1.4 Содержание отчета о работе

Отчёт о работе должен содержать: наименование и цель работы, краткое описание методики эксперимента, таблицы результатов измерений и расчётов, расчёты, 2 графика.

Контрольные вопросы

1. Что называется парообразованием?

2. Дать определение насыщенного пара.

3. Процесс парообразования.