Лабораторная работа № 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНОГО СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ ВОЗДУХА
Цель работы:термодинамический анализ политропного процесса -определение теплоемкости и показателя политропы, коэффициента разветвления теплоты, совершенной работы; количества тепла, отведенного от рабочего тела за время процесса; изменения внутренней энергии и энтропии, построение Р-V и Т-S диаграмм процесса.
Общие сведения
Большинство термодинамических процессов тепловых машин с достаточной точностью описывается уравнением
P?Vn = const, (1)
где n — показатель политропы — постоянная величина, которая в различных 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
, (2)
где Сv- теплоемкость газа при постоянном объеме, равная для воздуха 0,72 кДж/(кг?К),
k = Сp/ Сv — показатель адиабаты, равный для воздуха 1,4,
Ср — удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, равная для воздуха 1 кДж/(кг?К).
При изменении показателя политропы изменяется и величина теплоемкости, оставаясь постоянной в течении всего процесса. Из постоянства С и Сv следует постоянство так называемого коэффициента разветвления теплоты
, (3)
характеризующего долю теплоты, затраченную на изменение внутренней энергии рабочего тела. Связь между параметрами состояния политропного процесса и соотношения для определения основных термодинамических функций приводится в разделе «Обработка опытных данных».
Для анализа политропных процессов широко используют Р-V и Т-S диаграммы (рис. 1.1). При этом изохорный (n=¥, С= Сv) и изобарный (n=0, С= Ср) процессы на Р-Vдиаграмме изображаются линиями,параллельными соответствующим осям, а процессы изотермический (n=1, С=¥) и изоэнтропный ( адиабатный, (n= k, С= 0)
такими же линиями в Т-Sкоординатах.При этом площадьпод кривой процесса в Р-V диаграмме соответствует работе термодинамического процесса, а в Т-S диаграмме — количеству теплоты, участвующей в процессе.
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. 1.1 зоны соответствуют политропным процессам с отрицательной теплоемкостью, для которых kn 1.Эти процессы характерны для сжатия и расширения рабочего тела в тепловых машинах и имеют большое практическое значение. В них 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. 1.2. Она представляет собой цилиндр, внутри которого находится поршень.
Рис. 1.2 – Схема лабораторной установки. 1-цилиндр, 2-поршень, 3-винтовая пара, 4-манометр
Перемещение поршня осуществляется за счет поступательного движения штока с резьбой, который с помощью рукоятки вращают в резьбовом соединении в головке цилиндра. Давление внутри цилиндра, определяют по показаниям манометра и датчика абсолютного давления, подключенного к автоматической системе измерения.
Рабс олютное =Р манометрическое + Рбарометрическое
На практике характер политропного процесса определяется скоростью протекания процесса. При медленном сжатии воздуха теплота, возникающая за счет совершения работы над газом, успевает рассеиваться в окружающей среде. При этом температура сжимаемого газа практически не меняется, и процесс является изотермическим. При мгновенном сжатии процесс адиабатический, т.е. протекает без потерь тепла в окружающую среду. Здесь температура сжимаемого газа резко повышается, а давление становится намного больше, чем в изотермическом процессе при той же степени сжатия
l = V0/Vк
В связи с этим представляет интерес компьютерное моделирование политропных процессов, в котором задаются различные скорости процесса и анализируются изменения всех трех параметров состояния газа – давления, объема и температуры (рис. 1.3).
Рис. 1.3 – Схема установки для моделирования политропных процессов сжатия воздуха. 1 – рабочий цилиндр, 2- гидроаккумулятор для управляемого заполнения рабочего цилиндра жидкостью.
