Робота та закон термодинаміки у додатку до вирішення одного з видів технічних завдань
1.Мета роботи.Визначення за допомогою рівняння першого закону термодинаміки кількості теплоти, що віддається в навколишнє середовище в умовах лабораторної установки.
2. Основні положення. Одне з можливих формульних уявлень першого закону термодинаміки з розрахунку на 1 кг маси робочого тіла має вигляд
, (1)
де - відповідно, сумарні кількості теплоти і технічної роботи, що переносяться через контрольну оболонку термодинамічної системи;
Δh – зміна ентальпії робочого тіла, Δh
ΔЕкін – зміна кінетичної енергії потоку 1 кг робочого тіла
ΔЕпот – зміна потенційної енергії потоку1 кг робочого тіла
, (4)
h1, W1 та Z1 – відповідно, ентальпія, швидкість та геометрична висота від умовного рівня відліку для вхідного перерізу потоку робочого тіла;
h2, W2 та Z2 – відповідно, ентальпія, швидкість та геометрична висота від умовного рівня відліку для вихідного перерізу потоку робочого тіла.
Вся термодинамічна система представлена на рис. 1, ділиться на дві ділянки (дві підсистеми): перша ділянка - від вхідного перерізу I до перерізу IIа, а друга - від перерізу IIа до перерізу II. Кожна з цих ділянок полягає у своїй контрольній оболонці (на схемі показані пунктирною лінією).
При режимі теплообміну в установці всередині і з навколишнім повітрям температура труби (tx) не змінюється. В умовах цього стаціонарного режиму роботи установки рівняння першого закону термодинаміки для I-ї ділянки (підсистеми) набуває вигляду:
, (5)
le1 – робота електричного струму,компресора, що подається на електродвигун, що визначається за рівнянням:
де G - витрата повітря, що розраховується за показаннями вакуумметра повітромірного пристрою;
Не – потужність, що споживається електродвигуном компресора, оцінюється за показаннями амперметра та вольтметра. Частина цієї потужності передається повітрі у вигляді технічної роботи, що здійснюється компресором, а частина – у вигляді тепла;
qн1 – кількість тепла, що віддається системою на першій ділянці в навколишнє середовище.
Рівняння першого закону термодинаміки для ІІ-ї ділянки (підсистеми) набуває вигляду:
, (7)
lэ2 – робота електричного струму, що подається на нагрівання труби, що визначається за рівнянням:
де Nн - потужність, що споживається на нагрівання труби, що перетворюється повністю в тепло і оцінюється за показаннями амперметра і вольтметра. Частина цієї потужності відводиться у довкілля;
qн2 – кількість тепла, що віддається системою на II-й ділянці в довкілля.
Розрахункова схема ІІ-го ділянки може бути представлена в наступному вигляді:
Для термодинамічної системи в цілому рівняння першого закону термодинаміки утворюється підсумовуванням рівнянь (5) і (7) і подається у вигляді:
, (9)
де qн1 + qн2 = qн - загальна кількість теплоти, що віддається в навколишнє середовище.
3. Схема та опис установки. Робоче тіло - повітря компресором 1 (рис. 1) забирається з навколишнього середовища, стискається і надходить у горизонтальну ділянку труби 5. Повітря на шляху з навколишнього середовища в компресор проходить через повітромірний пристрій типу 2 типу «труба Вентурі». Кількість повітря, що проходить через установку, може змінюватися здопомогою заслінки 3. Параметри навколишнього середовища вимірюються приладами, розташованими на панелі 11 «Довкілля» (ртутний, чашковий барометр і рідинно-скляний термометр). На панелі 4 «Статичні натиски», розташовані три U-подібні манометри для вимірювання статичних тисків у перерізах: «горло» повітроміру (Н), на вході в компресор (Нв) і за компресором (Нн). В результаті підведеного тепла повітря, проходячи від перерізу I-I, де його температура дорівнює температурі навколишнього середовища t1 = tокр, нагрівається до температури t2а, яка вимірюється термопарою 6 в комплекті з вторинним приладом.
Мал. 1. Схема установки.
Для визначення потужності, підведеної до електродвигуна компресора, служить панель 8 «Робота компресора» з розміщеними на ній амперметром та вольтметром. Потужність, витрачена на нагрівання горизонтальної ділянки труби 5, визначається за показаннями вольтметра та амперметра, розташованих на панелі 10 «Нагрівання труби».