Лабораторная работа №1. Исследование политропных процессов

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИТРОПНЫХ ПРОЦЕССОВ

Задание

1.  Провести эксперимент политропного расширения воздуха.

2.  Рассчитать параметры состояния газа в характерных точках и построить рабочую диаграмму процессов.

3.  Определить показатель политропы расширения.

4.  Вычислить энергетические характеристики процессов.

Лабораторная установка

Принципиальная схема лабораторной установки представлена на рис. 1. В состав установки входит металлический бак 1, объемом 35 литров, оснащенный клапаном для стравливания газа. Нагнетание воздуха в бак производится при помощи компрессора 2. Для измерения избыточного давления в баке служит U-образный жидкостной манометр 3, заполненный дистиллированной водой.

Рис. 1. Схема установки

Параметры состояния атмосферного воздуха в аудитории во время проведения опыта контролируются термометром и барометром.

Методика выполнения работы

Проведение эксперимента

С помощью компрессора провести нагнетание воздуха в бак до избыточного давления 500...800 мм вод. ст. Сжатие воздуха сопровождается его нагревом, поэтому после нагнетания сделать выдержку 5-7 минут, необходимую для выравнивания температур воздуха в баке и окружающей среды. При достижении установившихся показаний жидкостного манометра величину избыточного давления Р1 изб занести в табл.1.

Осуществить политропное расширение воздуха от начального давления Р1= Р1 изб+ Ратм до давления Р2 = Ратм . Для этого открыть клапан и удерживать его до тех пор, пока избыточное давление в баке не упадет до нуля. После завершения расширения клапан должен быть немедленно закрыт. Процесс политропного расширения воздуха сопровождается понижением температуры в баке и одновременно подводом теплоты от относительно более горячей окружающей среды. На P-v диаграмме, представленной на рис.2, этот процесс изображен линией 1-2.

Рис. 2. Рабочая диаграмма политропных процессов.

Выждать время, необходимое для прогрева воздуха, оставшегося в баке, до комнатной температуры. Нагрев в изохорных условиях сопровождается подводом к воздуху теплоты и возрастанием избыточного давления в баке. На диаграмме состояния этот процесс изображен линией 2-3. После установления показаний манометра значение Р3 изб занести в табл.1.

Замерить и занести в табл.1 значения параметров атмосферного воздуха в лаборатории.

Таблица 1

Избыточное давление, мм вод. ст.	Параметры атмосферного воздуха
Р1 изб	Р3 изб	t ,оС	Ратм, Па

Графический анализ процессов

На рабочей диаграмме (рис.2), кроме экспериментально выполненных процессов политропного расширения 1-2 и изохорного нагрева 2-3 построить графики процессов адиабатного расширения воздуха 1-4, изобарного нагрева при атмосферном давлении 4-2 и изотермического сжатия 3-1.

Перед построением графиков определить для характерных точек процессов параметры состояния воздуха, а также его массу и занести их в табл.2 (вычисления проводить с точностью до трех знаков после запятой).

При расчетах использовать уравнение состояния идеального газа

,

принимая значение удельной газовой постоянной воздуха R=287 Дж/(кг×К).

Для нахождения параметров точки 4 использовать уравнение адиабатного процесса в виде .

Для воздуха, как смеси двухатомных газов, принять значение показателя адиабаты k = 1,4 .

Таблица 2

	Характерные точки процесса
Параметр	1	2	3	4
Р, кПа
Т, К
, м3/кг
m, кг

По найденным значениям параметров состояния построить рабочую диаграмму пяти термодинамических процессов. Построение провести на миллиметровой бумаге. При выборе масштабов учитывать реальный диапазон изменения параметров. В силу малости относительного изменения параметров состояния допускается представить все процессы отрезками прямых линий.

Определение показателя политропы

Показатель политропы процесса 1-2 вычисляется из уравнения с учётом изотермичности процесса 1-3 () и равенства объёмов изохорного процесса 2-3 () по формуле

.

Расчет энергетических характеристик

Для всех пяти процессов, изображенных на диаграмме, вычислить массовую теплоемкость воздуха сφ, количество теплоты Q, изменение внутренней энергии U и энтальпии I, а также работу деформации L и располагаемую работу L¢ термодинамической системы.

Для нахождения изохорной и изобарной теплоемкостей использовать уравнение Майера

и соотношение .

В процессах, протекающих с переменной массой, использовать ее среднее значение. Результаты расчетов свести в табл. 3.

Таблица 3

Параметр	Процессы
1-2 политропный	1-4 адиабатный	4-2 изобарный	2-3 изохорный	3-1 изотермический
n
cφ, Дж/(кг К)
DU, Дж
L , Дж
Q , Дж
L¢ , Дж
DI, Дж

Дополнительные задания

1.  Изобразить термодинамические процессы в тепловой диаграмме (T-s).

2.  Указать на диаграммах точку, соответствующую состоянию воздуха в аудитории во время проведения опыта.

3.  Рассчитать плотность воздуха в аудитории во время проведения опыта.

4.  Определить массу воздуха, закачанного в бак перед расширением.

5.  Найти массу воздуха, который дополнительно вытек бы из бака, если после политропного расширения клапан оставить открытым.

6.  Изобразить на рабочей диаграмме процесс нагнетания воздуха в бак.

7.  То же самое выполнить на тепловой диаграмме.

8.  До какой температуры нагрелся бы воздух в баке, если процесс нагнетания той же массы воздуха произвести мгновенно?

9.  Какое давление в баке было бы при этом?

10.  До какой температуры нужно было бы нагреть воздух в баке при закрытом клапане для достижения давления Р1, если начальное состояние его соответствует атмосферным условиям?

11.  Вычислить термический КПД цикла 1-3-2-4-1 .