Определение теплового значения и тепловых потерь калориметрического сосуда”

 

Функциональный модуль №7 (рис. 17).

1. На передней панели модуля расположены крепежный винт 1, табличка с названием работы 2, гнезда 10 для подключения источника питания, гнезда 5 для подключения мультиметра (вольтметра), штуцер 4 для соединения с компрессором приборного блока, вентиль 7 напуска воздуха в рабочий объем, вентиль 8 перекрытия правого колена водяного манометра 9, переключатель 6 для последовательного подключения термопары и образцового сопротивления R0 к гнездам 5.

2. Воздух, находящийся в калориметрическом герметизированном сосуде 13 (рис. 18), нагревается электрической спиралью 11. Температура воздуха измеряется хромель-копелевой термопарой 12, концы которой спаяны с медными проводами переключателя 6. К переключателю 6 подсоединены провода от образцового сопротивления R0, соединенного последовательно с нагревателем 11. Токопроводы нагревателя соединены с гнездами 10.

Функциональный модуль №7 может быть использован для выполнения двух лабораторных работ различного уровня сложности.

 

Лабораторная работа 7-1.

Определение теплового значения и тепловых потерь калориметрического сосуда.

Процесс нагревания (охлаждения) вещества, находящегося в тепловой оболочке, подобен калориметрическому опыту.

Предположим, что начальная температура внутри оболочки T выше, чем температура окружающей среды Tc (рис. 19). В этом случае изменение температуры внутри оболочки при помещении внутрь вещества и последующем нагреве может быть представлено графиком.

Площадь под графиком на рис. 21 разделена на три области:

I – область охлаждения до нагрева;

I I – область нагрева с помощью внутренних источников;

I I I – область охлаждения после нагрева.

Произведем анализ процесса нагрева в области I I.

(34)

Для области нагрева количество тепла, подводимое внутрь системы за время dτ, равно:

Где:

 

 

- тепло, подводимое внутренним источником (электрическим нагревателем) за время dτ;

 

- тепло, необходимое для нагрева элементов оболочки (А - тепловое значение оболочки);

 

- тепловые потери оболочки (α – коэффициент теплоотдачи с поверхности);

- тепло, требуемое для нагрева воздуха, находящегося в оболочке.

 

(35)

Уравнение (34) запишем в виде:

 

Если объем воздуха в оболочке постоянен, то:

Где: Cv – изохорная теплоемкость воздуха;

- число молей воздуха в сосуде.

 

(36)

Для измерения тепловых потерь в системе опытным путем подбирается такое значение мощности нагрева IoUo, при котором температура внутри оболочки не меняется. При этом (34) записывается в виде:

 

(37)

Следовательно, можно найти коэффициент теплоотдачи:

 

(38)

Из (35) следует:

(39)

Следовательно:

Измеряя значения T_i и время нагрева τ _i и определив dT / dτ в определенной точке T, можно рассчитать по уравнению (39) величину A + Cv.

Критерием оценки правильности определения величины А является сравнение полученного значения А со значением, рассчитанным из табличных данных.

(40)

 

Где: С_Т = 850 Дж*кг^-1*К^-1– теплоемкость материала калориметрической оболочки;

m_т - масса калориметрической оболочки.

 

 

Функциональный модуль №7 (рис. 17, 18, 19, 20).

 

Лабораторная работа 17.

1. Соединить источник питания приборного модуля с помощью проводов с гнездами 10 модуля №7, мультиметр (вольтметр) приборного модуля – с гнездами 5 модуля №7.

2. Перекрыть вентилем 8 сообщения правого колена U-манометра с атмосферой.

3. Включить электропитание приборного модуля №10.

4. Ручкой регулятора напряжения источника питания приборного модуля установить напряжение на нагревателе калориметрического сосуда U=10 В и одновременно включить секундомер.

5. Переключить тумблер модуля 6 модуля №7 в положение “ < ” – измерение термо-э.д.с. термопары.

6. Произвести отсчет значений термо-э.д.с. термопары по показаниям мультиметра (вольтметра) через каждые 30 с. после установки напряжения на нагревателе калориметрического сосуда.

Результаты 10…15 отсчетов занести в таблицу.

7. Переключить тумблер модуля 6 модуля №7 в положение “ Ro ” – измерение падения напряжения на балластном сопротивлении. Произвести отсчет U на мультиметре (вольтметре) приборного модуля №10.

8. Произвести отсчет напряжения Uo на нагревателе калориметрического сосуда на вольтметре источника питания приборного модуля.

9. Переключить тумблер модуля 6 модуля №7 в положение “ < ”.

10. Ручкой регулятора напряжения источника питания приборного модуля уменьшать напряжение на нагревателе калориметрического сосуда до тех пор, пока мультиметр (вольтметр) не будет регистрировать постоянное во времени значение.

11. Произвести отсчет напряжения Uo на нагревателе по вольтметру источника питания приборного модуля.

12. Переключить тумблер модуля 6 модуля №7 в положение “ Ro ”. Произвести отсчет U(Ro) на мультиметре (вольтметре) приборного модуля.

13. Переключить тумблер модуля 6 модуля №7 в положение “ < ”.

14. Отключить источник питания приборного модуля, нажав клавишу “Вкл”.

 

Данные установки и таблица результатов измерений.

 

 

Вместимость калориметрического сосуда Значение балластного сопротивления Температура окружающей среды Ток в нагревателе рассчитывается по формуле

 

Таблица 13.

 

Нагрев	Стабилизированный режим
U = …, В; U(Ro) = …, мВ	Uo = …, В; UR = …, мВ
U I = …, Вт	Uo Io = …, Вт
№№ п/п	∆ ε, mV	∆ t, C	τ, C	№№ п/п	∆ ε o, mV	∆ to, C
1				1
2				2
…				…

 

15. Обработка результатов измерений.

1. Определить по ртутному термометру температуру воздуха в лаборатории и принять ее равной температуре окружающей среды tC.

2. По полученным данным (режим нагрева) построить график зависимости ∆ t = f (τ) (рис. 21), где ∆ t = t – tC.

3.

(72)

В точке 1, находящейся в середине графика ∆ t = f (τ) и соответствующей некоторому значению ∆ t1 провести касательную и определить производную d ∆ t / d τ по формуле:

Где: Uo и Io = Uo / Ro – напряжение и ток нагревателя в стабилизированном режиме T = const.

 

(73)

4. Рассчитать тепловое значение калориметрического сосуда по формуле:

 

где: - теплоемкость молей воздуха, находящегося в калориметрическом сосуде.

5. Сравнить значения А, полученные по формулам (73) со значением, рассчитанным из справочных данных.

 

Рис.17.

Рис.18.

Рис.19.

Рис.20.

 

Контрольные вопросы.

 

1. В чём заключаются общие принципы калориметрических

измерений?

2. Что называется теплопроводностью? В каких единицах измеряется?

3. Вывести формулу для определения потерь калориметрического

сосуда.