Учебная лабораторная установка по термодинамике

Изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию и может быть использовано при проведении лабораторных работ по физике и теплотехнике. Техническим результатом является повышение компактности оборудования. Технический результат достигается за счет того, что учебная лабораторная установка по термодинамике, содержащая компрессор, манометр, выпускной клапан и опытный сосуд, установленный на весах, снабжена электронагревателем и термоэлектрическим термометром, размещенными внутри опытного сосуда, и проточным калориметром с соленоидным клапаном, выпускной клапан снабжен электроприводом, компрессор, манометр, выпускной клапан с электроприводом и проточный калориметр с соленодным клапаном смонтированы непосредственно на опытном сосуде, причем все упомянутые электрические компоненты связаны гибким многожильным кабелем с пультом управления установки. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к учебно-лабораторному оборудованию и может быть использовано при проведении лабораторных работ по физике и теплотехнике.

Известна лабораторная установка для определения термического коэффициента давления воздуха (закон изохорного нагревания Шарля), состоящая из сосуда (стеклянного баллона), термометра, нагревателя (спиртовки), манометра и выпускного клапана (крана) [1].

Известна также лабораторная установка для определения отношения теплоемкостей воздуха C_p/C_v методом Клемана-Дезорма, состоящая из сосуда (стеклянного баллона большой емкости), выпускного клапана (крана) и компрессора [2].

Известна также лабораторная установка для определения изобарной теплоемкости воздуха С_р, состоящая из проточного калориметра с термометрами на входе и выходе и нагревателем, мощность которого измеряется при помощи амперметра и вольтметра (ваттметра), компрессора (вакуумного насоса), дросселя (сопла) и манометра для измерения расхода воздуха через калориметр [3].

Известна также лабораторная установка для определения газовой постоянной воздуха, состоящая из сосуда, установленного на весах, выпускного клапана (крана), манометра (вакуумметра), компрессора (вакуумного насоса) [4].

Все четыре установки конструктивно вполне работоспособны, однако каждая их них занимает довольно много места в учебной лаборатории.

Как видно из перечисления составляющих этих установок, в сущности, многие элементы их совпадают по назначению, что открывает возможности использования одноименных элементов при проведении разных работ, экономя на оборудовании и месте для его размещения.

За прототип принимаем установку [4], в состав которой входят такие базовые элементы, как весы и установленный на них сосуд. Вакуумный насос, вакуумметр и кран имеют большой вес, поэтому располагаются на лабораторном столе рядом с весами, занимают на столе много места, присоединяются к опытному сосуду вакуумным шлангом.

Техническим результатом данного изобретения является повышение компактности.

Технический результат достигается тем, что учебная лабораторная установка по термодинамике, содержащая компрессор, манометр, выпускной клапан и опытный сосуд, установленный на весах, снабжена электронагревателем, термоэлектрическим термометром, размещенным внутри опытного сосуда, и проточным калориметром с соленоидным клапаном. Выпускной клапан снабжен электроприводом. Компрессор, манометр, выпускной клапан с электроприводом и проточный калориметр с соленоидным клапаном смонтированы непосредственно на опытном сосуде, причем все упомянутые электрические компоненты связаны гибким многожильным кабелем с пультом управления установки. Наличие на опытном сосуде открывающегося в атмосферу выпускного клапана с электроприводом дает предлагаемой установке функциональные возможности установки [2], высвобождая всю занятую ею в учебной лаборатории площадь. Внутри опытного сосуда предлагаемой установки размещен электронагреватель и термоэлектрический термометр для измерения температуры воздуха, что, не увеличивая габаритов, дает функциональные возможности установки [1], высвобождая в учебной лаборатории площадь, занятую и ею. Кроме того, на опытном сосуде нашей установки смонтирован проточный калориметр с электронагревателем, термоэлектрическим термометром, дросселем расходомера, соленоидным клапаном, открывающим выход воздуха из опытного сосуда в проточный калориметр, когда проводится работа по определению изобарной теплоемкости воздуха. Для измерения температуры воздуха на входе в проточный калориметр используется термоэлектрический термометр, размещенный внутри сосуда и упомянутый выше. Сам сосуд при этом играет роль ресивера. Манометр, установленный на опытном сосуде, и дроссель расходомера позволяют измерить расход воздуха, нагнетаемого выше упомянутым компрессором через опытный сосуд в калориметр. Мощность нагревателя измеряется при помощи амперметра и вольтметра. Это дает установке и функциональные возможности установки [3], высвобождая в учебной лаборатории дополнительную площадь. Амперметр, вольтметр, вторичный (показывающий) прибор термоэлектрических термометров, регуляторы напряжения электронагревателей и компрессора, а также другие органы управления размещены в пульте управления и связаны с соответствующими электрическими элементами, смонтированными на опытном сосуде и внутри его при помощи гибкого многожильного кабеля, не препятствующего движению механизма весов и позволяющего сосуду, установленному на весах, свободно перемещаться при взвешивании изменения массы воздуха в нем для определения газовой постоянной.

На чертеже показана схема предлагаемой установки, которая содержит опытный сосуд 1, установленный на весах 2, компрессор 3, манометр 4, выпускной клапан 5 с электроприводом, электронагреватель 6 и термоэлектрический термометр 9 внутри сосуда, электронагреватель 7 и термоэлектрический термометр 8 проточного калориметра 17, на входе которого установлены дроссель 10 и соленоидный клапан 11, гибкий многожильный электрический кабель 12, связывающий установку с ее пультом управления 13, в котором находятся вторичный (показывающий) прибор 14 термометров 8 и 9, вольтметр 15 и амперметр 16 для измерения мощности электронагревателя 7 и другие органы управления установки.

Установка работает следующим образом:

При определении термического коэффициента давления воздуха α_р весы 2 неподвижно зафиксированы, соленоидный клапан 11 закрыт, компрессор 3 выключен. В начале опыта дистанционно с пульта 13 открывается выпускной клапан 5, давление внутри сосуда выравнивается с атмосферным, затем выпускной клапан 5 закрывается. Включается электронагреватель 6, начинается изохорный нагрев воздуха в сосуде 1. Через равные промежутки времени учащийся снимает показания одновременно давления - по манометру 4 и температуры - по термометру 9 с показывающим прибором 14. По этим измерениям вычисляется зависимость между давлением и температурой воздуха при изохорном нагревании: Р=Р_о(1+α_pt).

При определении отношения С_р/С_v для воздуха весы 2 неподвижно зафиксированы, соленоидный клапан 11 и выпускной клапан 5 закрыты. В начале опыта дистанционно с пульта 13 включается компрессор 3, давление воздуха поднимается до некоторого, измеренного по манометру 4 давления р₁, потом компрессор 3 отключается, дается небольшая выдержка времени, чтобы температура T₁ воздуха в сосуде сравнялась с комнатной. Это состояние «1» с параметрами P₁, V₁, T₁. Затем дистанционно на некоторое время открывается и вновь закрывается выпускной клапан 5, происходит адиабатное расширение воздуха из сосуда в атмосферу до состояния «2» с параметрами Р₂, V₂, Т₂, где P₂ - барометрическое давление, измеряется по барометру. T₂ при этом будет ниже комнатной. По термометру 9 можно продемонстрировать учащемуся, что температура несколько снизилась, хотя абсолютное значение Т₂ измерить не удастся из-за инерционности термометра 9. После закрытия выпускного клапана 5 за счет теплообмена сосуда 1 с атмосферой начинается изохорное нагревание воздуха в сосуде до состояния «3» с параметрами Р₃, V₃, Т₃, где Т₃=T₁ - это комнатная температура. Измеренные в опыте давления P₁, Р₂, Р₃ позволяют вычислить значение отношения

C_p/C_v=lg(P₂/P₁)/lg(P₃/P₁).

При определении газовой постоянной воздуха методом взвешивания весы 2 освобождены и находятся в рабочем состоянии. Соленоидный клапан 11 закрыт. Дистанционно открывают выпускной клапан 5, давление воздуха в сосуде 1 выравнивается с атмосферным Р_б, выпускной клапан 5 вновь закрывается. Стрелка весов устанавливается на «нуль» при помощи разновесов. Затем дистанционно включается компрессор 3, давление воздуха в сосуде 1 повышается до некоторого значения Р=Р_б+Р_м, где Р_м - показания манометра 4, а масса воздуха в сосуде увеличивается на некоторую величину Δм, которую можно определить при помощи весов 2. Температура воздуха Т в сосуде и до накачивания воздуха и после остается комнатной, ее можно измерить термометром 9. По результатам этих замеров можно вычислить удельную газовую постоянную воздуха R=Р_мV/Δм Т, где V - объем сосуда (известен априори).

При определении изобарной теплоемкости воздуха С_р весы 2 неподвижно зафиксированы, выпускной клапан 5 закрыт. Дистанционно открывается соленоидный клапан 11, включается компрессор 3 и электронагреватель 7 проточного калориметра 17. Расход воздуха, создаваемый компрессором 3 через калориметр 17, дистанционно регулируется при помощи регулятора напряжения, установленного в пульте 13. Чем больше этот расход, тем выше давление Р_м по показаниям манометра 4, так что массовый расход воздуха через калориметр G=Р_мD, где D - известный априори коэффициент расхода, зависящий от диаметра отверстия дросселя 10. Количество тепла, выделяемое в секунду электронагревателем 7, определяется произведением электрического тока I через него, измеряемого амперметром 16 на напряжение V, измеряемое вольтметром 15. Величина этого напряжения может быть задана при помощи еще одного регулятора напряжения, установленного в пульте 13. Прирост Δt температуры воздуха в результате нагрева в проточном калориметре 17 определяется по разности показаний термометров 8 и 9. Искомая средняя изобарная теплоемкость воздуха вычисляется по формуле С_pm=IV/(GΔt).

Источники информации

1. Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике. Раздел «Молекулярная физика». М.: Московский технологический институт пищевой промышленности (МТИПП), 1990, 33 с., с.3-9, рис.2.

2. Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике. Раздел «Молекулярная физика и термодинамика». М.: МТИПП, 1990, 23 с., с.3-12, рис.2.

3. Методические указания к выполнению лабораторных работ по технической термодинамике и теории теплообмена. М.: МТИПП, 1989, 51 с., с.17-21, рис.6.

4. Там же, с.8-11, рис.2.

Учебная лабораторная установка по термодинамике, содержащая компрессор, манометр, выпускной клапан и опытный сосуд, установленный на весах, отличающаяся тем, что она снабжена электронагревателем и термоэлектрическим термометром, размещенными внутри опытного сосуда, и проточным калориметром с соленоидным клапаном, выпускной клапан снабжен электроприводом, компрессор, манометр, выпускной клапан с электроприводом и проточный калориметр с соленодным клапаном смонтированы непосредственно на опытном сосуде, причем все упомянутые электрические компоненты связаны гибким многожильным кабелем с пультом управления установки.