T-01

Wojskowa Akademia Techniczna Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Instrukcja do ćwiczenia T-01

Temat: Badania wymiany i przewodzenia ciepła.

Opracował: mgr inż. Marek Rajewski WAT Warszawa 2007

1. POJĘCIA PODSTAWOWE Podstawowym warunkiem wymiany ciepła miedzy ciałami jest różnica temperatur. Wymiana ciepła może następować przez: - przewodzenie, - unoszenie (konwekcję), - promieniowanie. Poza tym istnieją jeszcze złożone przypadki wymiany ciepła, do których zaliczamy: - przejmowanie, - przenikanie. Przewodzenie to wymiana ciepła w obrębie tego samego ciała, najczęściej stałego. Polega ono na tym, że cząstki części ciała o wyższej temperaturze przekazują część ciepła cząstkom o niższej temperaturze. Schemat przewodzenia ciepła przedstawiono na poniższym schemacie: Gęstość strumienia ciepła określamy z prawa Fouriera: T1

q=

Q

T2 g

λ

(T 1 − T 2 ) , g Natomiast strumień ciepła przewodzony przez ściankę: Q =

λ

S (T 1 − T 2 ) g gdzie: T1, T2 – temperatury ścianki [K], g g – grubość ścianki [m], S – pole powierzchni ścianki [m2], λ – przewodność cieplna ścianki [W/m K], t – czas [s]. Natomiast rozkład temperatury w ściance płaskiej : (T − T 2 ) T ( x) = 1 x + T1 g Przy ustalonym przewodzeniu ciepła przez ściankę cylindryczną stosujemy nastepujące zależności: rozkład temperatury w ściance: (T − T 2 ) r T (r) = 1 ln + T2 r1 r2 ln r2 strumień ciepła przewodzonego przez ściankę: (T − T 2 ) Q = 2Π Lλ 1 r ln 2 r1 gęstość strumienia ciepła: (T − T 2 ) Q q = = 2Π λ 1 r L ln 2 r1 gdzie: r1, r2 – promienie ścianki [m], T1, T2 – temperatury ścianki [K], L – długość cylindra [m], t – czas [s]. Przejmowanie ciepła zachodzi wtedy, gdy wzdłuż nieruchomej ścianki o pewnej temperaturze przepływa ciecz lub gaz o temperaturze wyższej lub niższej od temperatury ścianki.

Ilość ciepła przepływającą w procesie przejmowania obliczamy z zależności Newtona: Q = α S (T 1 − T 2 ) gdzie: T1, T2 – temperatury ścianki oraz cieczy lub gazu [K], S – pole powierzchni ścianki [m2], α – współczynnik przejmowania ciepła [W/m2 K], t – czas [s]. Natomiast przenikanie ciepła to zjawisko przechodzenia ciepła od jednego płynu (cieczy lub gazu) do drugiego przez oddzielajacą je ściankę. W przypadku przedstawionym na schemacie wymiana ciepła między środowiskiem A i B odbywa się w trzech etapach: λ

T1 g

g

α2 g

Q

T3 g

-

T2

A

przejmowanie ciepła przez ściankę od płynu o temperaturze T1, przewodzenie ciepła przez ściankę, przejmowanie ciepła od ścianki przez płyn o temperaturze T4.

B

α1 g

T4 g

-

g

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA 2.1. Wyznaczanie rozkładu temperatury w ściankach oraz przewodności cieplnej cieczy Celem ćwiczenia jest zapoznanie ze sposobami wymiany i przepływu ciepła oraz z metodami wyznaczania jego wartości. Ćwiczenie składa się z dwóch części: Część pierwsza ćwiczenia polega na podgrzewaniu wody w specjalnym naczyniu grzewczym (rys. 1), w którym umieszczona jest grzałka elektryczna oraz czujniki temperatury. Przed rozpoczęciem podgrzewania należy odczytać temperaturę cieczy w obu komorach naczynia a następnie podgrzewać ciecz w wewnętrznym naczyniu przez określony czas. Po czym ponownie odczytać i zanotować temperatury cieczy, zewnętrznej ścianki naczynia oraz mocy pobieranej przez grzałkę. Wyniki zapisać w tabeli 1. T2

T1

+ - 24 V

grzałka

T3

V2

l1 l2

V1 d1 d2

Materiał stal: l1 =89 mm, l2 =131 mm, d1z =37 mm, d1w =33 mm, d2z =68.5 mm, d2w=62.5 mm, λ =45.4 W/mK, α =1000 W/m2K Objętości zalewowe przestrzeni: V1 =64 cm3, V2 =250 cm3,

Rys. 1. Schemat naczynia grzewczego do wykonania ćwiczenia. W drugiej części ćwiczenia należy oba naczynia opróżnić, ustabilizować w temperaturze otoczenia i powtórzyć ćwiczenie z tym, że do zewnętrznego naczynia wlać glikol. Na podstawie wyników pomiarów wyznaczyć: - rozkład temperatury w ściankach zbiorników, - strumienie ciepła przewodzonego przez ścianki: Qsw, Qsz,

- strumień ciepła przejmowanego od ścianki zewnętrznego cylindra: Qpz, - ciepło dostarczone do cieczy w zbiorniku wewnętrznym Qw i zewnętrznym Qz, Wymienione parametry należy wyznaczyć dla obu pomiarów. Wyniki obliczeń zamieścić w tabeli 1. W obliczeniach przyjąć następujące uproszczenia: - temperatura ścianek zbiornika wewnętrznego jest równa temperaturze omywającej je cieczy, - temperatura wewnętrznej ścianki zbiornika zewnętrznego jest równa temperaturze omywającej ją cieczy.

Lp

U t2 t3 Czas J t1 [V] [A] [°C] [°C] [°C] [s] Temperatura otoczenia to= ............. [°C]

Qsw [J]

Tabela 1. Protokół pomiarów - część 1 Uwagi Qsz Qpz Qw Qz [J] [J] [J] [J]

1 2 3 4 5 Temperatura otoczenia to= ............. [°C] 1 2 3 4 5 Następnie zamieścić wyniki obliczeń oraz własne wnioski i spostrzeżenia.

2.2. Określanie pojemności cieplnej próbek wykonanych z różnych materiałów Ćwiczenie polega określeniu ilości ciepła oddanego przez próbki wykonane z różnych materiałów. Ćwiczenie składa się z dwóch części. W części pierwszej umieszczamy próbkę w postaci wałka w naczyniu z wrzącą wodą i stabilizujemy przez około 2 minuty. W tym samym czasie do naczynia termostatycznego wlewamy około 150 cm3 wody zamykamy je i stabilizujemy do uzyskania stałej temperatury, następnie sprawnym ruchem przekładamy próbkę z wrzątku do naczynia termostatycznego zamykamy je i mierzymy temperaturę do czasu uzyskania stabilnej wartości. Temperaturę początkową i końcową zapisujemy w tabeli 2. Ćwiczenie wykonujemy dla kolejnych próbek o tych samych wymiarach geometrycznych a różniących się rodzajem materiału, z którego zostały wykonane (mosiądz, stal, stop aluminium oraz tekstolit). W drugiej części ćwiczenia pomiary powtarzamy dla dwóch próbek o tej samej masie, ale wykonanych z różnych materiałów (mosiądz i stop aluminium). Na podstawie wyników pomiarów należy określić ilość ciepła dostarczoną do wody zawartej w naczyniu termostatycznym oraz ilość ciepła na jednostkę masy próbki. Wyniki obliczeń zamieścić w tabeli 2.

Lp

Masa próbki [g]

Masa Masa Masa naczynia naczynia z wody [g] [g] wodą [g]

tp [°C]

Tabela 2. Protokół pomiarów – część 2 Q [J] Q/m tk [°C] [J/kg]

1 2 3 4 5 6 Ciepło właściwe wody: cp= .....................[J/kgK]

2.3. Wyznaczanie rozkładu temperatury i przewodności cieplnej różnych materiałów Ćwiczenia polega na określeniu rozkładu temperatury i strumienia ciepła w prętach wykonanych z różnego materiału: stal, miedź i stop aluminium. Schemat układu przedstawiono na rys. 2. Pręt (2) umieszczany jest jednym końcem w elektrycznej nagrzewnicy (1) natomiast drugi koniec jest swobodny w powietrzu. W czasie trwania ćwiczenia należy, co określony czas wykonać pomiar temperatury w kolejnych punktach, których rozmieszczenie podano na schemacie. Wyniki pomiaru zamieścić w tabeli 3. Pomiary wykonać kolejno na trzech prętach. 3 2

43

1

43

230

43

43

Rys. 2. Schema t układu pomiar owego 1nagrze wnica, 2- pręt pomiar owy, 3termop ara

Na podstawie wyników pomiarów określić rozkład temperatury w poszczególnych prętach dla kolejnych faz nagrzewania, temperaturę średnią oraz ilość ciepła dostarczonego do pręta. Wyniki obliczeń zamieścić w tabeli 3.

Tabela 3. Protokół pomiarów – część 3 Pręt ze stali Masa: m= ................. [g] Lp t1 [°C] t2 [°C]

cp=................[J/kgK] t3 [°C]

t4 [°C]

Temperatura średnia pręta: tśr=..................[°C]

Temperatura początkowa: t0= ........ [°C] Czas [s] t5 [°C] t6 [°C]

Ciepło dostarczone: Q= ....................[J]

Pręt ze stopu aluminium Masa: m= ................. [g] Lp t1 [°C] t2 [°C]

cp=................[J/kgK] t3 [°C]

t4 [°C]

Temperatura średnia pręta: tśr=..................[°C]

Temperatura początkowa: t0= ........ [°C] Czas [s] t5 [°C] t6 [°C]

Ciepło dostarczone: Q= ....................[J]

Pręt z miedzi Masa: m= ................. [g] Lp t2 [°C] t1 [°C]

cp=................[J/kgK] t3 [°C]

t4 [°C]

Temperatura średnia pręta: tśr=..................[°C]

Temperatura początkowa: t0= ........ [°C] Czas [s] t5 [°C] t6 [°C]

Ciepło dostarczone: Q= ....................[J]

2.4. Określanie wpływu rodzaju materiału próbki na zmianę jej wymiarów podczas nagrzewania. Ćwiczenie polega na pomiarze na specjalnym stanowisku zmiany długości prętów wykonanych z różnych materiałów podczas ich nagrzewania za pomocą palnika spirytusowego. Do naczynia palnika wlewamy za każdym razem określoną ilość paliwa i podpalamy. Zmianę długości określmy po wypaleniu się paliwa. Tabela 4. Protokół pomiarów – część 4

Rodzaj próbki

Objętość paliwa

Wydłużenie

UWAGA: Na zajęcia należy przynieść protokoły pomiarów znajdujące się w niniejszym opracowaniu. 3. Pytania kontrolne 1. Co to jest ciepło ? 2. Co jest miarą ciepła? 3. Co to jest wymiana ciepła? 4. Podać sposoby wymiany ciepła? 5. Co to jest przewodność cieplna? 6. Co określa współczynnik przejmowania ciepła? 7. Co określa współczynnik przewodzenia ciepła?

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA POJAZDÓW MECHANICZNYCH I TRANSPORTU LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

SPRAWOZDANIE Z ćwiczenia laboratoryjnego nr T-..... Temat:....................................................................................................

Wykonał: ..................................................... ...................................................... Grupa: ............................... Data wykonania ćwiczenia: ............................... Data oddania ćwiczenia: .................................... Prowadzący: ...................................................... 1. Cel ćwiczenia ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 2. Schemat blokowy stanowiska

3. Przebieg ćwiczenia ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 4. Wzory stosowane do obliczeń i przykładowe obliczenia: ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................

5. Wyniki pomiarów 5.a. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych.

Lp. 1

Nazwisko i imię

Ocena

2 3 4 5 6 7 8 Podpis prowadzącego

Ćwiczenie rozpoczynamy od określenia masy mk kalorymetru wraz z pokrywą i mieszadłem (na wadze laboratoryjnej). Następnie do kalorymetru wlewamy wodę w ilości ok. 1/3 jego objętości. Mierzymy na wadze masę kalorymetru wraz z wodą m1. Po wyrównaniu się temperatur wody i kalorymetru mierzymy temperaturę wody t1. Ciało stałe o masie m, którego ciepło właściwe chcemy określać przygotowujemy w stanie rozdrobnionym ogrzewamy w naczyniu (np. zanurzonym we wrzącej wodzie) i mierzymy jego temperaturę t2. Po ogrzaniu szybko wsypujemy do kalorymetru, zamykamy go pokrywą i mieszając czekamy do wyrównania się temperatur kalorymetru, wody i badanego ciała t3. Wyniki zapisujemy w tabeli. Protokół pomiarów i obliczeń Lp

mk [g]

m1 [g]

m [g]

mw [g]

t1 [°C]

1 2 3 4 5 Ciepło właściwe wody: cw= .....................[J/kg°C]

t2 [°C]

t3 [°C]

cp [J/kg°C]

Q [J]

5.b. Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy

Lp.

Nazwisko i imię

Ocena

1 2 3 4 5 6 7 8 Podpis prowadzącego

Ćwiczenie rozpoczynamy od określenia masy mk kalorymetru wraz z pokrywą i mieszadłem (na wadze laboratoryjnej). Następnie do kalorymetru wlewamy ciecz, której wyznaczamy ciepło właściwe, w ilości ok. 1/3 jego objętości. Mierzymy na wadze masę kalorymetru wraz z cieczą m1. Po wyrównaniu się temperatur cieczy i kalorymetru mierzymy temperaturę cieczy, t1. Ciało stałe o masie mp, i cieple właściwym c1 przygotowujemy w stanie rozdrobnionym ogrzewamy w naczyniu (np. zanurzonym we wrzącej wodzie) i mierzymy jego temperaturę t2. Po ogrzaniu szybko wsypujemy do kalorymetru, zamykamy go pokrywą i mieszając czekamy do wyrównania się temperatur kalorymetru, ciała stałego i badanej cieczy t3. Wyniki zapisujemy w tabeli Protokół pomiarów i obliczeń Lp.

mk [g]

mp [g]

m1 [g]

mc [g]

t1 [°C]

t2 [°C]

1 2 3 4 5 Ciepło właściwe ciała stałego: c1= .....................[J/kg°C]

t3 [°C]

cc [J/kg°C]

Q [J]

5.c. Przemiana energii elektrycznej w energię wewnętrzną

Lp.

Nazwisko i imię

Ocena

1 2 3 4 5 6 7 8 Podpis prowadzącego

Kalorymetr ważymy bez pokrywy i mieszadła, następnie napełniamy go naftą. Ważymy ponownie i obliczamy masę nafty. Łączymy układ elektryczny zgodnie ze schematem 2, zamykamy obwód kluczem 9 i opornicą suwakową 7 ustawiamy natężenie prądu na ok. 1,5 A, poczym wyłączamy prąd. Wkładamy do kalorymetru termometr i mieszając nim naftę oczekujemy ustalenia się temperatury. Następnie ponownie włączamy prąd i stoperem mierzymy czas jego przepływu. W czasie przepływu prądu należy mieszać naftę w kalorymetrze końcem termometru. Po upływie około 5 min. wyłączamy prąd i mieszając naftę oczekujemy ustalenia się temperatury, którą odczytujemy na termometrze. Wyniki zapisujemy w tabeli 3. Protokół pomiarów i obliczeń Lp. mk [g]

m1 [g]

mN [g]

t1 [°C]

t2 [°C]

I [A]

R [Ω]

t [s]

∆E [J] (kalorymetru)

1 2 3 4 5 cN= ...........................[J/kg°C]

ck= ...........................[J/kg°C]

∆E [J] (spirali)

6. Wnioski ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................