T-02

Wojskowa Akademia Techniczna Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu

LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

Instrukcja do ćwiczenia T-02

Temat: Wyznaczanie ciepła właściwego ciała stałego.

Opracował: mgr inż. Marek Rajewski Karczewski WAT Warszawa 2007

1. WPROWADZENIE 4 5 6 3 1

2

Ciepło właściwe pokrywy i mieszadła:

ck=896 [J/kg°C]

Rys. 1. Schemat kalorymetru 1-naczynie zewnętrzne, 2-naczynie wewnętrzne (właściwy kalorymetr), 3-pokrywa, 4-termometr, 5gumowy korek, 6-mieszadło Schemat kalorymetru wykorzystywanego do zajęć przedstawiono na rysunku 1. Naczynie kalorymetryczne 2 umieszczone jest w naczyniu zewnętrznym 1 wykonanym z tworzywa sztucznego. Od góry kalorymetr wraz z naczyniem zewnętrznym zamknięte są pokrywą 3, której dolna część wykonana jest z aluminium. 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA 2.1. Wyznaczanie ciepła właściwego ciał stałych. 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 1. Tabela 1. Protokół pomiarów Lp mk [g]

m1 [g]

m [g]

mw [g]

t1 [°C]

t2 [°C]

t3 [°C]

cp [J/kg°C]

Q [J]

1 2 3 4 5 Ciepło właściwe wody: cw= .....................[J/kg°C] Po zakończeniu pomiarów z poniższego bilansu cieplnego wyznaczamy ciepło właściwe badanego ciała:

m∗cp∗ (t2-t3)=mw∗cw∗ (t3-t1)+mk∗ck∗ (t3-t1)

mk – masa kalorymetru z pokrywą i mieszadłem [kg], ck – ciepło właściwe kalorymetru (aluminium) [J/kg°C], mw – masa wody [kg], cw – ciepło właściwe wody [J/kg°C], m - masa badanego ciała [kg], cp – ciepło właściwe badanego ciała [J/kg°C], t1 – temperatura początkowa wody i kalorymetru z pokrywa i mieszadłem [°C], t2 - temperatura początkowa badanego ciała [°C], t3 – temperatura końcowa: wody, kalorymetru i badanego ciała [°C]. 2.2. Wyznaczanie ciepła właściwego cieczy Przebieg ćwiczenia jest podobny do przebiegu przy wyznaczaniu ciepła właściwego ciał stałych. Różnica polega na tym, że przy wyznaczaniu ciepła właściwego cieczy należy użyć ciała stałego o znanym cieple właściwym i po ogrzaniu wsypać je do badanej cieczy znajdującej się w kalorymetrze. Tabela 2. Protokół pomiarów Lp mk [g] . 1

mp [g]

m1 [g]

mc [g]

t1 [°C]

t2 [°C]

t3 [°C]

cc [J/kg°C]

2 3 4 5 Ciepło właściwe ciała stałego: c1= .....................[J/kg°C] Po wykonaniu pomiarów układamy równanie bilansu cieplnego:

mp∗c1∗ (t2-t3)=mc∗cc∗ (t3-t1)+mk∗ck∗ (t3-t1)

mp - masa ciała stałego [kg], c1 – ciepło właściwe ciała stałego [J/kg°C], mc – masa badanej cieczy [kg], cc – ciepło właściwe badanej cieczy [J/kg°C], mk – masa kalorymetru z pokrywą i mieszadłem [kg], ck – ciepło właściwe kalorymetru (aluminium) [J/kg°C], t1 – temperatura początkowa wody i kalorymetru z pokrywa i mieszadłem [°C], t2 - temperatura początkowa badanego ciała [°C], t3 – temperatura końcowa: wody, kalorymetru i badanego ciała [°C].

Q [J]

2.3. Przemiana energii elektrycznej w energię wewnętrzną Ćwiczenie wykonywane jest na stanowisku, którego schemat przedstawiono na rysunku 2. 4 5 7

3 1

10 9 2 8

6

Rys.2. Schemat stanowiska do określania przemiany energii elektrycznej w energię wewnętrzną 1-naczynie zewnętrzne, 2-naczynie wewnętrzne (właściwy kalorymetr), 3-pokrywa, 4-termometr, 5gumowy korek, 6-spirala Joule’a, 7-rezystor suwakowy, 8-źródło pradu stałego, 9-wyłącznik (klucz), 10- amperomierz 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. Tabela 3. Protokół pomiarów Lp mk [g] m1 [g] mN [g] t1 [°C] t2 [°C] . 1

I [A]

R [Ω]

t [s]

∆E [J]

∆E [J]

(kalorymetru)

(spirali)

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

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

Energie uzyskaną przez kalorymetr w czasie przepływu prądu przez spiralę Joule’a obliczamy z zależności:

∆E=(mkck+mNcN)(t2-t1)

∆E – ilość energii uzyskana przez kalorymetr w czasie przepływu prądu [J], mk – masa kalorymetru [kg], ck – ciepło właściwe kalorymetru [J/kg°C], mN – masa nafty [kg], cN - ciepło właściwe nafty [J/kg°C],

t1 – temperatura początkowa kalorymetru i nafty [°C], t2 – temperatura końcowa kalorymetru i nafty [°C]. Natomiast energię dostarczoną do układu określamy z prawa Joule’a:

∆E=I2Rt [J]

∆E – ilość energii wydzielona przez spiralę [J], I – natężenie prądu płynącego przez spiralę [A], R – rezystancja spirali [Ω], T – czas przepływu prądu [s]. Po zakończeniu pomiarów i wyznaczeniu wartości energii należy je porównać i wyciągnąć wnioski. 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? 8. Co to jest ciepło właściwe? 9. Co to jest energia wewnętrzna?

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 rozkładu temperatury w ściankach oraz przewodności cieplnej cieczy. Lp.

Nazwisko i imię

Ocena

1 2 3 4 5 6 7 8 Podpis prowadzącego

Część pierwsza ćwiczenia polega na podgrzewaniu wody w specjalnym naczyniu grzewczym, 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. W drugiej części ćwiczenia należy oba naczynia opróżnić, ustabilizować w temperaturze otoczenia i powtórzyć ćwiczenie z tym, że do naczynia wlać glikol. Objętości zalewowe przestrzeni: V1 =64 cm3, V2 =250 cm3, Protokół pomiarów i obliczeń Lp U J t1 t2 t3 Czas Qsw Qsz Qpz Qw [V] [A] [°C] [°C] [°C] [s] [J] [J] [J] [J] Temperatura otoczenia to= ............. [°C] 1 2 3 4 5 Temperatura otoczenia to= ............. [°C] 1 2 3 4 5

Qz [J]

Uwagi

5.b. Określanie pojemności cieplnej próbek wykonanych z różnych materiałów. Lp.

Nazwisko i imię

Ocena

1 2 3 4 5 6 7 8 Podpis prowadzącego

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. 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).

Lp

Masa próbki [g]

Masa naczynia [g]

Protokół pomiarów i obliczeń Masa Masa tp [°C] tk [°C] naczynia z wody [g] wodą [g]

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

Q [J]

Q/m [J/kg]

5.c. Wyznaczanie rozkładu temperatury i przewodności cieplnej różnych materiałów. Lp. Nazwisko i imię Ocena Podpis prowadzącego 1 2 3 4 5 Protokół pomiarów i obliczeń 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 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]

5.d. Określanie wpływu rodzaju materiału próbki na zmianę jej wymiarów podczas nagrzewania. Lp.

Nazwisko i imię

Ocena

Podpis prowadzącego

1 2 3 4 5 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. Protokół pomiarów i obliczeń Rodzaj próbki

Objętość paliwa

Wydłużenie

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