Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АрхитектураБиологияГеографияДругоеИностранные языки
ИнформатикаИсторияКультураЛитератураМатематика
МедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогика
ПолитикаПравоПрограммированиеПсихологияРелигия
СоциологияСпортСтроительствоФизикаФилософия
ФинансыХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника

Настройка программы

Читайте также:
  1. I. Общая характеристика программы
  2. II. Организационно-педагогические условия реализации программы (материально-техническое обеспечение образовательного процесса)
  3. II. Основные цели и задачи Программы с указанием сроков и этапов ее реализации, а также целевых индикаторов и показателей
  4. III. Мероприятия Программы
  5. IV. Обоснование ресурсного обеспечения Программы
  6. MEM.EXE/CLASSIFY|/DEBUG|/FREE|/MODULE имя_программы /PAGE
  7. V. Рабочие программы дисциплин

Циклы теплового двигателя

Оборудование

 

  Включено в комплект:  
  Модель тепловой машины TD-8572
  Большая опора штатива ME-8735
  Набор грузов с прорезями Ohaus (нужен только груз 200 г) SE-8726
  Груз (10 г) 648-06508
  Груз (20 г) 648-06509
  Держатель груза 648-04857
  Пластмассовые контейнеры (3 литра) для горячей и холодной воды 740-183
  Струна (нить) 699-011
  Стальной стержень 90 см ME-8738
  Датчик вращения CI-6538
  Датчик температуры CI-6505B
  Датчик низкого давления CI-6534A
Не включено, но требуется в работе:
  Интерфейс ScienceWorkshop 500 или 750 CI-6400
  Программное обеспечение DataStudio CI-6870

 

Введение

 

Тепловой двигатель – это устройство, производящее работу, отнимая тепловую энергию от горячей емкости и передавая ее холодной емкости. В данном эксперименте тепловой двигатель состоит из воздуха в цилиндре, который расширяется при погружении прикрепленного банки в горячую воду. Расширяющийся воздух толкает поршень и производит работу, поднимая груз. Цикл теплового двигателя завершается при погружении банки в холодную воду, в которой давление и объем воздуха возвращаются к исходным значениям.

 

Теория

 

Теоретическая максимальная производительность теплового двигателя зависит только от температуры горячей емкости TH и температуры холодной емкости TC. Максимальная производительность равна

.

Фактическая производительность равна

Где W – это работа, выполняемая тепловым двигателем над его средой, а QH – это тепло, отбираемое у горячей емкости.

 

В начале цикла воздух содержится при постоянной температуре, и груз помещается сверху поршня. Над газом совершается работа, и тепло передается холодной емкости. Внутренняя энергия газа () не меняется, так как не меняется температура. В соответствии с первым законом термодинамики, где Q – это тепло, переданное газу, а W – работа, совершаемая газом.

 

Во второй части цикла тепло передается газу, заставляя его расширяться и толкать поршень, совершая работу при подъеме груза. Этот процесс протекает при постоянном давлении (атмосферном давлении), так как поршень движется свободно. Для изобарического процесса, тепло, переданное газу, равно , где n – это количество молей газа в контейнере, CP – молярная теплоемкость при постоянном давлении, а DT – изменение температуры. Работу, совершаемую газом, можно найти с помощью первого закона термодинамики, , где Q – это тепло, переданное газу, а DU – внутренняя энергия газа, равная , где CV – молярная теплоемкость при постоянном объеме.

 

Так как воздух в основном состоит из двухатомных молекул, и .

 

В третьей части цикла груз поднимается на поршне при сохраняющейся высокой температуре газа. Тепло передается газу, и газ расширяется, совершая работу. При таком изотермическом процессе совершаемая работа равна

где Vi – начальный объем в начале изотермического процесса, а Vf – конечный объем в конце изотермического процесса. Так как изменение внутренней энергии равно нулю для изотермического процесса, первый закон термодинамики показывает, что тепло, передаваемое газу, равно работе, совершенной газом:

 

В последней части цикла тепло отнимается от газа в холодную емкость, поршень возвращается в исходное положение. Это изобарический процесс, и к нему применяются те же уравнения, что и для второй части цикла.

 


 

Установка

1. Установите стержень на опору. Прикрепите тепловой двигатель к стержню с помощью зажима. Тепловой двигатель должен быть ориентирован так, чтобы поршень был направлен вверх, а тепловой двигатель находился вблизи нижней части опоры (см. Рис. 1).

 

2. Закрепите датчик вращения в верхней части опоры и совместите средний паз шкива датчика вращения так, чтобы струна, выходящая из центральной части поршня теплового двигателя проходила через шкив.

 

Рисунок 1: Установка

3. Проденьте один конец струны через отверстие в верхней части поршня и привяжите этот конец струны к валу поршня под его платформой. См. Рисунок 2. Проденьте другой конец струны через средний паз шкива датчика вращения и закрепите держатель груза и грузы общей массой 35 грамм. Эти грузы играют роль противовеса для поршня.

 

4. Расположите поршень на расстоянии приблизительно 2 или 3 см от дна цилиндра и прикрепите трубку от банки к одному разъему теплового двигателя, прикрепите трубку от датчика давления к другому разъему теплового двигателя.

 

5. Подсоедините датчик давления к каналу A, два датчика температуры к каналам B и C, а датчик вращения к каналам 1

и 2 на компьютерном интерфейсе.

 

Рисунок 2: Крепление струны к поршню

6. Налейте горячую воду (температура приблизительно 80oC) в один пластмассовый контейнер (примерно наполовину). Налейте ледяную воду в другой пластмассовый контейнер. Большие (объемом примерно 3 литра) контейнеры будут сохранять воду горячей и холодной во время цикла работы теплового двигателя.

 


 

7. Поместите один датчик температуры в горячую воду, а другой датчик температуры в холодную. Обратите внимание, что датчики температуры помечены, как «горячий» и «холодный» в программе, соответственно нужно не перепутать, какой датчик помещается в горячую, а какой в холодную воду.

 

Настройка программы

 

1. Запустите DataStudio.

 

2. Загрузите файл "HeatEngineCycle". Этот файл предназначен для записи графика давления воздуха внутри цилиндра от объема (то есть, диаграмма P-V).

 

Ход работы

 

1. Выполните следующий цикл без задержки между этапами. Возможно, вы захотите несколько раз попрактиковаться перед записью данных. Начните с погружения банки в холодную воду. Эта начальная точка будет называться точкой A. Запишите значение высоты дна поршня. Начните запись данных на компьютере.

 

: Установите груз 200 г на платформу.

: Переместите банку из холодного контейнера в горячий.

: Уберите груз 200 г с платформы.

: Переместите банку из горячего контейнера в холодный.

 

2. Распечатайте график цикла. Отметьте четыре угла вашего графика A, B, C и D. Укажите температуры в точках A, B, C и D. Стрелками покажите направления цикла.

 

3. Укажите типы процессов (то есть изотермический и т.д.) и фактическую физическую работу (установка груза, помещение в горячий контейнер и т.д.) для линий A - B, B - C, C – D и D - A.

 

4. Укажите и пометьте два процесса, в которых тепло было передано газу.

 

5. Рассчитайте идеальный (максимальный) КПД теплового двигателя, работающего в цикле между двумя температурами, с помощью выражения 1.1.

6. Рассчитайте QH, тепло, передаваемое газу горячей емкостью при изобарическом расширении из точки B в C и при изотермическом расширении из точки C в D. Необходимо произвести следующие расчеты:

 

a) Мы не знаем начальный объем VA, но мы можем рассчитать его, измерив объем банки и добавив начальный объем воздуха в цилиндре. Пренебрегаем объемом в трубках.

 

 

где A – это площадь поперечного сечения поршня.

 

Рассчитайте VD с помощью изобары и уравнения состояния идеального газа: .

class=WordSection2>

 

b) Рассчитайте VC с помощью изотермы и уравнения состояния идеального газа:

 

PCVC =PDVD

 

c) Рассчитайте QC ®D. Для изотермы Q = nRT ln(Vf /Vi), и так как PV = nRT,

 

QC ®D = PD VD ln (VD /VC)

 

Помните, что Абсолютное P = (P датчика) + (Атмосферное P)

 

d) Рассчитайте QB ®C. Для изобары Q = nCpDT, и так как воздух – это двухатомный газ, Cp = 5/2 R и nR = PV/T,

e) Рассчитайте QH = QB ®C + QC ®D.

 

7. Рассчитайте работу, которую совершает газ, измерив площадь внутри графика.

 

8. Рассчитайте КПД e = работа, совершаемая газом/ тепло, полученное от горячего контейнера.

 

Насколько КПД отличается от идеального из части 5?

 

9. Рассчитайте фактическую работу, совершенную грузом 200 г с помощью уравнения W = mgh. Используйте только изменение высоты груза. Насколько она отличается от работы, совершаемой газом в части 7? Совершает ли газ еще какую-либо работу, кроме подъема груза 200 г?

 

10. Смешайте какое-то количество ледяной воды с горячей водой и наоборот, так чтобы температура в обеих емкостях была близка к одинаковой. Снова выполните цикл. Как высоко теперь поднимается груз? Каков теоретический КПД при использовании таких новых значений температуры?


Дата добавления: 2015-10-24; просмотров: 35 | Нарушение авторских прав


<== предыдущая страница | следующая страница ==>
Союзы, предлоги и сочетания с as| Комментарии сертифицированного мануального терапевта, Мэг Робинсон

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.014 сек.)