4 Визначення питомої теплоємності
4. ВИЗНАЧЕННЯ СПЕЦИФІЧНИХ ТЕПЛ
Кількість тепла, необхідна для підвищення температури тіла на один градус, називається калорійністю. Калорійність тіла є великим параметром, залежно від його маси та природи. Калорійність одиниці кількості речовини називається питомою теплоємністю або питомою калорійністю. Його значення не залежить від кількості речовини, яка є інтенсивною властивістю тіл.
Питома теплоємність c, або питома калорійність однорідної речовини, являє собою теплову енергію, необхідну одиниці кількості цієї речовини для підвищення температури на один градус без процесу, що спричиняє зміну фази або агрегатного стану. Кількість теплоти, що обмінюється тілом маси m в діапазоні температур (T 1 - T 2), визначається співвідношенням:
Q 12 = m × × (T 2 T 1) [J], (4.1)
звідси вираз питомої теплоти:
Відповідно до співвідношення (4.2) питома теплоємність - це величина, яка залежить від одиниці кількості речовини, від діапазону температур і від характеру теплового процесу.
З точки зору одиниці кількості розглянутої речовини, питома теплоємність, яка використовується в техніці, може бути:
а) питома маса нагріву, с, в Дж/(кг × К);
б) питомі теплоємності відносно нормального кубічного метра, с Н, в Дж/(м 3 Н × К);
в) питомі молярні нагрівання, С М, в Дж/(кмоль × К).
Питома теплоємність відносно одиниці об'єму c, [Дж/(м 3 × К)], дуже рідко використовується в практичному застосуванні.
Взаємозв'язки між цими конкретними видами тепла:
C M = M × c = V M × c N [Дж/(кмоль × K)], (4.3)
де: М - молекулярна маса речовини [кг/кммоль],
V M = 22 414 - молярний об’єм [м 3 Н/кммоль],
c N = r N × c [Дж/(м 3 Н. К)], (4.4)
де: r N - питома маса речовини за нормальних умов, в кг/м 3 Н .
З точки зору температурного діапазону, питомі температури можуть бути:
а) питомі реальні або миттєві нагрівання, c, c N, C M;
б) середні питомі теплоємності,
З точки зору природи перетворення, здійсненого речовиною, наступні специфічні нагрівання представляють інтерес для практики:
а) питомі нагрівання при постійному тиску, c Np, C Mp,
б) питомі нагрівання при постійному обсязі, c v, c Nv, C mv,
Залежність між конкретними нагріваннями визначається відносинами Роберта
R - конкретна константа ідеального газу, Дж/(кг × К);
- дійсний коефіцієнт об'ємного розширення, в градусах -1;
- коефіцієнт термічної стисливості, в Па -1 .
У твердих і рідких тілах практичне значення має лише питома теплоємність при постійному тиску. У газоподібних тілах c p визначається експериментально, а питома теплоємність при постійному обсязі, c V, отримується розрахунком з використанням співвідношень (4.5) та (4.6).
4.2. Опис установки та хід роботи
На рисунку 4.1 схематично показана установка, за допомогою якої визначається питома теплоємність газоподібних речовин, метанового газу у випадку з цим документом.
Рис.4.1. Установка для визначення питомої теплоємності a
Установка складається з теплообмінника 1, калориметра 2 та лічильника метанового газу 3.
У котушці теплообмінника 1 газ метан отримує тепло від калориметричної рідини всередині нього, яка нагрівається за допомогою пальника 4.
Температура t i і об'єм V газу метану на вході в теплообмінник 1, визначається за допомогою рідинного термометра 5 і лічильника 3.
На вході в калориметр 2 статичний тиск p st вимірюється рідинним манометром 6, а температура t 1 - термометром 7.
У калориметрі 2 газ метан віддає тепло в калориметричний вузол. Вимірюється його температура t 2 на виході з калориметра
Початкову і кінцеву температуру води в калориметрі визначають за допомогою прецизійного термометра 9, зчитування проводиться за допомогою лупи 10. Для рівномірності температури води в калориметрі використовується мішалка 11, що приводиться в дію від електродвигуна 12.
Питома теплоємність при постійному тиску газу метану визначається з урахуванням калориметра 2 як адіабатичного корпусу. Його калориметричне рівняння має вигляд:
Q 1 - кількість теплоти, що виділяється газом на калориметричний вузол, в Дж;
Q 2 - кількість теплоти, яку отримують елементи калориметра, в Дж.
Кількості тепла 1 і 2 визначаються співвідношеннями:
m - кількість газу метану, який проходить через калориметр, у кг;
- питома теплоємність при середньому постійному тиску, Дж/(кг × К);
t 1, t 2 - температура газу метану на вході та виході калориметра, в С;
m i - маса компонента i калориметричного вузла, в кг;
- питома теплоємність при постійному, середньому тиску компонента та калориметричного вузла, в Дж/(кг × К);
t o, t - початкова і кінцева температура води в калориметрі в o C.
у співвідношенні (4.9) він позначається C і називається теплотворною здатністю калориметра:
З наведених вище співвідношень випливає:
Кількість метану, що проходить через установку, визначається співвідношенням:
де: r N - питома маса газу метану при нормальному стані, в кг/м 3 Н;
V - об’єм газу в стані вимірювання, визначений за допомогою лічильника 3, в м 3;
V N - об'єм метанового газу, приведений до нормального стану, в м 3 Н;
T N = 273,16 K - температура при нормальному стані, в K;
T i = t i + 273,16 - температура газу метану в стані вимірювання, в К;
p st - статичний тиск газу метану в стані вимірювання, Па;
p b - барометричний тиск, в Па;
p N = 101325 Па - тиск при нормальному стані, Па.
Виміряні та обчислені величини централізовані в таблиці 4.1.