Xác định nhiệt dung đẳng áp khối lượng của không khí. Xác định nhiệt dung đẳng áp khối lượng của không khí Nhiệt dung riêng đẳng áp của bảng không khí
Dưới nhiệt dung riêng các chất hiểu lượng nhiệt phải được thêm vào hoặc trừ đi từ một đơn vị chất (1 kg, 1 m 3, 1 mol) để thay đổi nhiệt độ của nó thêm một độ.
Tùy thuộc vào đơn vị của một chất nhất định, các nhiệt dung riêng sau đây được phân biệt:
Công suất nhiệt lớn VỚI, gọi 1 kg khí, J/(kg∙K);
Nhiệt dung mol µС, gọi 1 kmol khí, J/(kmol∙K);
Nhiệt dung thể tích VỚI', gọi 1 m 3 khí, J/(m 3 ∙K).
Nhiệt dung riêng có liên hệ với nhau bởi mối quan hệ:
Ở đâu υn- thể tích riêng của khí ở điều kiện bình thường (n.s.), m3 /kg; µ - khối lượng mol của khí, kg/kmol.
Nhiệt dung của khí lý tưởng phụ thuộc vào bản chất của quá trình cung cấp (hoặc loại bỏ) nhiệt, tính nguyên tử của khí và nhiệt độ (nhiệt dung của khí thực cũng phụ thuộc vào áp suất).
Mối quan hệ giữa khối lượng đẳng áp Với P và đẳng tích C V công suất nhiệt được thiết lập theo phương trình Mayer:
C P - C V = R, (1.2)
Ở đâu R – hằng số khí, J/(kg∙K).
Khi một chất khí lý tưởng được nung nóng trong một bình kín có thể tích không đổi, nhiệt chỉ được tiêu tốn để thay đổi năng lượng chuyển động của các phân tử của nó và khi được nung nóng ở áp suất không đổi, do sự giãn nở của chất khí, công được thực hiện đồng thời với các ngoại lực. .
Đối với nhiệt dung mol, phương trình Mayer có dạng:
µС р - µС v = µR, (1.3)
Ở đâu µR=8314J/(kmol∙K) – hằng số khí phổ quát.
Thể tích khí lý tưởng Vn, giảm về điều kiện bình thường, được xác định từ mối quan hệ sau:
(1.4)
Ở đâu R n- áp suất ở điều kiện bình thường, R n= 101325 Pa = 760 mm Hg; Tn- nhiệt độ ở điều kiện bình thường, Tn= 273,15K; Pt, Vt, T t- áp suất vận hành, thể tích và nhiệt độ của khí.
Tỷ lệ nhiệt dung đẳng áp và đẳng nhiệt được biểu thị bằng k và gọi chỉ số đoạn nhiệt:
(1.5)
Từ (1.2) và xét đến (1.5) ta thu được:
Để tính toán chính xác, nhiệt dung trung bình được xác định theo công thức:
(1.7)
Trong tính toán nhiệt của các thiết bị khác nhau, lượng nhiệt cần thiết để làm nóng hoặc làm mát khí thường được xác định:
Q = C∙m∙(t 2 - t 1), (1.8)
Q = C′∙V n∙(t 2 - t 1), (1.9)
Ở đâu Vn- thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn, m3.
Q = µC∙ν∙(t 2 - t 1), (1.10)
Ở đâu ν - lượng khí, kmol.
Nhiệt dung. Sử dụng nhiệt dung để mô tả các quá trình trong hệ thống khép kín
Theo phương trình (4.56), nhiệt có thể được xác định nếu biết sự thay đổi entropy S của hệ. Tuy nhiên, thực tế là entropy không thể đo trực tiếp gây ra một số phức tạp, đặc biệt khi mô tả các quá trình đẳng tích và đẳng áp. Cần phải xác định lượng nhiệt bằng cách sử dụng một đại lượng được đo bằng thực nghiệm.
Giá trị này có thể là công suất nhiệt của hệ thống. Định nghĩa chung nhất về nhiệt dung xuất phát từ biểu thức của định luật nhiệt động lực học thứ nhất (5.2), (5.3). Dựa vào nó, mọi công suất của hệ C đối với công loại m được xác định theo phương trình
C m = dA m / dP m = P m d e g m / dP m , (5.42)
trong đó Cm là dung lượng hệ thống;
P m và g m lần lượt là thế năng tổng quát và tọa độ trạng thái của loại m.
Giá trị C m cho biết khối lượng công loại m phải được thực hiện trong những điều kiện nhất định để thay đổi thế năng tổng quát thứ m của hệ theo đơn vị đo của nó.
Khái niệm công suất của một hệ thống liên quan đến một công việc cụ thể trong nhiệt động lực học chỉ được sử dụng rộng rãi khi mô tả sự tương tác nhiệt giữa hệ thống và môi trường.
Công suất của hệ liên quan đến nhiệt được gọi là công suất nhiệt và được tính bằng đẳng thức
C = d e Q / dT = Td e S nhiệt / dT. (5.43)
Như vậy, Công suất nhiệt có thể được định nghĩa là lượng nhiệt phải truyền cho một hệ thống để thay đổi nhiệt độ của nó thêm một Kelvin.
Nhiệt dung, giống như nội năng và entanpy, là một đại lượng tỉ lệ thuận với lượng vật chất. Trong thực tế, nhiệt dung trên một đơn vị khối lượng của một chất được sử dụng - nhiệt dung riêng, và nhiệt dung trên một mol chất, - nhiệt dung mol. Nhiệt dung riêng tính bằng SI được biểu thị bằng J/(kg K) và công suất mol tính bằng J/(mol K).
Nhiệt dung riêng và nhiệt dung mol có liên hệ với nhau bởi mối quan hệ:
C mol = C đánh M, (5,44)
trong đó M là khối lượng phân tử của chất đó.
Phân biệt công suất nhiệt thực (vi sai), được xác định từ phương trình (5.43) và biểu thị mức tăng nhiệt cơ bản với sự thay đổi nhiệt độ vô cùng nhỏ, và công suất nhiệt trung bình, là tỷ số của tổng lượng nhiệt trên tổng độ thay đổi nhiệt độ trong một quá trình nhất định:
Q/ĐT. (5,45)
Mối quan hệ giữa nhiệt dung riêng thực và nhiệt dung riêng trung bình được thiết lập bởi mối quan hệ
Ở áp suất hoặc thể tích không đổi, nhiệt lượng và theo đó, công suất nhiệt thu được các tính chất của hàm trạng thái, tức là trở thành đặc điểm của hệ thống. Chính những nhiệt dung này - C P đẳng áp (ở áp suất không đổi) và C V đẳng tích (ở thể tích không đổi) được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiệt động lực học.
Nếu hệ được làm nóng ở một thể tích không đổi thì theo biểu thức (5.27), nhiệt dung đẳng tích C V được viết dưới dạng
C V = 
. (5.48)
Nếu hệ được làm nóng ở áp suất không đổi thì theo phương trình (5.32), nhiệt dung đẳng áp С Р có dạng
C P = 
. (5.49)
Để tìm mối liên hệ giữa С Р và С V, cần phải vi phân biểu thức (5.31) theo nhiệt độ. Đối với một mol khí lý tưởng, biểu thức này, có tính đến phương trình (5.18), có thể được biểu diễn dưới dạng
H = U + pV = U + RT. (5,50)
dH/dT = dU/dT + R, (5.51)
và sự chênh lệch giữa nhiệt dung đẳng áp và đẳng nhiệt đối với một mol khí lý tưởng về mặt số lượng bằng hằng số khí phổ quát R:
C R - C V = R . (5,52)
Nhiệt dung ở áp suất không đổi luôn lớn hơn nhiệt dung ở thể tích không đổi, vì việc đun nóng một chất ở áp suất không đổi đi kèm với công giãn nở của khí.
Sử dụng biểu thức nội năng của khí đơn nguyên tử lý tưởng (5.21), chúng ta thu được giá trị nhiệt dung của nó đối với một mol khí đơn nguyên tử lý tưởng:
C V = dU/dT = d(3/2 RT)dT = 3/2 R » 12,5 J/(mol K); (5,53)
C P = 3/2R + R = 5/2 R » 20,8 J/(mol K). (5,54)
Do đó, đối với các khí lý tưởng đơn nguyên tử, C V và C p không phụ thuộc vào nhiệt độ, vì toàn bộ năng lượng nhiệt được cung cấp chỉ dùng để tăng tốc chuyển động tịnh tiến. Đối với các phân tử đa nguyên tử, cùng với sự thay đổi chuyển động tịnh tiến, sự thay đổi chuyển động nội phân tử quay và dao động cũng có thể xảy ra. Đối với các phân tử hai nguyên tử, chuyển động quay bổ sung thường được tính đến, do đó giá trị số của khả năng tỏa nhiệt của chúng là:
C V = 5/2 R » 20,8 J/(mol K); (5,55)
C p = 5/2 R + R = 7/2 R » 29,1 J/(mol K). (5,56)
Trong quá trình này, chúng ta sẽ đề cập đến khả năng sinh nhiệt của các chất ở trạng thái kết tụ khác (trừ thể khí). Để ước tính nhiệt dung của các hợp chất hóa học rắn, người ta thường sử dụng quy tắc cộng tính gần đúng Neumann và Kopp, theo đó nhiệt dung mol của các hợp chất hóa học ở trạng thái rắn bằng tổng nhiệt dung nguyên tử của các nguyên tố có trong một hợp chất nhất định. Do đó, nhiệt dung của một hợp chất hóa học phức tạp, có tính đến quy tắc Dulong và Petit, có thể được ước tính như sau:
C V = 25n J/(mol K), (5,57)
trong đó n là số nguyên tử trong phân tử của hợp chất.
Nhiệt dung của chất lỏng và chất rắn gần điểm nóng chảy (kết tinh) gần như bằng nhau. Gần điểm sôi thông thường, hầu hết các chất lỏng hữu cơ đều có nhiệt dung riêng 1700 - 2100 J/kg K. Trong khoảng thời gian giữa các nhiệt độ chuyển pha này, nhiệt dung của chất lỏng có thể khác nhau đáng kể (tùy thuộc vào nhiệt độ). Nhìn chung, sự phụ thuộc của nhiệt dung của chất rắn vào nhiệt độ trong khoảng 0 – 290 K trong hầu hết các trường hợp được thể hiện rõ bằng phương trình Debye bán thực nghiệm (đối với mạng tinh thể) ở vùng nhiệt độ thấp
C P » C V = eT 3, (5,58)
trong đó hệ số tỷ lệ (e) phụ thuộc vào bản chất của chất (hằng số thực nghiệm).
Sự phụ thuộc nhiệt dung của các chất khí, chất lỏng, chất rắn vào nhiệt độ ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao thường được biểu diễn bằng các phương trình thực nghiệm dưới dạng chuỗi lũy thừa:
C P = a + bT + cT 2 (5,59)
C P = a + bT + c"T -2, (5,60)
trong đó a, b, c và c" là các hệ số nhiệt độ thực nghiệm.
Quay lại mô tả các quá trình trong hệ kín sử dụng phương pháp nhiệt dung, chúng ta hãy viết một số phương trình ở đoạn 5.1 ở dạng hơi khác.
Quá trình đẳng tích. Biểu diễn nội năng (5.27) dưới dạng nhiệt dung, ta thu được
dU V = dQ V = U 2 – U 1 = C V dT = C V dT . (5.61)
Do nhiệt dung của khí lý tưởng không phụ thuộc vào nhiệt độ nên phương trình (5.61) có thể được viết như sau:
DU V = Q V = U 2 - U 1 = C V DT . (5.62)
Để tính giá trị của tích phân (5.61) đối với các khí đơn nguyên tử và đa nguyên tử thực, bạn cần biết dạng cụ thể của sự phụ thuộc hàm C V = f(T) loại (5.59) hoặc (5.60).
Quá trình đẳng áp.Đối với trạng thái khí của một chất, định luật nhiệt động lực học thứ nhất (5.29) cho quá trình này, có tính đến công giãn nở (5.35) và sử dụng phương pháp nhiệt dung, được viết như sau:
Q P = C V DT + RDT = C P DT = DH (5,63)
Q Р = DH Р = H 2 – H 1 = C Р dT. (5,64)
Nếu hệ là khí lý tưởng và nhiệt dung С Р không phụ thuộc vào nhiệt độ thì hệ số (5.64) trở thành (5.63). Để giải phương trình (5.64), mô tả một chất khí thực, cần phải biết dạng cụ thể của sự phụ thuộc C p = f(T).
Quá trình đẳng nhiệt. Sự thay đổi nội năng của khí lý tưởng trong một quá trình xảy ra ở nhiệt độ không đổi
dU T = C V dT = 0. (5.65)
Quá trình nhiệt. Vì dU = C V dT, nên đối với một mol khí lý tưởng, độ biến thiên nội năng và công thực hiện lần lượt bằng nhau:
DU = C V dT = C V (T 2 - T 1); (5,66)
A lông = -DU = C V (T 1 - T 2). (5,67)
Phân tích các phương trình đặc trưng cho các quá trình nhiệt động khác nhau trong các điều kiện: 1) p = const; 2) V = hằng; 3) T = const và 4) dQ = 0 cho thấy tất cả chúng có thể được biểu diễn bằng phương trình tổng quát:
pV n = const. (5,68)
Trong phương trình này, chỉ báo “n” có thể lấy các giá trị từ 0 đến ¥ cho các quy trình khác nhau:
1. đẳng áp (n = 0);
2. đẳng nhiệt (n = 1);
3. đẳng tích (n = ¥);
4. đoạn nhiệt (n = g; trong đó g = C P /C V – hệ số đoạn nhiệt).
Các mối quan hệ thu được có giá trị đối với khí lý tưởng và thể hiện hệ quả của phương trình trạng thái của nó, và các quá trình được xem xét là những biểu hiện cụ thể và hạn chế của các quá trình thực. Các quá trình thực, theo quy luật, là các quá trình trung gian, xảy ra ở các giá trị tùy ý của “n” và được gọi là các quá trình đa hướng.
Nếu chúng ta so sánh công giãn nở của một loại khí lý tưởng được tạo ra trong các quá trình nhiệt động đang xem xét với sự thay đổi thể tích từ V 1 sang V 2, thì như có thể thấy trong Hình. 5.2, công giãn nở lớn nhất được thực hiện trong quá trình đẳng áp, ít hơn trong quá trình đẳng nhiệt và thậm chí ít hơn trong quá trình đoạn nhiệt. Đối với một quá trình đẳng tích, công bằng không.
Cơm. 5.2. P = f (V) – sự phụ thuộc vào các quá trình nhiệt động khác nhau (các vùng tô bóng đặc trưng cho quá trình giãn nở trong quá trình tương ứng)
Các tính chất vật lý cơ bản của không khí được xem xét: mật độ không khí, độ nhớt động học và động học, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, số Prandtl và entropy. Các tính chất của không khí được cho trong bảng tùy thuộc vào nhiệt độ ở áp suất khí quyển bình thường.
Mật độ không khí phụ thuộc vào nhiệt độ
Bảng chi tiết về các giá trị mật độ không khí khô ở các nhiệt độ khác nhau và áp suất khí quyển bình thường được trình bày. Mật độ của không khí là gì? Mật độ của không khí có thể được xác định bằng phương pháp phân tích bằng cách chia khối lượng của nó cho thể tích mà nó chiếm giữ. trong những điều kiện nhất định (áp suất, nhiệt độ và độ ẩm). Bạn cũng có thể tính mật độ của nó bằng cách sử dụng công thức phương trình trạng thái khí lý tưởng. Để làm điều này, bạn cần biết áp suất và nhiệt độ tuyệt đối của không khí, cũng như hằng số khí và thể tích mol của nó. Phương trình này cho phép bạn tính toán mật độ khô của không khí.
Trong thực hành, để tìm hiểu mật độ không khí ở các nhiệt độ khác nhau, thật thuận tiện khi sử dụng các bảng làm sẵn. Ví dụ, bảng dưới đây cho thấy mật độ của không khí trong khí quyển tùy thuộc vào nhiệt độ của nó. Mật độ không khí trong bảng được biểu thị bằng kilôgam trên mét khối và được tính trong khoảng nhiệt độ từ âm 50 đến 1200 độ C ở áp suất khí quyển bình thường (101325 Pa).
| t, °С | ρ, kg/m3 | t, °С | ρ, kg/m3 | t, °С | ρ, kg/m3 | t, °С | ρ, kg/m3 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1,584 | 20 | 1,205 | 150 | 0,835 | 600 | 0,404 |
| -45 | 1,549 | 30 | 1,165 | 160 | 0,815 | 650 | 0,383 |
| -40 | 1,515 | 40 | 1,128 | 170 | 0,797 | 700 | 0,362 |
| -35 | 1,484 | 50 | 1,093 | 180 | 0,779 | 750 | 0,346 |
| -30 | 1,453 | 60 | 1,06 | 190 | 0,763 | 800 | 0,329 |
| -25 | 1,424 | 70 | 1,029 | 200 | 0,746 | 850 | 0,315 |
| -20 | 1,395 | 80 | 1 | 250 | 0,674 | 900 | 0,301 |
| -15 | 1,369 | 90 | 0,972 | 300 | 0,615 | 950 | 0,289 |
| -10 | 1,342 | 100 | 0,946 | 350 | 0,566 | 1000 | 0,277 |
| -5 | 1,318 | 110 | 0,922 | 400 | 0,524 | 1050 | 0,267 |
| 0 | 1,293 | 120 | 0,898 | 450 | 0,49 | 1100 | 0,257 |
| 10 | 1,247 | 130 | 0,876 | 500 | 0,456 | 1150 | 0,248 |
| 15 | 1,226 | 140 | 0,854 | 550 | 0,43 | 1200 | 0,239 |
Ở 25°C, không khí có mật độ 1,185 kg/m3. Khi được làm nóng, mật độ không khí giảm - không khí nở ra (thể tích riêng của nó tăng lên). Ví dụ, khi nhiệt độ tăng lên tới 1200°C, mật độ không khí đạt được rất thấp, bằng 0,239 kg/m3, nhỏ hơn 5 lần so với giá trị của nó ở nhiệt độ phòng. Nói chung, sự giảm trong quá trình gia nhiệt cho phép một quá trình như đối lưu tự nhiên diễn ra và được sử dụng, ví dụ, trong hàng không.
Nếu chúng ta so sánh mật độ của không khí với , thì không khí nhẹ hơn ba bậc - ở nhiệt độ 4°C, mật độ của nước là 1000 kg/m3, và mật độ của không khí là 1,27 kg/m3. Cũng cần lưu ý giá trị của mật độ không khí trong điều kiện bình thường. Điều kiện bình thường của chất khí là điều kiện tại đó nhiệt độ của chúng bằng 0°C và áp suất bằng áp suất khí quyển bình thường. Như vậy, theo bảng, mật độ không khí ở điều kiện bình thường (tại NL) là 1,293 kg/m 3.
Độ nhớt động học và động học của không khí ở các nhiệt độ khác nhau
Khi thực hiện tính toán nhiệt cần biết giá trị độ nhớt không khí (hệ số nhớt) ở các nhiệt độ khác nhau. Giá trị này được yêu cầu để tính các số Reynolds, Grashof và Rayleigh, các giá trị của chúng xác định chế độ dòng chảy của khí này. Bảng thể hiện giá trị các hệ số động μ và động học ν độ nhớt của không khí ở nhiệt độ từ -50 đến 1200°C ở áp suất khí quyển.
Hệ số nhớt của không khí tăng đáng kể khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, độ nhớt động học của không khí bằng 15,06 10 -6 m 2 /s ở nhiệt độ 20°C, và khi nhiệt độ tăng lên 1200°C, độ nhớt của không khí trở thành 233,7 10 -6 m 2/s tức là tăng 15,5 lần! Độ nhớt động học của không khí ở nhiệt độ 20°C là 18,1·10 -6 Pa·s.
Khi không khí được làm nóng, các giá trị của cả độ nhớt động học và động học đều tăng lên. Hai đại lượng này có liên quan với nhau thông qua mật độ không khí, giá trị của mật độ này giảm khi khí này được nung nóng. Sự gia tăng độ nhớt động học và động học của không khí (cũng như các loại khí khác) khi được làm nóng có liên quan đến sự rung động mạnh hơn của các phân tử không khí xung quanh trạng thái cân bằng của chúng (theo MKT).
| t, °С | μ·10 6 , Pa·s | ν·10 6, m 2 /s | t, °С | μ·10 6 , Pa·s | ν·10 6, m 2 /s | t, °С | μ·10 6 , Pa·s | ν·10 6, m 2 /s |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 14,6 | 9,23 | 70 | 20,6 | 20,02 | 350 | 31,4 | 55,46 |
| -45 | 14,9 | 9,64 | 80 | 21,1 | 21,09 | 400 | 33 | 63,09 |
| -40 | 15,2 | 10,04 | 90 | 21,5 | 22,1 | 450 | 34,6 | 69,28 |
| -35 | 15,5 | 10,42 | 100 | 21,9 | 23,13 | 500 | 36,2 | 79,38 |
| -30 | 15,7 | 10,8 | 110 | 22,4 | 24,3 | 550 | 37,7 | 88,14 |
| -25 | 16 | 11,21 | 120 | 22,8 | 25,45 | 600 | 39,1 | 96,89 |
| -20 | 16,2 | 11,61 | 130 | 23,3 | 26,63 | 650 | 40,5 | 106,15 |
| -15 | 16,5 | 12,02 | 140 | 23,7 | 27,8 | 700 | 41,8 | 115,4 |
| -10 | 16,7 | 12,43 | 150 | 24,1 | 28,95 | 750 | 43,1 | 125,1 |
| -5 | 17 | 12,86 | 160 | 24,5 | 30,09 | 800 | 44,3 | 134,8 |
| 0 | 17,2 | 13,28 | 170 | 24,9 | 31,29 | 850 | 45,5 | 145 |
| 10 | 17,6 | 14,16 | 180 | 25,3 | 32,49 | 900 | 46,7 | 155,1 |
| 15 | 17,9 | 14,61 | 190 | 25,7 | 33,67 | 950 | 47,9 | 166,1 |
| 20 | 18,1 | 15,06 | 200 | 26 | 34,85 | 1000 | 49 | 177,1 |
| 30 | 18,6 | 16 | 225 | 26,7 | 37,73 | 1050 | 50,1 | 188,2 |
| 40 | 19,1 | 16,96 | 250 | 27,4 | 40,61 | 1100 | 51,2 | 199,3 |
| 50 | 19,6 | 17,95 | 300 | 29,7 | 48,33 | 1150 | 52,4 | 216,5 |
| 60 | 20,1 | 18,97 | 325 | 30,6 | 51,9 | 1200 | 53,5 | 233,7 |
Lưu ý: Hãy cẩn thận! Độ nhớt của không khí được cấp cho lũy thừa 10 6 .
Nhiệt dung riêng của không khí ở nhiệt độ từ -50 đến 1200°C
Bảng nhiệt dung riêng của không khí ở các nhiệt độ khác nhau được trình bày. Nhiệt dung trong bảng được cho ở áp suất không đổi (nhiệt đẳng áp của không khí) trong khoảng nhiệt độ từ âm 50 đến 1200°C đối với không khí ở trạng thái khô. Nhiệt dung riêng của không khí là gì? Nhiệt dung riêng xác định lượng nhiệt cần cung cấp cho một kg không khí ở áp suất không đổi để tăng nhiệt độ của nó lên 1 độ. Ví dụ, ở 20°C, để làm nóng 1 kg khí này lên 1°C trong quá trình đẳng áp, cần phải có nhiệt lượng 1005 J.
Nhiệt dung riêng của không khí tăng khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, sự phụ thuộc của nhiệt dung khối của không khí vào nhiệt độ không phải là tuyến tính. Trong phạm vi từ -50 đến 120°C, giá trị của nó thực tế không thay đổi - trong những điều kiện này, nhiệt dung trung bình của không khí là 1010 J/(kg độ). Theo bảng, có thể thấy nhiệt độ bắt đầu có ảnh hưởng đáng kể từ giá trị 130°C. Tuy nhiên, nhiệt độ không khí ảnh hưởng đến nhiệt dung riêng của nó ít hơn nhiều so với độ nhớt của nó. Do đó, khi được làm nóng từ 0 đến 1200°C, nhiệt dung của không khí chỉ tăng 1,2 lần - từ 1005 lên 1210 J/(kg độ).
Cần lưu ý rằng nhiệt dung của không khí ẩm cao hơn không khí khô. Nếu so sánh không khí thì rõ ràng nước có giá trị cao hơn và hàm lượng nước trong không khí dẫn đến nhiệt dung riêng tăng lên.
| t, °С | C p , J/(kg độ) | t, °С | C p , J/(kg độ) | t, °С | C p , J/(kg độ) | t, °С | C p , J/(kg độ) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1013 | 20 | 1005 | 150 | 1015 | 600 | 1114 |
| -45 | 1013 | 30 | 1005 | 160 | 1017 | 650 | 1125 |
| -40 | 1013 | 40 | 1005 | 170 | 1020 | 700 | 1135 |
| -35 | 1013 | 50 | 1005 | 180 | 1022 | 750 | 1146 |
| -30 | 1013 | 60 | 1005 | 190 | 1024 | 800 | 1156 |
| -25 | 1011 | 70 | 1009 | 200 | 1026 | 850 | 1164 |
| -20 | 1009 | 80 | 1009 | 250 | 1037 | 900 | 1172 |
| -15 | 1009 | 90 | 1009 | 300 | 1047 | 950 | 1179 |
| -10 | 1009 | 100 | 1009 | 350 | 1058 | 1000 | 1185 |
| -5 | 1007 | 110 | 1009 | 400 | 1068 | 1050 | 1191 |
| 0 | 1005 | 120 | 1009 | 450 | 1081 | 1100 | 1197 |
| 10 | 1005 | 130 | 1011 | 500 | 1093 | 1150 | 1204 |
| 15 | 1005 | 140 | 1013 | 550 | 1104 | 1200 | 1210 |
Độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt, số Prandtl của không khí
Bảng trình bày các tính chất vật lý của không khí trong khí quyển như độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán nhiệt và số Prandtl của nó tùy thuộc vào nhiệt độ. Các tính chất nhiệt vật lý của không khí được cho trong khoảng từ -50 đến 1200°C đối với không khí khô. Theo bảng, có thể thấy rằng các tính chất được chỉ định của không khí phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ và sự phụ thuộc nhiệt độ của các tính chất được xem xét của loại khí này là khác nhau.
Cần phải thay đổi nhiệt độ của chất lỏng làm việc, trong trường hợp này là không khí, thêm một độ. Nhiệt dung của không khí phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ và áp suất. Đồng thời, có thể sử dụng các phương pháp khác nhau để nghiên cứu các loại nhiệt dung khác nhau.
Về mặt toán học, nhiệt dung của không khí được biểu thị bằng tỷ số giữa lượng nhiệt và độ tăng nhiệt độ của nó. Nhiệt dung của một vật có khối lượng 1 kg thường được gọi là nhiệt dung riêng. Nhiệt dung mol của không khí là nhiệt dung của một mol chất đó. Công suất nhiệt được chỉ định là J/K. Nhiệt dung mol tương ứng là J/(mol*K).
Nhiệt dung có thể được coi là một đặc tính vật lý của một chất, trong trường hợp này là không khí, nếu phép đo được thực hiện trong điều kiện không đổi. Thông thường, các phép đo như vậy được thực hiện ở áp suất không đổi. Đây là cách xác định nhiệt dung đẳng áp của không khí. Nó tăng khi nhiệt độ và áp suất tăng, và cũng là hàm tuyến tính của các đại lượng này. Trong trường hợp này, sự thay đổi nhiệt độ xảy ra ở áp suất không đổi. Để tính nhiệt dung đẳng áp, cần xác định nhiệt độ và áp suất giả tới hạn. Nó được xác định bằng cách sử dụng dữ liệu tham khảo.
Nhiệt dung của không khí. Đặc điểm
Không khí là một hỗn hợp khí. Khi xem xét chúng trong nhiệt động lực học, các giả định sau đây được đưa ra. Mỗi khí trong hỗn hợp phải được phân bố đều trong thể tích. Vậy thể tích khí bằng thể tích của toàn bộ hỗn hợp. Mỗi khí trong hỗn hợp có áp suất riêng phần tác dụng lên thành bình. Mỗi thành phần của hỗn hợp khí phải có nhiệt độ bằng nhiệt độ của toàn bộ hỗn hợp. Trong trường hợp này, tổng áp suất riêng phần của tất cả các thành phần bằng áp suất của hỗn hợp. Tính toán nhiệt dung của không khí được thực hiện dựa trên dữ liệu về thành phần của hỗn hợp khí và nhiệt dung của từng thành phần riêng lẻ.
Nhiệt dung mô tả một cách mơ hồ một chất. Từ định luật nhiệt động lực học đầu tiên, chúng ta có thể kết luận rằng nội năng của cơ thể thay đổi không chỉ phụ thuộc vào lượng nhiệt nhận được mà còn phụ thuộc vào công mà cơ thể thực hiện. Trong các điều kiện khác nhau của quá trình truyền nhiệt, công việc của cơ thể có thể khác nhau. Do đó, cùng một lượng nhiệt truyền vào cơ thể có thể gây ra những thay đổi khác nhau về nhiệt độ và nội năng của cơ thể. Tính năng này chỉ điển hình cho các chất khí. Không giống như chất rắn và chất lỏng, chất khí có thể thay đổi thể tích và sinh công rất nhiều. Đó là lý do tại sao nhiệt dung của không khí quyết định bản chất của quá trình nhiệt động.
Tuy nhiên, ở mức âm lượng không đổi, không khí không hoạt động. Do đó, sự thay đổi nội năng tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ của nó. Tỷ lệ giữa công suất nhiệt trong một quá trình có áp suất không đổi và công suất nhiệt trong một quá trình có thể tích không đổi là một phần của công thức cho một quá trình đoạn nhiệt. Nó được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp gamma.
Từ lịch sử
Các thuật ngữ “công suất nhiệt” và “lượng nhiệt” không mô tả rõ bản chất của chúng. Điều này là do họ đến với khoa học hiện đại từ lý thuyết calo, lý thuyết phổ biến vào thế kỷ thứ mười tám. Những người theo lý thuyết này coi nhiệt là một loại chất không trọng lượng được chứa trong cơ thể. Chất này không thể bị phá hủy cũng như không được tạo ra. Việc làm mát và sưởi ấm cơ thể được giải thích bằng sự giảm hoặc tăng hàm lượng calo tương ứng. Theo thời gian, lý thuyết này được cho là không thể đứng vững được. Cô ấy không thể giải thích tại sao lại có sự thay đổi tương tự về năng lượng bên trong của một cơ thể khi truyền những lượng nhiệt khác nhau vào nó, và điều đó cũng phụ thuộc vào công mà cơ thể thực hiện.
Phòng thí nghiệm số 1
Định nghĩa khối lượng isobar
nhiệt dung của không khí
Nhiệt dung là nhiệt lượng phải thêm vào một đơn vị lượng chất để làm nóng nó thêm 1 K. Một đơn vị lượng chất đó có thể được đo bằng kilôgam, mét khối trong điều kiện vật lý bình thường và kilômét. Một kilomol khí là khối lượng của một chất khí tính bằng kilôgam, về số lượng bằng trọng lượng phân tử của nó. Như vậy, có ba loại nhiệt dung: khối lượng c, J/(kg⋅K); thể tích s′, J/(m3⋅K) và mol, J/(kmol⋅K). Vì một kilôgam khí có khối lượng lớn hơn một kilôgam lần μ lần nên không đưa ra ký hiệu riêng cho nhiệt dung mol. Mối quan hệ giữa công suất nhiệt:
trong đó = 22,4 m3/kmol là thể tích của một kilomol khí lý tưởng ở điều kiện vật lý bình thường; - mật độ khí ở điều kiện vật lý bình thường, kg/m3.
Nhiệt dung thực của một chất khí là đạo hàm của nhiệt lượng theo nhiệt độ:
Nhiệt lượng cung cấp cho khí phụ thuộc vào quá trình nhiệt động. Nó có thể được xác định theo định luật nhiệt động lực học đầu tiên đối với các quá trình đẳng tích và đẳng áp:
Đây là nhiệt lượng cung cấp cho 1 kg khí trong quá trình đẳng áp; - sự thay đổi nội năng của khí; - công của chất khí chống lại ngoại lực.
Về cơ bản, công thức (4) xây dựng định luật nhiệt động lực học thứ nhất, từ đó phương trình Mayer tuân theo:
Nếu chúng ta đặt = 1 K, thì nghĩa là, ý nghĩa vật lý của hằng số khí là công thực hiện bởi 1 kg khí trong quá trình đẳng áp khi nhiệt độ của nó thay đổi 1 K.
Phương trình Mayer cho 1 kilomol khí có dạng
trong đó = 8314 J/(kmol⋅K) là hằng số khí phổ quát.
Ngoài phương trình Mayer, nhiệt dung khối lượng đẳng áp và đẳng tích của các chất khí có liên quan với nhau thông qua số mũ đoạn nhiệt k (Bảng 1):
Bảng 1.1
Giá trị số mũ đoạn nhiệt của khí lý tưởng
Tính nguyên tử của khí | |
Khí đơn nguyên tử | |
Khí diatomic | |
Khí ba và đa nguyên tử |
MỤC TIÊU CÔNG VIỆC
Củng cố kiến thức lý thuyết về các định luật cơ bản của nhiệt động lực học. Phát triển thực tế phương pháp xác định nhiệt dung của không khí dựa trên cân bằng năng lượng.
Thí nghiệm xác định nhiệt dung riêng khối lượng của không khí và so sánh kết quả thu được với giá trị tham khảo.
1.1. Mô tả thiết lập phòng thí nghiệm
Hệ thống lắp đặt (Hình 1.1) bao gồm một ống đồng 1 có đường kính trong d =
= 0,022 m, ở cuối có một lò sưởi điện có lớp cách nhiệt 10. Một luồng không khí di chuyển bên trong đường ống được cung cấp 3. Có thể điều chỉnh luồng không khí bằng cách thay đổi tốc độ quạt. Ống 1 chứa ống áp suất đầy đủ 4 và áp suất tĩnh vượt quá 5, được nối với đồng hồ đo áp suất 6 và 7. Ngoài ra, cặp nhiệt điện 8 được lắp đặt trong ống 1, có thể di chuyển dọc theo mặt cắt ngang đồng thời với ống áp suất đầy đủ. Độ lớn suất điện động của cặp nhiệt điện được xác định bằng chiết áp 9. Độ nóng của không khí di chuyển qua đường ống được điều chỉnh bằng máy biến áp tự ngẫu trong phòng thí nghiệm 12 bằng cách thay đổi công suất của lò sưởi, được xác định bằng số đọc của ampe kế 14 và vôn kế 13. Nhiệt độ của không khí ở đầu ra của lò sưởi được xác định bằng nhiệt kế 15.
1.2. QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM
Dòng nhiệt của lò sưởi, W:
trong đó I – dòng điện, A; U – điện áp, V; = 0,96; =
= 0,94 – hệ số tổn thất nhiệt.
Hình.1.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm:
1 – đường ống; 2 – gây nhầm lẫn; 3 – quạt; 4 – ống đo áp suất động;
5 – đường ống; 6, 7 – đồng hồ đo chênh áp; 8 – cặp nhiệt điện; 9 – chiết áp; 10 – cách nhiệt;
11 – lò sưởi điện; 12 – máy biến áp tự ngẫu trong phòng thử nghiệm; 13 – vôn kế;
14 – ampe kế; 15 – nhiệt kế
Thông lượng nhiệt hấp thụ bởi không khí, W:
m - lưu lượng không khí khối, kg/s; – nhiệt dung đẳng áp khối lượng thực nghiệm của không khí, J/(kg K); - nhiệt độ không khí tại lối ra khỏi bộ phận gia nhiệt và ở lối vào bộ phận gia nhiệt, °C.
Lưu lượng không khí lớn, kg/s:
. (1.10)
Đây là tốc độ không khí trung bình trong đường ống, m/s; d - đường kính trong của ống, m; – mật độ không khí ở nhiệt độ, được tính theo công thức kg/m3:
, (1.11)
trong đó = 1,293 kg/m3 – mật độ không khí trong điều kiện vật lý bình thường; B – áp suất, mm. Hg st; - áp suất không khí tĩnh vượt quá trong đường ống, mm. Nước Nghệ thuật.
Vận tốc không khí được xác định bằng áp suất động ở bốn phần bằng nhau, m/s:
áp suất động ở đâu, mm. Nước Nghệ thuật. (kgf/m2); g = 9,81 m/s2 – gia tốc rơi tự do.
Tốc độ không khí trung bình trong mặt cắt ống, m/s:
Nhiệt dung đẳng áp trung bình của không khí được xác định theo công thức (1.9), trong đó dòng nhiệt được thay thế từ công thức (1.8). Giá trị chính xác của nhiệt dung của không khí ở nhiệt độ không khí trung bình được tìm thấy từ bảng nhiệt dung trung bình hoặc từ công thức thực nghiệm J/(kg⋅K):
. (1.14)
Sai số tương đối của thí nghiệm, %:
. (1.15)
1.3. Tiến hành thí nghiệm và xử lý
kết quả đo
Thí nghiệm được thực hiện theo trình tự sau.
1. Bệ đỡ trong phòng thí nghiệm được bật và sau khi thiết lập chế độ đứng yên, thực hiện các chỉ số sau:
Áp suất không khí động tại bốn điểm có tiết diện ống bằng nhau;
Áp suất không khí tĩnh quá mức trong đường ống;
Dòng điện I, A và điện áp U, V;
Nhiệt độ không khí vào, °C (cặp nhiệt điện 8);
Nhiệt độ đầu ra, °C (nhiệt kế 15);
Áp suất khí quyển B, mm. Hg Nghệ thuật.
Thí nghiệm được lặp lại cho chế độ tiếp theo. Kết quả đo được nhập vào bảng 1.2. Tính toán được thực hiện trong bảng. 1.3.
Bảng 1.2
bảng đo lường
Tên số lượng | |||
Nhiệt độ khí vào, °C | |||
Nhiệt độ không khí đầu ra, ° C |
|||
Áp suất không khí động, mm. Nước Nghệ thuật. | |||
Áp suất không khí tĩnh quá mức, mm. Nước Nghệ thuật. |
|||
Áp suất khí quyển B, mm. Hg Nghệ thuật. |
|||
Điện áp U, V |
Bảng 1.3
Bảng tính
Tên số lượng |
|
|||
Áp suất động, N/m2 | ||||
Nhiệt độ dòng vào trung bình, °C |
Độ ẩm không khí. Nhiệt dung và entanpy của không khí
Không khí trong khí quyển là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước (từ 0,2% đến 2,6%). Vì vậy, không khí hầu như luôn có thể được coi là ẩm ướt.
Hỗn hợp cơ học của không khí khô và hơi nước được gọi là không khí ẩm hoặc hỗn hợp không khí-hơi nước. Hàm lượng hơi ẩm tối đa có thể có trong không khí m p.n. phụ thuộc vào nhiệt độ t và áp lực P hỗn hợp. Khi nó thay đổi t Và P không khí có thể chuyển từ trạng thái không bão hòa ban đầu sang trạng thái bão hòa hơi nước, sau đó độ ẩm dư thừa sẽ bắt đầu kết tủa trong thể tích khí và trên các bề mặt bao quanh dưới dạng sương mù, sương giá hoặc tuyết.
Các thông số chính đặc trưng cho trạng thái của không khí ẩm là: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, độ ẩm, độ ẩm tuyệt đối và tương đối, trọng lượng phân tử, hằng số khí, nhiệt dung và entanpy.
Theo định luật Dalton đối với hỗn hợp khí tổng áp suất của không khí ẩm (P) là tổng áp suất riêng phần của không khí khô P c và hơi nước P p: P = P c + P p.
Tương tự, thể tích V và khối lượng m của không khí ẩm sẽ được xác định theo hệ thức:
V = V c + V p, m = m c + m p.
Tỉ trọng Và thể tích riêng của không khí ẩm (v)định nghĩa:
Trọng lượng phân tử của không khí ẩm:
trong đó B là áp suất khí quyển.
Do độ ẩm không khí tăng liên tục trong quá trình sấy và lượng không khí khô trong hỗn hợp hơi nước-không khí không đổi nên quá trình sấy được đánh giá bằng lượng hơi nước trên 1 kg không khí khô thay đổi như thế nào và tất cả các chỉ số của hỗn hợp hơi nước-không khí (nhiệt dung, độ ẩm, entanpy, v.v.) dùng để chỉ 1 kg không khí khô nằm trong không khí ẩm.
d = m p / m c, g/kg, hoặc X = m p / m c.
Độ ẩm không khí tuyệt đối- khối lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm. Giá trị này bằng số với .
Độ ẩm tương đối -Đây là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí chưa bão hòa với độ ẩm tuyệt đối của không khí bão hòa trong các điều kiện nhất định:
ở đây, nhưng độ ẩm tương đối thường được chỉ định dưới dạng phần trăm.
Đối với mật độ của không khí ẩm, mối quan hệ sau đây đúng:
Nhiệt dung riêng không khí ẩm:
c = c c + c p ×d/1000 = c c + c p ×X, kJ/(kg× °C),
trong đó c c là nhiệt dung riêng của không khí khô, c c = 1,0;
c p - nhiệt dung riêng của hơi; với n = 1,8.
Nhiệt dung của không khí khô ở áp suất không đổi và phạm vi nhiệt độ nhỏ (lên tới 100 o C) để tính toán gần đúng có thể được coi là không đổi, bằng 1,0048 kJ/(kg × ° C). Đối với hơi quá nhiệt, nhiệt dung đẳng áp trung bình ở áp suất khí quyển và mức độ quá nhiệt thấp cũng có thể được lấy là không đổi và bằng 1,96 kJ/(kg×K).
Entanpy (i) của không khí ẩm- đây là một trong những thông số chính của nó, được sử dụng rộng rãi trong tính toán lắp đặt sấy, chủ yếu để xác định lượng nhiệt tiêu tốn cho việc làm bay hơi hơi ẩm từ vật liệu được sấy khô. Entanpy của không khí ẩm được gọi là một kilôgam không khí khô trong hỗn hợp hơi nước và được xác định bằng tổng entanpy của không khí khô và hơi nước, nghĩa là
i = i c + i p ×Х, kJ/kg.
Khi tính entanpy của hỗn hợp, điểm bắt đầu của entanpy của từng thành phần phải giống nhau. Để tính entanpy của không khí ẩm, ta có thể giả sử entanpy của nước bằng 0 ở 0 o C, sau đó ta cũng tính entanpy của không khí khô từ 0 o C, tức là i in = c in *t = 1,0048t.
