Yang utama properti fisik udara: kepadatan udara, viskositas dinamis dan kinematiknya, kapasitas panas spesifik, konduktivitas termal, difusivitas termal, bilangan Prandtl dan entropi. Sifat-sifat udara diberikan dalam tabel tergantung pada suhu pada tekanan atmosfer normal.
Kepadatan udara tergantung pada suhu
Disajikan tabel rinci nilai kepadatan udara kering pada suhu yang berbeda dan tekanan atmosfer normal. Berapa massa jenis udara? Massa jenis udara dapat ditentukan secara analitis dengan membagi massanya dengan volume yang ditempatinya. dalam kondisi tertentu (tekanan, suhu dan kelembaban). Anda juga dapat menghitung massa jenisnya menggunakan rumus persamaan keadaan gas ideal. Untuk melakukan ini, Anda perlu mengetahui tekanan absolut dan suhu udara, serta konstanta gas dan volume molarnya. Persamaan ini memungkinkan Anda menghitung kepadatan udara kering.
Saat latihan, untuk mengetahui berapa kepadatan udara pada suhu yang berbeda, nyaman digunakan meja yang sudah jadi. Misalnya, tabel nilai kepadatan diberikan udara atmosfer tergantung pada suhunya. Kepadatan udara dalam tabel dinyatakan dalam kilogram per meter kubik dan diberikan dalam kisaran suhu minus 50 hingga 1200 derajat Celcius pada tekanan atmosfer normal (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 |
Pada suhu 25°C, udara mempunyai massa jenis 1,185 kg/m3. Ketika dipanaskan, kepadatan udara berkurang - udara mengembang (volume spesifiknya meningkat). Dengan meningkatnya suhu, misalnya hingga 1200°C, tercapai kepadatan udara yang sangat rendah, yaitu sebesar 0,239 kg/m 3, yaitu 5 kali lebih kecil dari nilainya pada suhu kamar. Secara umum, reduksi selama pemanasan memungkinkan terjadinya proses seperti konveksi alami dan digunakan, misalnya, dalam aeronautika.
Jika kita membandingkan massa jenis udara relatif terhadap , maka udara menjadi tiga kali lipat lebih ringan - pada suhu 4°C, massa jenis air adalah 1000 kg/m3, dan massa jenis udara adalah 1,27 kg/m3. Perlu juga diperhatikan kepadatan udara pada kondisi normal. Kondisi normal untuk gas adalah ketika suhunya 0°C dan tekanannya sama dengan tekanan atmosfer normal. Jadi, menurut tabel, massa jenis udara pada kondisi normal (di NL) adalah 1,293 kg/m 3.
Viskositas udara dinamis dan kinematik pada temperatur berbeda
Saat melakukan perhitungan termal, perlu diketahui nilai viskositas udara (koefisien viskositas) pada temperatur yang berbeda. Nilai ini diperlukan untuk menghitung bilangan Reynolds, Grashof, dan Rayleigh, yang nilainya menentukan rezim aliran gas ini. Tabel menunjukkan nilai koefisien dinamis μ dan kinematik ν viskositas udara pada kisaran suhu -50 hingga 1200°C pada tekanan atmosfer.
Koefisien viskositas udara meningkat secara signifikan dengan meningkatnya suhu. Misalnya, viskositas kinematik udara sama dengan 15,06 · 10 -6 m 2 /s pada suhu 20°C, dan dengan peningkatan suhu hingga 1200°C, viskositas udara menjadi sama dengan 233,7 · 10 -6 m 2 /s, artinya meningkat 15,5 kali lipat! Viskositas dinamis udara pada suhu 20°C adalah 18,1·10 -6 Pa·s.
Ketika udara dipanaskan, nilai viskositas kinematik dan dinamis meningkat. Kedua besaran ini berhubungan satu sama lain melalui massa jenis udara, yang nilainya berkurang ketika gas ini dipanaskan. Peningkatan viskositas kinematik dan dinamis udara (serta gas lainnya) ketika dipanaskan dikaitkan dengan getaran yang lebih intens dari molekul udara di sekitar keadaan setimbangnya (menurut 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 |
Catatan: Hati-hati! Viskositas udara dipangkatkan 10 6 .
Kapasitas panas spesifik udara pada suhu -50 hingga 1200°C
Tabel disajikan kapasitas panas spesifik udara pada suhu yang berbeda. Kapasitas panas dalam tabel diberikan pada tekanan konstan (kapasitas panas isobarik udara) dalam kisaran suhu dari minus 50 hingga 1200°C untuk udara dalam keadaan kering. Berapa kapasitas panas spesifik udara? Kapasitas kalor jenis menentukan jumlah kalor yang harus disuplai ke satu kilogram udara pada tekanan konstan untuk menaikkan suhunya sebesar 1 derajat. Misalnya, pada 20°C, untuk memanaskan 1 kg gas ini sebesar 1°C dalam proses isobarik, diperlukan 1005 J kalor.
Kapasitas panas spesifik udara meningkat seiring dengan meningkatnya suhu. Namun ketergantungan kapasitas panas massa udara terhadap suhu tidak linier. Dalam kisaran -50 hingga 120°C, nilainya praktis tidak berubah - dalam kondisi ini kapasitas panas rata-rata udara sama dengan 1010 J/(kg derajat). Berdasarkan tabel tersebut jelas bahwa pengaruh signifikan suhu mulai mencapai nilai 130°C. Namun, suhu udara mempengaruhi kapasitas panas spesifiknya jauh lebih kecil dibandingkan viskositasnya. Jadi, ketika dipanaskan dari 0 hingga 1200°C, kapasitas panas udara hanya meningkat 1,2 kali lipat - dari 1005 menjadi 1210 J/(kg derajat).
Perlu diperhatikan bahwa kapasitas panas udara lembab lebih tinggi dibandingkan udara kering. Jika kita membandingkan udara, terlihat jelas bahwa air memiliki nilai yang lebih tinggi dan kandungan air di udara menyebabkan peningkatan kapasitas panas spesifik.
| t, °С | C p , J/(kg derajat) | t, °С | C p , J/(kg derajat) | t, °С | C p , J/(kg derajat) | t, °С | C p , J/(kg derajat) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| -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 |
Konduktivitas termal, difusivitas termal, bilangan Prandtl udara
Tabel tersebut menyajikan sifat fisik udara atmosfer seperti konduktivitas termal, difusivitas termal, dan bilangan Prandtlnya yang bergantung pada suhu. Sifat termofisik udara diberikan dalam kisaran -50 hingga 1200°C untuk udara kering. Berdasarkan tabel tersebut, terlihat bahwa sifat-sifat udara yang ditunjukkan sangat bergantung pada suhu dan ketergantungan suhu dari sifat-sifat gas tersebut berbeda-beda.
Pekerjaan laboratorium No.1
Definisi isobar massa
kapasitas panas udara
Kapasitas kalor adalah kalor yang harus ditambahkan pada suatu satuan jumlah suatu zat untuk memanaskannya sebesar 1 K. Satuan jumlah suatu zat dapat diukur dalam kilogram, meter kubik dalam kondisi fisik normal, dan kilomol. Satu kilomol gas adalah massa suatu gas dalam kilogram, yang secara numerik sama dengan berat molekulnya. Jadi, ada tiga jenis kapasitas panas: massa c, J/(kg⋅K); volumetrik s′, J/(m3⋅K) dan molar, J/(kmol⋅K). Karena satu kilomol gas mempunyai massa μ kali lebih besar dari satu kilogram, sebutan terpisah untuk kapasitas panas molar tidak diperkenalkan. Hubungan antara kapasitas panas:
dimana = 22,4 m3/kmol – volume kilomol gas ideal dalam kondisi fisik normal; – kepadatan gas dalam kondisi fisik normal, kg/m3.
Kapasitas kalor sebenarnya suatu gas merupakan turunan kalor terhadap suhu:
Panas yang disuplai ke gas bergantung pada proses termodinamika. Hal ini dapat ditentukan oleh hukum pertama termodinamika untuk proses isokorik dan isobarik:
Berikut adalah kalor yang disuplai ke 1 kg gas dalam proses isobarik; - mengubah energi dalam gas; – kerja gas melawan gaya luar.
Intinya, rumus (4) merumuskan hukum pertama termodinamika, yang persamaan Mayernya sebagai berikut:
Jika kita masukkan = 1 K, maka , yaitu arti fisik Konstanta gas adalah usaha yang dilakukan oleh 1 kg gas dalam proses isobarik ketika suhunya berubah sebesar 1 K.
Persamaan Mayer untuk 1 kilomol gas berbentuk
dimana = 8314 J/(kmol⋅K) adalah konstanta gas universal.
Selain persamaan Mayer, kapasitas panas massa isobarik dan isokorik gas berhubungan satu sama lain melalui eksponen adiabatik k (Tabel 1):
Tabel 1.1
Nilai eksponen adiabatik gas ideal
Atomisitas gas | |
Gas monatomik | |
Gas diatomik | |
Gas tri dan poliatomik |
TUJUAN PEKERJAAN
Konsolidasi pengetahuan teoritis tentang hukum dasar termodinamika. Pengembangan praktis metode penentuan kapasitas panas udara berdasarkan keseimbangan energi.
Penentuan eksperimental kapasitas panas massa jenis udara dan perbandingan hasil yang diperoleh dengan nilai referensi.
1.1. Deskripsi pengaturan laboratorium
Pemasangannya (Gbr. 1.1) terdiri dari pipa kuningan 1 dengan diameter dalam d =
= 0,022 m, yang ujungnya terdapat pemanas listrik dengan insulasi termal 10. Aliran udara bergerak di dalam pipa yang dialirkan 3. Aliran udara dapat diatur dengan mengubah kecepatan kipas. Pipa 1 berisi tabung bertekanan penuh 4 dan tekanan statis berlebih 5, yang dihubungkan ke pengukur tekanan 6 dan 7. Selain itu, termokopel 8 dipasang di pipa 1, yang dapat bergerak sepanjang penampang secara bersamaan dengan tabung bertekanan penuh. Besarnya ggl termokopel ditentukan oleh potensiometer 9. Pemanasan udara yang bergerak melalui pipa diatur menggunakan autotransformator laboratorium 12 dengan mengubah daya pemanas, yang ditentukan oleh pembacaan ammeter 14 dan voltmeter 13. Suhu udara di saluran keluar pemanas ditentukan oleh termometer 15.
1.2. PROSEDUR PERCOBAAN
Aliran panas pemanas, W:
dimana saya – saat ini, A; kamu – tegangan, V; = 0,96; =
= 0,94 – koefisien kehilangan panas.
Gambar.1.1. Diagram pengaturan eksperimental:
1 – pipa; 2 – pengacau; 3 – kipas angin; 4 – tabung untuk mengukur tekanan dinamis;
5 – pipa; 6, 7 – pengukur tekanan diferensial; 8 – termokopel; 9 – potensiometer; 10 – isolasi;
11 – pemanas listrik; 12 – autotransformator laboratorium; 13 – voltmeter;
14 – amperemeter; 15 – termometer
Fluks panas yang diserap udara, W:
dimana m – aliran massa udara, kg/s; – eksperimental, kapasitas panas massa isobarik udara, J/(kg K); – suhu udara di pintu keluar dari bagian pemanas dan di pintu masuknya, °C.
Aliran massa udara, kg/s:
. (1.10)
Di Sini - kecepatan rata-rata udara di dalam pipa, m/s; d – diameter dalam pipa, m; – kepadatan udara pada suhu, yang ditentukan dengan rumus, kg/m3:
, (1.11)
dimana = 1,293 kg/m3 – kepadatan udara dalam kondisi fisik normal; B – tekanan, mm. rt. st; – kelebihan tekanan udara statis di dalam pipa, mm. air Seni.
Kecepatan udara ditentukan oleh tekanan dinamis dalam empat bagian yang sama, m/s:
di mana tekanan dinamis, mm. air Seni. (kgf/m2); g = 9,81 m/s2 – percepatan jatuh bebas.
Kecepatan udara rata-rata pada penampang pipa, m/s:
Kapasitas panas massa isobarik rata-rata udara ditentukan dari rumus (1.9), yang menggantikan aliran panas dari persamaan (1.8). Nilai yang tepat Kapasitas kalor udara pada suhu udara rata-rata ditentukan dari tabel kapasitas kalor rata-rata atau dari rumus empiris J/(kg⋅K):
. (1.14)
Kesalahan relatif percobaan, %:
. (1.15)
1.3. Melakukan percobaan dan pengolahan
hasil pengukuran
Percobaan dilakukan dengan urutan sebagai berikut.
1. Stand laboratorium dihidupkan dan setelah menetapkan mode stasioner, pembacaan berikut dilakukan:
Tekanan udara dinamis pada empat titik bagian pipa yang sama;
Tekanan udara statis yang berlebihan di dalam pipa;
Arus I, A dan tegangan U, V;
Suhu udara masuk, °C (termokopel 8);
Suhu keluar, °C (termometer 15);
Tekanan barometrik B, mm. rt. Seni.
Percobaan diulangi untuk mode berikutnya. Hasil pengukuran dimasukkan pada Tabel 1.2. Perhitungan dilakukan dalam tabel. 1.3.
Tabel 1.2
Tabel pengukuran
Nama kuantitas | |||
Suhu saluran masuk udara, °C | |||
Suhu udara keluar, °C |
|||
Tekanan udara dinamis, mm. air Seni. | |||
Tekanan udara statis yang berlebihan, mm. air Seni. |
|||
Tekanan barometrik B, mm. rt. Seni. |
|||
Tegangan kamu, V |
Tabel 1.3
Tabel perhitungan
Nama kuantitas |
|
|||
Tekanan dinamis, N/m2 | ||||
suhu rata-rata aliran masuk, °C |
Kelembaban udara. Kapasitas panas dan entalpi udara
Udara atmosfer adalah campuran udara kering dan uap air (dari 0,2% hingga 2,6%). Oleh karena itu, udara hampir selalu dianggap lembab.
Campuran mekanis udara kering dan uap air disebut udara yang lembab atau campuran udara-uap. Kandungan uap air semaksimal mungkin di udara m hal.n. tergantung pada suhu T dan tekanan P campuran. Ketika itu berubah T Dan P udara dapat berubah dari awalnya tidak jenuh menjadi jenuh dengan uap air, dan kemudian uap air berlebih akan mulai mengendap dalam volume gas dan pada permukaan penutupnya dalam bentuk kabut, embun beku, atau salju.
Parameter utama yang mencirikan keadaan udara lembab adalah: suhu, tekanan, volume spesifik, kadar air, kelembaban absolut dan relatif, massa molekul, konstanta gas, kapasitas panas dan entalpi.
Menurut hukum Dalton untuk campuran gas tekanan total udara lembab (P) ada jumlah tekanan parsial udara kering P c dan uap air P p: P = P c + P p.
Demikian pula, volume V dan massa m udara lembab akan ditentukan oleh hubungan:
V = V c + V p, m = m c + m p.
Kepadatan Dan volume spesifik udara lembab (v) didefinisikan:
Berat molekul udara lembab:
di mana B adalah tekanan barometrik.
Karena kelembaban udara terus meningkat selama proses pengeringan, dan jumlah udara kering dalam campuran uap-udara tetap konstan, proses pengeringan dinilai berdasarkan perubahan jumlah uap air per 1 kg udara kering, dan semua indikator campuran uap-udara (kapasitas panas, kadar air, entalpi, dan lain-lain) mengacu pada 1 kg udara kering yang terletak di udara lembab.
d = m p / m c, g/kg, atau, X = m p / m c.
Kelembaban udara mutlak- massa uap dalam 1 m 3 udara lembab. Nilai ini secara numerik sama dengan .
Kelembaban relatif - Ini adalah rasio kelembapan absolut udara tak jenuh dengan kelembapan absolut udara jenuh pada kondisi tertentu:
di sini, tetapi kelembapan relatif lebih sering dinyatakan dalam persentase.
Untuk kepadatan udara lembab, hubungan berikut ini berlaku:
Panas spesifik udara lembab:
c = c c + c p ×d/1000 = c c + c p ×X, kJ/(kg× °C),
dimana c c adalah kapasitas panas spesifik udara kering, c c = 1,0;
c p - kapasitas panas spesifik uap; dengan n = 1,8.
Kapasitas panas udara kering pada tekanan konstan dan rentang suhu kecil (hingga 100 o C) untuk perhitungan perkiraan dapat dianggap konstan, sama dengan 1,0048 kJ/(kg × ° C). Untuk uap super panas, kapasitas panas isobarik rata-rata pada tekanan atmosfer dan tingkat pemanasan berlebih yang rendah juga dapat dianggap konstan dan sama dengan 1,96 kJ/(kg×K).
Entalpi (i) udara lembab- ini adalah salah satu parameter utamanya, yang banyak digunakan dalam perhitungan instalasi pengeringan, terutama untuk menentukan panas yang dihabiskan untuk menguapkan uap air dari bahan yang dikeringkan. Entalpi udara lembab mengacu pada satu kilogram udara kering dalam campuran uap-udara dan ditentukan sebagai jumlah entalpi udara kering dan uap air, yaitu
saya = saya c + saya p ×Х, kJ/kg.
Saat menghitung entalpi campuran, titik awal entalpi masing-masing komponen harus sama. Untuk perhitungan udara lembab, kita asumsikan entalpi air adalah nol pada 0 o C, kemudian kita hitung juga entalpi udara kering dari 0 o C, yaitu i in = c in *t = 1,0048t.
Tujuan pekerjaan: penentuan kapasitas panas isobarik udara menggunakan metode kalorimeter aliran.
Latihan:
Tentukan secara eksperimental kapasitas panas isobarik volumetrik rata-rata udara.
Berdasarkan data percobaan yang diperoleh, hitung rata-rata massa dan kapasitas panas isobarik molar serta rata-rata massa, volumetrik dan kapasitas panas molar udara.
Tentukan indeks adiabatik udara.
Bandingkan data yang diperoleh dengan data tabel.
Menilai keakuratan data eksperimen.
KETENTUAN DASAR.
Kapasitas panas– properti yang menunjukkan berapa banyak panas yang harus disuplai ke sistem untuk mengubah suhunya sebesar satu derajat.
Dalam rumusan ini, kapasitas kalor mempunyai arti parameter yang luas, yaitu. tergantung pada jumlah zat dalam sistem.
Dalam hal ini, tidak mungkin untuk mengukur sifat termal berbagai bahan dengan membandingkannya satu sama lain. Untuk penggunaan praktis, parameter yang lebih informatif adalah yang disebut panas spesifik.
Panas spesifik menunjukkan berapa banyak kalor yang harus ditambahkan ke suatu satuan jumlah suatu zat untuk memanaskannya sebesar satu derajat.
Tergantung pada satuan yang mengukur jumlah suatu zat, berikut ini dibedakan:
kapasitas panas massa spesifik (C). Dalam sistem SI diukur dalam
;
Berbagai jenis kapasitas panas spesifik saling berhubungan:
,
Di mana 
- massa spesifik, kapasitas panas volumetrik dan molar, masing-masing;
- kepadatan gas dalam kondisi fisik normal, kg/m 3 ;
- massa molar gas, kg/kmol;
- volume satu kilomol gas ideal dalam kondisi fisik normal.
Secara umum, kapasitas kalor bergantung pada suhu penentuannya.
Kapasitas panas ditentukan pada nilai suhu tertentu, mis. ketika perubahan suhu sistem pada waktu tertentu cenderung nol 
, ditelepon kapasitas panas sebenarnya.
Namun, melakukan perhitungan teknik proses perpindahan panas disederhanakan secara signifikan jika kita menerima bahwa ketika proses tersebut dilakukan dalam kisaran perubahan suhu sistem dari 
sebelum 
kapasitas panas tidak bergantung pada suhu dan tetap konstan. Dalam hal ini, yang disebut kapasitas panas rata-rata.
Kapasitas panas rata-rata
– kapasitas panas sistem adalah konstan dalam kisaran suhu dari 
sebelum 
.
Kapasitas panas tergantung pada sifat proses penyediaan panas ke sistem. Dalam proses isobarik, untuk memanaskan sistem sebesar satu derajat, diperlukan suplai jumlah besar panas dibandingkan proses isokhorik. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa dalam proses isobarik, panas dihabiskan tidak hanya untuk mengubah energi internal sistem, seperti dalam proses isokorik, tetapi juga untuk melakukan kerja pada sistem untuk mengubah volume.
Dalam hal ini, mereka membedakannya isobarik
Dan isokorik
kapasitas panas, dan kapasitas panas isobarik selalu lebih besar dari kapasitas panas isokorik. Hubungan antara jenis kapasitas panas ini ditentukan oleh rumus Mayer:
Di mana 
- konstanta gas, J/(kgderajat).
Dalam penerapan praktis rumus ini, perlu kehati-hatian mengenai kesesuaian dimensi besaran 
,
Dan 
. DI DALAM pada kasus ini, misalnya, perlu menggunakan kapasitas panas jenis massa. rumus ini akan berlaku untuk jenis kapasitas kalor jenis lainnya, namun untuk menghindari kesalahan perhitungan, selalu perlu memperhatikan kesesuaian dimensi besaran yang dimasukkan dalam rumus. Misalnya bila digunakan sebagai pengganti 
konstanta gas universal 
kapasitas panas harus molar spesifik, dll.
DI DALAM proses isotermal semua panas yang disuplai ke sistem dihabiskan untuk melakukan pekerjaan eksternal, dan energi internal dan, oleh karena itu, suhu tidak berubah. Kapasitas panas sistem dalam proses seperti itu sangatlah besar. Pada proses adiabatik, suhu sistem berubah tanpa pertukaran panas dengan lingkungan luar, artinya kapasitas panas sistem pada proses tersebut akan sama dengan nol. Untuk alasan ini Tidak ada konsep kapasitas panas isotermal atau adiabatik.
Dalam makalah ini, metode kalorimeter aliran digunakan untuk menentukan kapasitas panas udara. Diagram pengaturan laboratorium ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar.1. Diagram bangku laboratorium
Udara disuplai oleh kipas 1 ke kalorimeter, yaitu pipa 2 yang terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal rendah dan insulasi termal eksternal 3, yang diperlukan untuk mencegah kehilangan panas pada lingkungan. Di dalam kalorimeter terdapat pemanas listrik 4. Pemanas tersebut ditenagai dari jaringan arus bolak-balik melalui pengatur tegangan 5. Daya pemanas listrik diukur dengan wattmeter 6. Untuk mengukur suhu udara pada saluran masuk dan keluar mesin kalorimeter digunakan termokopel 7, dihubungkan melalui saklar 8 ke alat pengukur termo-EMF 9. Aliran udara melalui kalorimeter diubah oleh pengatur 10 dan diukur menggunakan rotameter pelampung 11.
TATA CARA KINERJA PEKERJAAN.
Mendapatkan data awal dan izin dari manajer untuk melakukan pekerjaan
Nyalakan kipas angin dan atur aliran udara yang diinginkan.
Install menetapkan nilai daya pemanas listrik.
Setelah menetapkan rezim suhu stasioner (dikontrol oleh pembacaan sensor suhu di outlet kalorimeter), suhu udara di saluran masuk dan keluar kalorimeter, aliran udara dan daya pemanas diukur. Hasil pengukuran dimasukkan ke dalam tabel data eksperimen (lihat Tabel 1).
Tabel 1.
Yang baru sedang dipasang rezim suhu dan pengukuran berulang dilakukan. Pengukuran harus dilakukan dalam 2 atau 3 mode berbeda.
Setelah pengukuran selesai, kembalikan semua badan pengawas ke keadaan semula dan matikan instalasi.
Berdasarkan hasil pengukuran, ditentukan nilai rata-rata kapasitas panas isobarik volumetrik udara:
Di mana 
- jumlah kalor yang disuplai ke udara dalam kalorimeter, W. Diterima sama dengan nilai daya listrik pemanas;
- masing-masing, suhu udara di saluran masuk dan keluar kalorimeter, K;
- aliran volumetrik udara melalui kalorimeter, direduksi menjadi kondisi fisik normal, m 3 /s;
Untuk membawa aliran udara melalui kalorimeter ke kondisi normal, gunakan persamaan keadaan gas ideal yang ditulis normal kondisi fisik dan kondisi percobaan:
,
dimana di sisi kiri adalah parameter udara di pintu masuk kalorimeter, dan di sisi kanan - dalam kondisi fisik normal.
Setelah menemukan nilainya 
, sesuai dengan masing-masing 
mode yang dipelajari, nilainya ditentukan 
, yang diambil sebagai perkiraan nilai eksperimen kapasitas panas udara dan digunakan dalam perhitungan lebih lanjut.
, kJ/kg;
Indeks adiabatik untuk udara ditentukan berdasarkan hubungan tersebut
;
Bandingkan nilai kapasitas panas isobarik dan isokorik yang diperoleh dengan nilai tabel (lihat Lampiran 1) dan evaluasi keakuratan data eksperimen yang diperoleh.
Masukkan hasilnya pada Tabel 2.
Meja 2.
PERTANYAAN KONTROL.
Berapa kapasitas panasnya?
Jenis kapasitas panas spesifik apa yang ada?
Berapa kapasitas panas rata-rata dan sebenarnya?
Apa yang disebut kapasitas panas isobarik dan isokorik? Bagaimana mereka saling berhubungan?
Manakah dari dua kapasitas kalor yang lebih besar: C p atau C v dan mengapa? Berikan penjelasan berdasarkan hukum 1 termodinamika.
Keunikan aplikasi praktis rumus Mayer?
Mengapa konsep kapasitas panas isotermal dan adiabatik tidak ada?
Lampiran 1.
Kapasitas panas udara tergantung pada suhu
|
|
|
|
|
|
| ||
STUDI PROSES ALIRAN GAS ADIABATIK MELALUI NOZZLE TAPERING.
Tujuan pekerjaan: studi eksperimental dan teoritis tentang karakteristik termodinamika proses aliran gas keluar dari nosel konvergen.
Latihan:
1. Untuk gas tertentu, dapatkan ketergantungan kecepatan buang aktual dan laju aliran pada perbedaan tekanan yang tersedia sebelum dan sesudah nosel.
KETENTUAN DASAR.
Studi termodinamika tentang proses pergerakan gas melalui saluran sangat penting secara praktis. Prinsip dasar teori aliran gas digunakan dalam perhitungan jalur aliran turbin uap dan gas, mesin jet, kompresor, penggerak pneumatik dan banyak sistem teknis lainnya.
Saluran dengan penampang variabel, yang melaluinya aliran gas memuai seiring dengan penurunan tekanan dan peningkatan kecepatan, disebut nozel. Di dalam nozel, energi potensial tekanan gas diubah menjadi energi kinetik aliran. Jika dalam suatu saluran terjadi peningkatan tekanan fluida kerja dan penurunan kecepatan geraknya, maka saluran tersebut disebut penyebar. Dalam diffuser, energi potensial suatu gas ditingkatkan dengan mengurangi energi kinetiknya.
Untuk menyederhanakan gambaran teoritis proses aliran keluar gas, dibuat asumsi sebagai berikut:
gas sangat ideal;
tidak terdapat dalam gas friksi internal, yaitu viskositas;
tidak ada kerugian yang tidak dapat diubah selama proses kadaluwarsa;
aliran gas stabil dan stasioner, mis. kapan saja persilangan laju aliran w dan parameter keadaan gas (p, v, T) adalah sama dan tidak berubah seiring waktu;
alirannya satu dimensi, yaitu karakteristik aliran hanya berubah pada arah aliran;
tidak ada pertukaran panas antara aliran dan lingkungan luar, mis. proses aliran keluar bersifat adiabatik.
Gambaran teoritis proses aliran keluar gas didasarkan pada persamaan berikut.
Persamaan keadaan gas ideal
,
dimana R adalah konstanta gas;
T- suhu mutlak aliran gas.
Persamaan adiabatik (persamaan Poisson)
dimana p adalah tekanan gas absolut;
k adalah indeks adiabatik.
Persamaan kontinuitas aliran
dimana F adalah luas penampang aliran;
w – kecepatan aliran;
v – volume spesifik gas.
Persamaan Bernoulli untuk fluida kerja kompresibel dengan memperhitungkan tidak adanya gesekan internal
Persamaan ini menunjukkan bahwa ketika tekanan gas meningkat, kecepatannya dan energi kinetik selalu berkurang, begitu pula sebaliknya dengan berkurangnya tekanan maka kecepatan dan energi kinetik gas bertambah.
Persamaan hukum 1 termodinamika aliran.
Hukum 1 termodinamika secara umum mempunyai bentuk sebagai berikut
,
Di mana 
– jumlah dasar panas yang disuplai ke sistem;
– perubahan mendasar dalam energi internal sistem;
- pekerjaan dasar perubahan volume yang dilakukan oleh sistem.
Dalam kasus sistem termodinamika yang bergerak (aliran gas yang bergerak), sebagian dari usaha perubahan volume dihabiskan untuk mengatasi gaya tekanan eksternal, yaitu. pergerakan gas sebenarnya. Bagian ini pekerjaan umum ditelepon mendorong pekerjaan. Sisa pekerjaan perubahan volume dapat dimanfaatkan secara bermanfaat, misalnya digunakan untuk memutar roda turbin. Bagian dari keseluruhan operasi sistem ini disebut tersedia atau pekerjaan teknis .
Jadi, dalam kasus aliran gas, kerja perubahan volume terdiri dari 2 suku - kerja mendorong dan kerja teknis (sekali pakai):
Di mana 
- pekerjaan mendorong dasar;
- pekerjaan teknis dasar
Maka hukum 1 termodinamika untuk aliran akan berbentuk
,
Di mana 
- perubahan mendasar pada entalpi sistem.
Dalam kasus aliran keluar adiabatik
Jadi, kapan dalam aliran keluar adiabatik, pekerjaan teknis dilakukan karena penurunan entalpi gas.
Berdasarkan asumsi yang dibahas di atas untuk kasus aliran gas keluar dari bejana dengan kapasitas tidak terbatas (dalam hal ini kecepatan awal gas 
) diperoleh rumus untuk menentukan kecepatan teoritis 
dan aliran massa gas 
di bagian keluar nosel:
atau
Di mana 
- tekanan dan suhu gas di bagian saluran masuk nosel;
- entalpi aliran spesifik, masing-masing, pada saluran masuk ke nosel dan keluar dari nosel;
- indeks adiabatik;
- konstanta gas;
- rasio tekanan pada saluran keluar nosel dan pada saluran masuk nosel;
- luas bagian keluar nosel.
Analisis rumus yang diperoleh menunjukkan bahwa, menurut teori yang diterima, ketergantungan kecepatan teoritis dan aliran massa pada rasio tekanan harus berbentuk grafik dengan kurva yang ditandai dengan huruf T (lihat Gambar 1 dan Gambar . Berdasarkan grafik bahwa, menurut teori, ketika nilai menurun dari 1 menjadi 0, kecepatan aliran keluar akan terus meningkat (lihat Gambar 1), dan laju aliran massa pertama-tama meningkat hingga nilai maksimum tertentu. , dan kemudian harus turun menjadi 0 pada = 0 ( lihat Gambar 2).
Gambar 1. Ketergantungan kecepatan aliran keluar pada rasio tekanan
Gambar 2. Ketergantungan aliran massa pada rasio tekanan
Namun, dalam studi eksperimental tentang aliran keluar gas dari nosel yang meruncing, ditemukan bahwa ketika berkurang dari 1 menjadi 0, kecepatan pembuangan aktual dan, oleh karena itu, laju aliran aktual pertama-tama meningkat sepenuhnya sesuai dengan teori yang diterima. prosesnya, tetapi setelah mencapai nilai maksimumnya, dengan penurunan lebih lanjut hingga 0 tetap tidak berubah
Sifat ketergantungan ini diwakili pada grafik dengan kurva yang ditandai dengan huruf D (lihat Gambar 1 dan Gambar 2).
Penjelasan fisik atas perbedaan antara ketergantungan teoretis dan data eksperimen pertama kali diajukan pada tahun 1839 oleh ilmuwan Prancis Saint-Venant. Hal ini dikonfirmasi oleh penelitian lebih lanjut. Diketahui bahwa gangguan apa pun, bahkan yang lemah sekalipun, pada medium stasioner merambat di dalamnya dengan kecepatan suara. Dalam suatu aliran yang bergerak melalui nosel menuju sumber gangguan, kecepatan transmisi gangguan ke dalam nosel, yaitu. terhadap arah aliran akan semakin kecil sebesar besarnya kecepatan aliran itu sendiri. Inilah yang disebut kecepatan relatif rambat gangguan, yaitu sama dengan 
. Ketika gelombang gangguan masuk ke nosel di sepanjang aliran, terjadi redistribusi tekanan yang sesuai, yang menurut teori, hasilnya adalah peningkatan kecepatan aliran keluar dan laju aliran gas. Pada tekanan gas konstan di saluran masuk ke nosel P 1 =konstan, penurunan tekanan medium tempat gas mengalir berhubungan dengan penurunan nilai β.
Namun, jika tekanan medium tempat gas mengalir turun hingga nilai tertentu di mana kecepatan aliran keluar di pintu keluar nosel menjadi sama dengan kecepatan suara lokal, gelombang gangguan tidak akan dapat merambat ke dalam nosel, karena kecepatan relatif rambatnya dalam medium yang berlawanan arah dengan gerak , akan sama dengan nol:
.
Dalam hal ini, redistribusi tekanan aliran sepanjang nosel tidak dapat terjadi dan laju aliran gas pada saluran keluar nosel akan tetap tidak berubah dan sama dengan kecepatan suara lokal. Dengan kata lain, aliran tersebut seolah-olah “meniupkan” ruang hampa yang tercipta di luar nosel. Tidak peduli seberapa besar tekanan absolut media di belakang nosel berkurang, tidak akan ada peningkatan lebih lanjut dalam kecepatan buang, dan juga laju aliran, karena secara kiasan, menurut Reynolds, “nosel tidak lagi merasakan apa yang terjadi di luarnya” atau, seperti yang kadang-kadang dikatakan, “nosel terkunci”. Analogi dari fenomena ini adalah keadaan yang kadang-kadang dapat diamati ketika bunyi suara seseorang terbawa oleh angin sakal yang kuat dan lawan bicaranya tidak dapat mendengar perkataannya, walaupun jaraknya sangat dekat, jika angin bertiup darinya ke arah tersebut. pembicara.
Mode aliran keluar di mana kecepatan aliran keluar pada pintu keluar nosel mencapai kecepatan suara lokal disebut mode kritis. Tingkat arus keluar 
, konsumsi 
dan rasio tekanan 
, sesuai rezim ini, disebut juga kritis. Mode ini sesuai dengan nilai maksimum kecepatan aliran dan laju aliran yang dapat dicapai ketika gas mengalir melalui nosel konvergen konvensional. Rasio tekanan kritis ditentukan oleh rumus
,
di mana k adalah eksponen adiabatik.
Rasio tekanan kritis hanya bergantung pada jenis gas dan konstan untuk gas tertentu. Misalnya:
untuk gas monoatomik k= 1,66 dan k 0,489;
untuk gas 2 atom dan udara k= 1,4 dan k 0,528
untuk gas 3- dan poliatomik k=1,3 dan hingga 0,546.
Dengan demikian, ketergantungan teoritis untuk menentukan laju aliran dan laju aliran gas, yang diperoleh berdasarkan asumsi yang diterima, sebenarnya hanya valid dalam kisaran nilai. 
. Dengan nilai-nilai 
kecepatan aliran keluar dan laju aliran sebenarnya tetap konstan dan maksimum untuk kondisi tertentu.
Apalagi untuk kondisi aliran nyata, kecepatan buang aktual dan laju aliran gas pada keluar nosel pun pada nilai 
akan sedikit lebih rendah dari nilai teoretisnya. Hal ini terjadi karena gesekan jet terhadap dinding nosel. Suhu di pintu keluar nosel sedikit lebih tinggi dari suhu teoritis. Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa sebagian dari pekerjaan yang tersedia aliran gas menghilang dan berubah menjadi panas, yang menyebabkan peningkatan suhu.
DESKRIPSI STAND LABORATORIUM.
Kajian proses keluarnya gas dari nozzle dilakukan dengan menggunakan instalasi berdasarkan metode pemodelan simulasi nyata proses fisik. Instalasinya terdiri dari PC yang terhubung dengan model area kerja, panel kontrol dan alat ukur. Diagram instalasi ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar.3. Diagram instalasi untuk mempelajari proses aliran keluar gas
Bagian kerja instalasi adalah sebuah tabung yang di dalamnya dipasang nosel uji tirus 3 dengan diameter saluran keluar d = 1,5 mm. Aliran gas (udara, karbon dioksida(CO 2), helium (He)) dibuat melalui nosel menggunakan pompa vakum 5. Tekanan gas di saluran masuk sama dengan tekanan barometrik (P 1 =B). Laju aliran gas G dan laju aliran w diatur oleh katup 4. Mode pengoperasian ditentukan oleh nilai vakum di belakang noselP 3, yang dicatat pada indikator digital 6. Aliran gas diukur menggunakan diafragma pengukur dengan diameter dd = 5 mm. Perbedaan tekanan melintasi diafragma H dicatat pada indikator digital 7 dan diduplikasi pada layar monitor PC. Kevakuman P 2 di bagian outlet nosel juga dicatat pada indikator digital 6 dan layar monitor. Koefisien aliran diafragma pengukur dengan lubang yang dikalibrasi = 0,95 ditentukan sebagai hasil kalibrasi.
TATA CARA KINERJA PEKERJAAN.
Nyalakan instalasi ke jaringan, masuk ke dialog dengan program melakukan percobaan tertanam di komputer.
Pilih jenis gas untuk melakukan percobaan.
Nyalakan pompa vakum. Hal ini menciptakan ruang hampa di belakang katup 4, yang ditampilkan pada layar monitor.
Dengan membuka katup 4 secara bertahap, vakum minimum tercapai
P 3 = 0,1 at, yang sesuai dengan mode pertama. Pada titik ini, aliran gas dimulai.
Masukkan ke dalam protokol eksperimental (Tabel 1) nilai numerik P 3 , P 2 , H, dicatat menggunakan indikator digital 6 dan 7.
Lakukan pengukuran nilai P 2 , H untuk mode selanjutnya sesuai dengan nilai vakum yang diciptakan oleh pompa vakum,
P 3 = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5…..0.9 jam. Masukkan hasil pengukuran ke dalam tabel 1
Tabel 1.
Tekanan gas pada saluran masuk nosel P 1 =B= Pa.
Suhu gas di saluran masuk nosel t 1 =C.
|
Modus No. |
Hasil pengukuran |
|||
PENGOLAHAN HASIL PENGUKURAN.
Tekanan absolut media P 3 di belakang nosel tempat gas mengalir ditentukan
, Pa
4.2. Tekanan gas absolut P 2 di bagian outlet nosel ditentukan
, Pa
Laju aliran massa gas sebenarnya ditentukan oleh penurunan tekanan H melintasi diafragma pengukur
,kg/detik
Di mana 
- koefisien aliran diafragma pengukur;
- penurunan tekanan pada diafragma pengukur, Pa;
- kepadatan gas, kg/m3;
- tekanan barometrik, Pa;
- konstanta gas, J/(kg∙deg);
- suhu gas,С;
- diameter diafragma pengukur.
4.4. Karena proses aliran keluar bersifat adiabatik, suhu teoritis gas T2 pada pintu keluar nosel ditentukan menggunakan hubungan yang diketahui untuk proses adiabatik:
4.5. Kecepatan pembuangan sebenarnya ditentukan 
dan suhu gas 
di bagian keluar nosel
, MS;
Di mana 
- laju aliran massa gas aktual, kg/s;
- masing-masing, suhu (K) dan tekanan (Pa) gas di bagian keluar nosel;
- luas bagian keluar nosel;
- diameter bagian keluar nosel.
Sebaliknya berdasarkan hukum 1 termodinamika untuk aliran
Di mana 
- entalpi spesifik gas pada saluran masuk dan saluran keluar nosel, masing-masing J/kg;
- suhu gas di saluran masuk dan keluar nosel, masing-masing, K;
- kapasitas panas isobarik spesifik gas, J/(kgdeg);
Dengan menyamakan ruas kanan persamaan (17) dan (18), dan menyelesaikan persamaan kuadrat yang dihasilkan untuk T 2, suhu gas sebenarnya di bagian keluar nosel ditentukan.
atau
,
Di mana 
;
;
.
4.6. Laju aliran massa teoritis gas untuk aliran keluar adiabatik ditentukan
, kg/dtk;
Di mana 
- luas penampang keluar nosel, m2;
- tekanan gas absolut pada saluran masuk nosel, Pa;
- suhu gas di saluran masuk nosel, K;
- konstanta gas, J/(kgderajat);
- indeks adiabatik.
4.7. Laju aliran gas teoritis ditentukan
Di mana 
- suhu gas di bagian saluran masuk nosel;
- indeks adiabatik;
- konstanta gas;
- rasio tekanan;
- tekanan absolut dari media tempat gas mengalir, Pa;
- tekanan gas absolut pada saluran masuk nosel, Pa.
4.8. Laju aliran gas teoritis maksimum ditentukan 
(aliran keluar ke dalam kehampaan pada P 3 = 0) dan kecepatan suara teoritis lokal (kecepatan kritis) 
.
4.9. Hasil perhitungannya dimasukkan pada Tabel 2.
Meja 2.
|
Hasil perhitungan |
||||||||||
4.10. Dalam koordinat 
Dan 
grafik ketergantungan dibuat, dan grafik ketergantungan juga dibuat 
. Nilai rasio tekanan kritis ditentukan dari grafik 
,
yang dibandingkan dengan yang dihitung
.
4.11. Berdasarkan hasil perhitungan dan konstruksi grafis, ditarik kesimpulan sebagai berikut:
Bagaimana laju aliran dan laju aliran gas teoritis bergantung pada rasio tekanan β?
Bagaimana laju aliran gas aktual dan laju aliran bergantung pada rasio tekanan β?
Mengapa laju aliran gas aktual dan laju aliran lebih rendah dari nilai teoritis terkait dalam kondisi eksternal yang sama?
PERTANYAAN KONTROL.
Asumsi apa yang dibuat ketika menjelaskan secara teoritis termodinamika proses aliran keluar gas?
Hukum dasar apa yang digunakan untuk menggambarkan proses arus keluar secara teoritis?
Komponen apa yang membentuk usaha yang dilakukan oleh aliran gas saat mengalir melalui nosel?
Apa hubungan antara entalpi dan kerja teknis aliran gas selama aliran keluar adiabatik?
Apa yang dimaksud dengan rezim aliran kritis dan bagaimana ciri-cirinya?
Bagaimana menjelaskannya dengan titik fisik lihat, perbedaan antara ketergantungan teoritis dan eksperimental dari kecepatan aliran keluar dan laju aliran pada ?
Bagaimana kondisi aliran keluar sebenarnya mempengaruhi kecepatan, laju aliran dan suhu gas di pintu keluar nosel?
