Suvning solishtirma issiqlik sig'imi qanday aniqlanadi. Neft va gaz katta ensiklopediya
Asboblar VA AKSESSUARLAR: kalorimetr, termometr, tarozi, sinov korpuslari, stakan (grammda kalibrlangan), elektr isitgich.
– issiqlik balansi tenglamasining haqiqiyligini eksperimental tarzda tasdiqlash;
– qattiq jismlarning solishtirma issiqlik sig‘imlarini hisoblash;
– o‘lchov va hisob-kitoblar natijalarini jadval shaklida tartibga solish;
- ushbu ishda o'lchov va hisob-kitoblar texnikasini takomillashtirish bo'yicha takliflaringizni yozing.
TAJRIBANING QISQA NAZARIYASI
Termodinamikaning asosiy fizik tushunchalaridan biri issiqlik sig'imidir.
Tananing issiqlik sig'imi chaqirdi jismoniy miqdor, raqamli issiqlikka teng, bu ko'rib chiqilayotgan termodinamik jarayonda uning haroratini 1 K ga o'zgartirish uchun tanaga etkazilishi kerak. Boshqa tomondan, tananing issiqlik sig'imi tanaga berilgan dQ issiqlikning ko'rib chiqilayotgan termodinamik jarayonda tana haroratining dT o'zgarishiga nisbatiga teng:
Tananing issiqlik sig'imi unga bog'liq kimyoviy tarkibi, jismning massasi va uning termodinamik holati, shuningdek, ta'rifdan ko'rinib turibdiki, issiqlik dQ kiradigan jism holatini o'zgartirish jarayonining turiga.
Issiqlik xususiyatlari bir hil jismlar o'ziga xos va molyar (molyar) issiqlik sig'imi qiymatlari bilan tavsiflanadi. Moddaning o'ziga xos issiqlik sig'imi fizik miqdor deb ataladi Bilan, ko'rib chiqilayotgan termodinamik jarayonda uning haroratini 1 K ga o'zgartirish uchun bir kilogramm moddaga berilishi kerak bo'lgan issiqlikka son jihatdan teng. Bir hil jismning issiqlik sig'imi tananing massasining mahsuloti sifatida belgilanishi mumkin m o'ziga xos issiqlik quvvati uchun Bilan uning moddalari:
yoki (2.2).
Shunday qilib, bir jinsli jism uchun dQ va dT o'rtasidagi munosabat quyidagi ko'rinishga ega:
molar issiqlik sig'imi Ko'rib chiqilayotgan termodinamik jarayonda uning haroratini 1 K ga o'zgartirish uchun moddaning bir moliga berilishi kerak bo'lgan issiqlikka son jihatdan teng bo'lgan fizik miqdor C deyiladi:
FROM = XONIM = (2.4),
bu erda M - moddaning molyar massasi; FROM xuddi shu jarayondagi o'ziga xos issiqlik sig'imi.
Endi (2.4) ifodani quyidagi shaklda yozish mumkin:
Bu erda = n - moddaning miqdori.
Jismning issiqlik sig'imi o'lchov birligi 1 J / K, o'ziga xos issiqlik– 1 J/kg. K, molar - 1 J / mol. TO.
Agar isitish hajmi doimiy bo'lib qoladigan sharoitlarda sodir bo'lsa, mos keladigan molyar issiqlik sig'imi deyiladi doimiy hajmdagi issiqlik sig'imi, yoki izoxorik issiqlik sig'imi va C v bilan belgilanadi:
Agar isitish vaqtida bosim doimiy bo'lib qolsa, u holda issiqlik sig'imi deyiladi doimiy bosimdagi issiqlik sig'imi C p (uni izobarik issiqlik sig'imi deb ham atash mumkin):
E'tibor bering, qattiq jismlar uchun to'g'ridan-to'g'ri o'lchash uchun doimiy hajmda emas, balki doimiy bosimdagi issiqlik sig'imi mavjud, chunki termal kengayish tufayli tananing hajmining doimiyligini ta'minlash mumkin emas. Biroq, isitish vaqtida hajm o'zgarishining kichikligi tufayli C p va C v issiqlik sig'imlari orasidagi farq kichikdir.
Tajriba yo'li bilan tananing issiqlik sig'imi issiqlik balansi tenglamasini qo'llash orqali aniqlanadi. Tana haroratdan yuqori bo'lgan haroratgacha qizdirilsin muhit. Keyin, sovib, tana ma'lum miqdorda issiqlik chiqaradi. Yopiq tizimda energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, muhit tomonidan olingan issiqlik miqdori tanadan ajratilgan issiqlik miqdoriga to'liq teng bo'lishi kerak. Bu ishda, sovigan holda, sinov tanasi kalorimetrdagi suvga va kaloriyametrning o'ziga issiqlik beradi.
Berilgan sinov tanasi massa bilan bo'lsin m, haroratgacha qizdiriladi t0, suv bilan kalorimetrga tushiriladi, uning harorati t1. Issiqlik uzatish natijasida suv harorati va kalorimetr ga ko'tariladi t2, a Tana harorati ga tushadi t2. Tana tomonidan chiqariladigan issiqlik miqdori:
Q dep = sm(t0 - t2) (2.6),
Bu erda c - sinov tanasining o'ziga xos issiqlik sig'imi,
t0- boshlang'ich tana harorati;
t2- yakuniy tana harorati;
m- tana massasi.
Kalorimetr va suv tomonidan qabul qilingan issiqlik miqdori quyidagilarga teng:
Kalorimetrning massasi va solishtirma issiqligi qayerda va
I - ommaviy va o'ziga xos suvning issiqlik sig'imi,
t1- suvning dastlabki harorati;
t2 suvning oxirgi harorati.
Yopiq tizimda energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra:
Q otd \u003d Q qavat (2.8).
Keyin, 2.6 va 2.7 formulalarini 2.8 tenglamaga qo'yish va kerakli qiymatni ifodalash FROM , biz olamiz:
(2.9).
TURLI METALLARDAN UCH TILINDRIK JISNALARNING MAXSUS ISSIQLIK SIYoTLARINI ANIQLASH.
1. Jismlar massalarining qiymatlarini aniqlang - m i, kalorimetrning massasi – , suvning solishtirma issiqligi – , kalorimetrning solishtirma issiqligi – .
2. Kalorimetrga xona haroratida (taxminan 150 g) o'lchangan miqdorda sovuq suv quying.
3. Sovuq suvning boshlang'ich harorati t 1 ni o'lchang.
4. Idishdagi suvni qaynaguncha qizdiring.
5. Sinov organlaridan birini qaynoq suvga bir muddat qo'ying. Isitilgan tananing harorati t 0 ni oling haroratga teng normal sharoitda qaynoq suv - 100 ° S.
6. Isitilgan tanani suv bilan kalorimetrga qo'ying. Issiqlik uzatishning tugashini kuting va oxirgi haroratni kalorimetrda o'lchang - t 2 .
8. Xuddi shunday boshqa ikkita jismning solishtirma issiqlik sig'imlarini aniqlang.
9. O'lchov va hisob-kitoblar natijalarini 3-jadvalga yozing.
10. Maxsus issiqlik sig'imlarining qiymatlariga asoslanib, jismlar qanday moddalardan yasalganligini aniqlang.
12. Jismlarning chiziqli o'lchamlarini o'lchab, ularning zichligini aniqlang.
13. Xatolarni hisoblang va natijani GOSTga muvofiq yozib oling.
14. Laboratoriya ishi yuzasidan xulosalarni yozing.
3-jadval
| No p / p | M", kg | M", kg | m, kg | C", J / kg. K | C", J / kg. K | t 0, 0 C | t 1, 0 C | t 2, 0 C | C, J/kg. Kimga |
2-sahifa
Sykes bo'yicha solishtirma issiqlikni aniqlashning aniqligi juda yuqori. Biroq, bu usul Smit usuliga qaraganda ko'proq eksperimental qiyinchiliklar bilan bog'liq va bundan tashqari, faqat isitish egri chiziqlari uchun aniq natijalar beradi, garchi u sovutish egri chiziqlarini olish uchun ham ishlatilishi mumkin. Smitning usuli tor harorat diapazonlarini o'rganishni osonlashtiradi, lekin ehtimol unchalik aniq emas.
Shuning uchun moddaning solishtirma issiqlik sig'imi sg ni aniqlash uchun tanaga ta'sir etuvchi tashqi kuchlar tomonidan bajarilgan A ishni o'lchash va yo'qligida ish natijasida kuzatiladigan tana haroratining o'zgarishini o'lchash kerak. boshqa jismlar bilan issiqlik almashinuvi.
Maxsus issiqlik sig'imini aniqlashning eng ko'p qo'llaniladigan usuli; aralashtirish deb ataladi. Kalorimetr (Regno) qizil mis idishdan iborat bo'lib, boshqa mis idishning pastki qismidagi yog'och oyoqlarga o'rnatilgan bo'lib, u havo qatlami bilan ajralib turadi, uning issiqlik o'tkazuvchanligi va issiqlik sig'imi hajmi birlik uchun. ahamiyatsiz. Birinchi idish suv bilan to'ldiriladi.
Endi gaz aralashmasining solishtirma issiqlik sig'imini aniqlash usullarini ko'rib chiqamiz.
Suning solishtirma issiqlik sig'imini to'g'ridan-to'g'ri (to'g'ridan-to'g'ri) aniqlash va harorat va solishtirma hajmga qarab uning o'zgarish jarayonini o'rganish. samarali vositalar moddalarning kritik holatini o'rganish. Shuning uchun issiqlik sig'imini eksperimental aniqlash muhim hodisalarni o'rganishda katta nazariy va amaliy qiziqish uyg'otadi.
Eritmalarning solishtirma issiqlik sig'imini aniqlash uchun qanday formula mavjud.
Aralashtirish yo'li bilan solishtirma issiqlikni aniqlash bo'yicha tajribalar o'tkazishda sinov namunasini - - aniq belgilangan haroratgacha qizdirish kerak. Buning uchun isitiladigan namunani kalorimetrga tez o'tkazish uchun zarur bo'lgan qisqa vaqt davomida kalorimetrdan yuqoriga o'rnatiladigan ko'chma isitgichlar qo'llaniladi.
| Qurilma diagrammasi. |
Xususiy issiqlikni aniqlashning eng oddiy absolyut statsionar usulining mohiyati quyidagilardan iborat: isitish moslamasi va sovutgich orasiga qalinligi h va tasavvurlar maydoni 5 bo'lgan sinov materialining namunasi joylashtiriladi. Isitgich bilan idish bo'lishi mumkin issiq suv yoki elektr isitish elementi kuchlanishni o'zgartirish orqali uning quvvatini istalgancha sozlash mumkin. Sovutgich ichi bo'sh metall korpus bo'lib, u orqali sovuq suv o'tadi. Namunaning qizdirilgan va sovutilgan yuzalarida haroratlar (tj va mos ravishda / 2) termojuftlar bilan o'lchanadi.
Quyida qumtosh namunasining o'ziga xos issiqlik sig'imini aniqlashda eksperimental ma'lumotlarni qayta ishlash misoli keltirilgan. O'rganilayotgan tog' jinsi namunasi kukuni bilan to'ldirilgan ichi bo'sh silindr 40 C ga qadar qizdirilgan va sokin havo kamerasida 18-20 S haroratgacha sovutilgan.
Shaklda. 3 - 6 suyuq individual uglevodorodlar va neft aralashmalarining, shuningdek, metanol va etanolning suvli eritmalarining solishtirma issiqlik sig'imini aniqlash uchun nomogrammalarni ko'rsatadi.
Masalan, issiqlik balansi tenglamasini tuzamiz, u kaloriyametr yordamida moddaning solishtirma issiqlik sig'imini aniqlashda qo'llaniladi. Taxminan, bu holda issiqlik almashinuvida uchta jism ishtirok etadi deb hisoblash mumkin: kaloriyametr, suyuqlik va moddaning o'ziga xos issiqligi aniqlanadigan tana.
6.4. Jismlar orasidagi issiqlik almashinuvi
6.4.1. Tananing issiqlik sig'imi, o'ziga xosligi moddaning issiqlik sig'imi, moddaning molyar issiqlik sig'imi
Tana haroratini ko'tarish uchun u ma'lum miqdorda issiqlikni etkazishi kerak.
1 K ga berilgan 1 kg modda deyiladi o'ziga xos issiqlik moddalar va formula bo'yicha hisoblanadi
c urish = Q m D T,
bu erda Q - ma'lum bir materiya massasini isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori; m - moddaning massasi; DT - qizdirilganda moddaning haroratining o'zgarishi.
Xalqaro birliklar tizimida moddaning solishtirma issiqlik sig'imi kilogramm-kelvin (1 J/(kg ⋅ K)) ga bo'lingan joullarda o'lchanadi.
Issiqlik uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori ba'zi bir materiya massasi, mahsulot bilan belgilanadi
Q = c urish m ∆T .
Berilgan jismni 1 K ga ko'tarish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori deyiladi tananing issiqlik sig'imi va formula bo'yicha hisoblanadi
C = QDT,
bu erda Q - berilgan jismni isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori; DT - qizdirilganda tana haroratining o'zgarishi.
Xalqaro birliklar tizimida jismning issiqlik sig'imi kelvinga (1 J/K) bo'lingan joullarda o'lchanadi.
Muayyan tanani isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori mahsulot bilan belgilanadi
Q=CDT,
bu erda C - tananing issiqlik sig'imi.
Tananing issiqlik sig'imi va tana tarkibidagi moddaning issiqlik sig'imi; o'zaro bog'langan ifoda
C \u003d mc urishadi,
bu erda C - tananing issiqlik sig'imi; m - tana vazni; c urish - bu jism hosil bo'lgan moddaning o'ziga xos issiqlik sig'imi.
Berilgan moddaning 1 mol haroratini 1 K ga oshirish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori deyiladi moddaning molyar issiqlik sig'imi va formula bo'yicha hisoblanadi
c m = Q n D T,
bu erda Q - ma'lum miqdordagi moddani isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori; n - moddaning miqdori; DT - qizdirilganda belgilangan miqdordagi moddaning haroratining o'zgarishi.
Xalqaro birliklar tizimida moddaning molyar issiqlik sig'imi mol-kelvin uchun joul bilan o'lchanadi (1 J/(mol ⋅ K)).
Issiqlik uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori ma'lum miqdordagi moddalar, mahsulot bilan belgilanadi
Q = c µ nDT.
Moddaning molyar va solishtirma issiqlik sig'imlari o'zaro bog'langan ifoda
c µ = Ms urishi,
bu erda c m - moddaning molyar issiqlik sig'imi; M - moddaning molyar massasi; c sp - moddaning solishtirma issiqlik sig'imi.
14-misol Temir va qo'rg'oshin sharlari bir xil diametrga ega. Temir sharning issiqlik sig'imi qo'rg'oshin sharnikidan necha marta katta? Temir va qo'rg'oshinning o'ziga xos issiqlik sig'imlari 0,46 va 0,13 kJ / (kg ⋅ K), zichligi esa mos ravishda 7,80 va 11,5 g / sm 3 ni tashkil qiladi.
Yechim. To'plarning issiqlik sig'imlari quyidagi formulalar bilan aniqlanadi:
- temir to'p -
C 1 \u003d m 1 c ud1,
bu erda m 1 - temir sharning massasi; c ud1 - temirning solishtirma issiqlik sig'imi;
- qo'rg'oshin to'pi -
C 2 \u003d m 2 c urish2,
bu erda m 2 - qo'rg'oshin to'pi massasi; c sp2 - qo'rg'oshinning solishtirma issiqlik sig'imi.
Istalgan nisbat issiqlik quvvatlari:
C 1 C 2 \u003d m 1 c urish 1 m 2 c urish 2,
temir va qo'rg'oshin to'plari massalarining nisbati va temir va qo'rg'oshinning o'ziga xos issiqliklari nisbati bilan aniqlanadi.
To'plarning massasi ularning o'lchami va zichligi bilan belgilanadi:
- temir to'p -
m 1 \u003d r 1 V 1,
bu erda r 1 - temirning zichligi; V 1 - temir to'pning hajmi;
- qo'rg'oshin to'pi -
m 2 \u003d r 2 V 2,
bu erda r 2 - qo'rg'oshinning zichligi; V 2 - qo'rg'oshin to'pi hajmi.
To'plar bir xil diametrga ega, shuning uchun ularning hajmlari bir xil:
V 1 \u003d V 2 \u003d V \u003d p d 2 6,
bu erda d - temir va qo'rg'oshin sharlarining diametrlari.
Oxirgi holatni hisobga olgan holda, massa nisbati quyidagilarga teng:
m 1 m 2 = r 1 V 1 r 2 V 2 = r 1 r 2.
Temir va qo'rg'oshin sharlarining issiqlik sig'imlari nisbati formulasiga m 1 / m 2 ni almashtiramiz:
C 1 C 2 \u003d r 1 c sp 1 r 2 c sp 2.
Keling, hisob-kitob qilaylik:
C 1 C 2 = 7,80 ⋅ 10 3 ⋅ 0,46 ⋅ 10 3 11,5 ⋅ 10 3 ⋅ 0,13 ⋅ 10 3 = 2,4.
Temir sharning issiqlik sig'imi qo'rg'oshin to'pinikidan 2,4 baravar ko'p.
Misol 15. Aralashmani tayyorlashda bunkerga ma'lum bir qum massasi va tsementning to'rt barobar massasi quyildi. Tsement va qumning o'ziga xos issiqlik sig'imlari mos ravishda 810 va 960 J / (kg ⋅ K) ni tashkil qiladi. Aralashmaning solishtirma issiqlik sig'imini aniqlang.
Yechim. Aralashmaning solishtirma issiqlik sig'imi formula bo'yicha aniqlanadi
c urish = Q m D T,
bu erda Q - aralashmaning haroratini DT ga oshirish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori; m - aralashmaning massasi.
Aralashmani isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori, -
Q \u003d Q 1 + Q 2,
bu erda Q 1 - aralashmaning bir qismi bo'lgan qumni DT ga qizdirish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori; Q 2 - aralashmaning bir qismi bo'lgan tsementni DT ga qizdirish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori.
Isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori:
- qum -
Q 1 \u003d c ud1 m 1 ∆T,
bu erda c ud1 - qumning solishtirma issiqlik sig'imi; m 1 - qum massasi;
- tsement -
Q 2 \u003d c ud2 m 2 ∆T,
bu erda c ud2 - sementning solishtirma issiqlik sig'imi; m 2 - tsement massasi.
Qum va tsement aralashmasini isitish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori ifoda bilan aniqlanadi
Q \u003d c urish 1 m 1 D T + c urish 2 m 2 D T \u003d (c urish 1 m 1 + c urish 2 m 2) D T.
Aralashmaning massasi qum va tsement massalarining yig'indisidir:
m \u003d m 1 + m 2.
Olingan aralashmaning issiqlik miqdori va massasi ifodalarini aralashmaning solishtirma issiqlik sig'imi formulasiga almashtiramiz:
c urish \u003d (c urish 1 m 1 + c 2 m 2) D T (m 1 + m 2) D T \u003d c 1 m 1 + c urish 2 m 2 m 1 + m 2.
Olingan ifodani massa nisbatini hisobga olgan holda o'zgartiramiz:
m 2 = 4m 1, ya'ni. c urish \u003d c urish 1 m 1 + 4 c urish 2 m 1 m 1 + 4 m 1 \u003d c urish 1 + 4 c urish 2 5.
Hisoblash quyidagi qiymatni beradi:
c urish = 960 + 4 ⋅ 810 5 = 840 J / (kg ⋅ K).
Shuning uchun aralashmaning solishtirma issiqlik sig'imi 840 J/(kg ⋅ K) ga teng.