Чем ограничена максимально допустимая температура нагревания калориметра
Чем ограничена максимально допустимая температура нагревания калориметра
Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.
Составители: ЧернышевВ.В., КукуевВ.И.
Практикум подготовлен на кафедре общей физики физического факультета Воронежского государственного университета.
Рекомендуется для студентов IV курса дневного отделения специальности 010400 – Физика.
3 Лабораторная работа ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Цель работы – определение теплоемкости образцов металлов калориметрическим методом с использованием электрического нагрева.
Теория метода Из теории идеального газа известно, что средняя кинетическая энергия одноатомных молекул (изолированных частиц) 3 >= = 3kTU.
0 Полную внутреннюю энергию одного моля твердого тела получим, умножив среднюю энергию одной частицы начисло независимо колеблющихся частиц, содержащихсяводном моле, т.е. напостоянную Авогадро NA:
= N = 3NAkT = 3RT, (1) A0 где R – универсальнаягазоваяпостоянная, R = 8,31 Дж/(мольК).
Для твердых тел вследствие малого коэффициента теплового расширения теплоемкости при постоянном давлении CP и постоянном объеме CV практически не различаются Поэтому, учитывая (1), молярная теплоемкость.
твердого тела dU C == 3R. (2) dT Молярная теплоемкость может быть представлена как произведение атомного веса навеличину удельной теплоемкости c C = c.
Подставляя численное значение универсальной газовой постоянной, получим:
Это равенство называемое законом Дюлонга и Пти, выполняется с, довольно хорошим приближением для многих веществ при комнатной температуре и позволяет рассчитать по известным значениям удельной теплоемкости значенияатомных весов простых кристаллических твердых тел.
Со снижением температуры теплоемкости всех твердых тел уменьшаются, приближаясь к нулю при 0. Вблизи абсолютного нуля молярная Т теплоемкость всех тел пропорциональна, и только при достаточно высокой, Тхарактерной для каждого вещества, температуре начинает выполняться равенство (2). Эти особенности теплоемкостей твердых тел при низких температурах можно объяснить с помощью квантовой теории, созданной Эйнштейном и Дебаем.
Для экспериментального определения теплоемкости исследуемое тело помещается в калориметр, который нагревается электрическим током. Если температуру калориметра с исследуемым образцом очень медленно увеличивать от начальной Т0 наТ, то энергияэлектрического тока пойдет на нагревание образца и калориметра:
IU = m c00 T + mcc + Q, (3) где I и U – ток и напряжение нагревателя; – время нагревания; m0 и m – массы калориметра и исследуемого образца; c0, c – удельные теплоемкости калориметра и исследуемого образца; Q – потери тепла в теплоизоляцию калориметра и в окружающее пространство.
Для исключения из уравнения (3) количества теплоты, расходованной на нагревкалориметра и потери теплоты в окружающее пространствонеобходимо, при той же мощности нагревателя нагреть пустой калориметр (без образца) от начальной температуры Т на ту же разность температур Т. Потери тепла в обоих случаях будут практически одинаковыми и очень малыми, если температура защитного кожуха калориметра в обоих случаях постояннаи равна комнатной:
Экспериментальная установка Для определения теплоемкости твердых тел предназначена экспериментальнаяустановка ФПТ 8, общий вид которой показан нарис.1.
Образцы нагреваются вкалориметре, схема которого приведенанарис.2.
Калориметр представляет собой латунный корпус с коническим отверстием, куда вставляетсяисследуемый образец. На наружной поверхности корпуса в специальных пазах размещается нагревательная спираль. Снаружи корпус калориметра теплоизолирован слоями асбеста и стекловолокнаи закрыт алюминиевым кожухом. Калориметр закрываетсятеплоизолирующей крышкой.
Исследуемые образцы расположены в гнездах в блоке рабочего элемента 2.
После окончания эксперимента образец можно вытолкнуть из конического отверстия корпуса калориметра с помощью винта. Для удаления нагретого образца из калориметра и установки образца в нагреватель используется рукоятка, расположенная в специальном гнезде рядом с исследуемыми образцами.
Рисунок 1 – Общий вид экспериментальной установки ФПТ 8:
1 – блок приборов; 2 – блок рабочего элемента кронштейн; 3 – стойка; 4 – нагреватель; 5 –исследуемые образцы.
Температура калориметра измеряется цифровым термометром, датчик которого находится в корпусе калориметра. В блоке приборов расположен источник питания нагревателя, мощность которого устанавливается регулятором «Нагрев». Напряжение и ток в цепи нагревателя измеряетсявольтметром и амперметром, расположенными на передней панели блока приборов. Время нагрева калориметра измеряется секундомером, расположенным в блоке приборов. Секундомер приводится в действие при включении питанияблока приборов.
Рисунок 2 – Схема калориметра:
1 – образец; 2 – корпус; 3 – асбест; 4 – кожух; 5 – рукоятка; 6 – стекловолокно;
7 – винт; 8 – датчик температуры; 9 – нагреватель; 10 – крышка.
Атомные массы образцов приведены втаблице 1.
Таблица № п/п Материал образца Атомная масса, кг/моль 1 Дюраль 26,9810-2 Латунь 63,5710-3 Сталь 55,8510- Порядок выполнения работы 1. Снять кожух блока рабочего элемента установки и подвесить его на винтах задней панели. Включить установку тумблером «Сеть».
2. Пустой калориметр плотно закрыть крышкой. Включить тумблер «Нагрев». С помощью регулятора «Нагрев» установить необходимое напряжение вцепи.
3. При температуре калориметра t0 = 25 С включить отсчет времени.
Сделать 7-10 измерений времени нагрева пустого калориметра через интервал 1 0С. Результаты занести в таблицу 2.
Таблица Номер U, I, Т, 0,, –0, c, C, измерения В А К с с с Дж/(кгК) Дж/(мольК) 4. Выключить тумблер «Нагрев», открыть крышку и охладить калориметр до начальной температуры t0.
5. Вращая винт влево поместить в калориметр один из исследуемых, образцов взятый по указанию преподавателя. Плотно закрыть крышку, калориметра и подождать 3 мин. для того, чтобы температуры калориметра и образца сравнялись.
6. Включить нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи, как и при нагревании пустого калориметра.
7. Включить отсчет времени при той же начальной температуре t0. Сделать 7-10 измерений времени нагревания калориметра с образцом через интервал температуры1 0С. Результаты занести в таблицу 2.
8. Регулятор «Нагрев» установить в крайнее левое положение, выключить тумблер «Нагрев», открыть крышку калориметра. Для удаленияобразца из калориметра винт вращать вправо после чего с помощью рукоятки, вынуть нагретый образец.
9. Выключить установку тумблером «Сеть».
Обработка результатов измерения 1. Построить график зависимости разности времени нагревания калориметра с образцом и пустого калориметра от изменения температуры калориметра (–0)=f(Т) и определить угловой коэффициент к.
2. Используя значение углового коэффициента к, определить удельную IU теплоемкость образца по формуле c = к.
m 3. Используя данные таблицы 1, определить молярную теплоемкость образца.
4. Оценить погрешность результатов измерений.
Контрольные задания 1. В чем заключается метод электрического нагрева для определения теплоемкости твердых тел 2. Выведите формулу для экспериментального определениятеплоемкости.
3. Почему во время эксперимента нагревание пустого калориметра и калориметра с образцом необходимо производить при одной и той же мощности нагревателя 4. Чем ограничена максимально допустимая температура нагревания калориметра 5. Основные источники ошибок данного методаизмерений.
Литература 1. Базаров И.П. Термодинамика: Учеб. для вузов / И.П.Базаров. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 376 с.
2. Физические величины: Справочник / А.П.Бабичев Н.А.Бабушкина,, А.М.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. – М.:
Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.
Для заметок Составители: ЧернышевВадим Викторович, КукуевВячеслав Иванович Редактор ТихомироваО.А.
Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.
Какую температуру теплоносителя выставлять на газовом котле и на что влияет ее значение
Чтобы правильно настроить систему обогрева жилого помещения, нужно учесть все факторы, влияющие на этот процесс.
Выяснить, как оптимизировать расходы на отопление, как сделать разноуровневое отопление – когда в разных комнатах поддерживается неодинаковая температура.
Какие факторы нужно учесть, чтобы решить вопрос о том, какую температуру выставить на газовом котле для отопления имеющегося помещения.
Факторы, влияющие на работу котла
Для того чтобы понять, какую выставить температуру воды в котле, необходимо учитывать основные факторы:
При этом считается, что дом максимально утеплен – перед входной дверью имеется неотапливаемый тамбур, в каждом окне установлены две рамы либо современный стеклопакет, потолок со стороны крыши утеплен слоем насыпного утеплителя либо плитами каменной ваты.
Например, номинальная тепловая мощность котла составляет 10 КВт, тогда, подставив это значение в формулу, получим 100 м².
Представим, что для отопления площади в 100 м² был выбран агрегат номиналом в 5 КВт – недостаточность мощности приведет к почти непрерывной работе котла, резкому снижению его ресурса и преждевременному выходу из строя.
Варианты выбора температуры котла
Основное правило, которым должен руководствоваться начинающий теплотехник, – не делать «резких движений». Самым комфортным режимом работы оборудования будет тот, при котором температурный регулятор на котле крутят как можно реже. Есть мнение, что днем нужно выставлять одну температуру, а на ночь ее можно убавить. Но ведь температура воздуха на улице тоже не стоит на одном уровне: днем она повышается, ночью снижается. Поэтому стоит рассмотреть некоторые варианты температуры воды в котле.
Идеальный пограничный режим – котел будет нормально работать при таком минимальном режиме нагрева ранней осенью и поздней весной. Днем, при активном прогреве уличного воздуха солнцем (от 0 С до + 10 С), котел будет включаться реже, так как помещение будет дольше остывать. Ночью, при резком падении температуры воздуха на улице (от 0 С до – 10 С), котел будет срабатывать на 2-3 чаще, поддерживая комфортную температуру.
Режим 40 С будет нежелательным при падении дневной температуры уличного воздуха ниже –10 С. Мало нагретый теплоноситель не сможет обеспечить нормальный теплообмен с батареями отопления, а они, оставаясь чуть теплыми, не прогреют воздух в помещении.
Нижняя граница оптимального режима отопления при температуре на улице от –15 С до –20 С. При установке такого порогового значения нужно брать в расчет не среднесуточные значения, а самые минимальные, холодные. Для лучшего, более комфортного регулирования температуры воздуха в помещении нужно учитывать, что регулятором котла выставляется только уровень нагрева теплоносителя.
Горячей воде нужно несколько циклов теплообмена, чтобы прогреть воздух в доме. В этом случае есть риск того, что котел будет работать почти без перерыва, с максимальной нагрузкой. Это приведет к излишнему расходу газа и быстрой выработке ресурса агрегата.
Наиболее оптимальная температура теплоносителя для газового котла зимой. Нужно учитывать, что автоматика включает и выключает горелку, опираясь на уровень нагрева воды во входной трубе, которая называется «обратка». Чем выше температура теплоносителя в ней, тем реже будет включаться нагрев.
Установка на регуляторе котла значения меньшего, чем требуется, приведет к более частому включению горелки, а значит, к перерасходу газа и электроэнергии, если горелка зажигается электрически. Поэтому при температуре уличного воздуха ниже – 25 С установка котла на 60 С просто необходима.
Верхний пограничный режим температуры воды в котле. Установка такого уровня нагрева теплоносителя оправдана только при падении уличных значений ниже –35 С. При установке столь высоких значений горелка котла почти не выключается, газ расходуется по максимуму.
Кроме того, значительно снижается ресурс работы теплообменника из-за максимального нагрева, в некоторых местах котла будет образовываться конденсат. Еще одним минусом будет значительный нагрев поверхностей батарей отопления, что может привести к появлению неприятного запаха.
Работа системы отопления при выставлении температуры на котле
Работа батарей отопительного контура прямо пропорциональна удалению каждой конкретной батареи от источника тепла. Проще говоря, чем дальше батарея расположена от котла, тем ниже температура теплоносителя, которая до неё доходит.
Циркуляционный насос, встроенный в схему котла, способствует выравниванию разницы температур между первой и последней батареями, по их удаленности от агрегата. Но даже работающий насос не способен полностью выровнять уровень нагрева, поэтому при монтаже котла и системы отопления это фактор необходимо учитывать.
Достигается равенство отдачи тепла между батареями регулировкой площади теплообмена каждой из них. Например, чтобы уравнять количество тепла, отдаваемого в начале системы, с его количеством в конце, нужно у первой батареи оставить, допустим, 4 секции, а у последней сделать 6 таких секций.
Важную роль играет расположение комнат в отапливаемом доме. Комната, которая всеми своими стенами граничит с другими комнатами, потребует до 30% меньшего объема тепла, чем комната, имеющая стены, отделяющие ее от улицы.
В этом случае, самым оптимальным решением будет установка на каждую батарею внутренней комнаты индивидуального терморегулятора или термоголовки. Прибор, установленный на радиатор отопления, позволит оптимизировать уровень тепла, выдаваемого этим отопительным прибором.
Работа термоголовки построена на эффекте термопары – чем сильнее нагрев, тем больше элемент меняет свою конфигурацию. Выбирая ручкой нужную ступень, потребитель устанавливает температуру, при которой мембрана прибора перекрывает подачу горячего теплоносителя в радиатор и открывает ее снова, если он остыл.
Хорошо помогает в распределении тепла установка комнатного термостата. Дело в том, что, выставляя температуру в котле, эффект от регулировки потребитель получает не сразу – теплоносителю нужно «пройти» несколько циклов, чтобы установился нужный режим тепла.
Комнатный термостат позволяет регулировать уровень нагрева воды, опираясь на температуру воздуха в комнате, а не на уровень нагрева батарей.
Здесь необходимо отметить, что установка термостата позволяет добиться более точной регулировки тепла в комнате, а значит, может потребоваться определенная процедура согласования работы комнатного регулятора и датчика температуры котла.
Существуют современные модели термостатов, основанные на работе со специальными приложениями для смартфона – таким устройством можно регулировать температуру газового котла, находясь далеко от него.
Удаление воздуха из системы отопления
Бывает так, что все попытки отрегулировать температуру котла не дают желаемого результата. Происходит это, в основном, осенью, после длительного летнего простоя системы отопления.
При наступлении холодов потребитель запускает котел, он начинает работать, а радиаторы отопления нагреваются неравномерно – ближние к котлу секции хоть как-то нагреваются, а последующие становятся чуть теплыми, а то и вовсе холодными.
Произойти это может в том случае, если перед первым запуском котла в новом отопительном сезоне не был проверен уровень воды в системе отопления. Теплыми летними днями, нагреваясь от солнца, вода из системы начинает понемногу испаряться, процесс длится всё лето, и к осени уровень теплоносителя в системе может упасть ниже минимальной отметки.
После первого включения циркуляционный насос, начиная «гонять» воду по системе, загоняет часть воздуха внутрь отопления. Подталкиваемый водой он накапливается в самых верхних и наиболее удаленных от котла точках системы.
Происходит «завоздушивание» системы – пробка из скопившегося воздуха не дает теплоносителю до конца заполнить радиатор отопления.
Для решения проблемы в верхнюю часть радиатора, с дальней от котла его стороны, вворачивают кран Маевского. Устройство предназначено для удаления воздуха из радиатора отопления.
При повороте головки крана рукой или отверткой открывается непрямой сквозной ход для удаления воздуха – появляется шипение выходящего воздуха. Как только через кран начинают выделяться первые брызги воды, его закрывают.
В первые 2-3 дня работы отопления рекомендуется провести несколько таких операций с нарастающим перерывом между ними.
Перед открыванием крана Маевского необходимо подставить под него пустое ведро или другую подходящую емкость. Между краном и стеной желательно поместить любой защитный экран из картона, бумаги, ДВП или других материалов, чтобы защитить покрытие стены от брызг воды.
Как «болезнь» системы отопления завоздушивание характерно для крупных отопительных контуров из-за возможного, несанкционированного отбора горячей воды из системы отопления. Поэтому в многоквартирных домах процедура выпуска воздуха из системы отопления может понадобиться несколько раз в течение всего отопительного сезона.
Как сэкономить на газовом отоплении
Желание как можно меньше потратить на отопление – вполне естественно.
При использовании газа существует несколько способов экономии топлива:
Тактование газового котла: причины и способы их устранения
Под понятием «тактование» понимают частое включение и моментальное отключение котла, который по факту не выполняет основную задачу газового оборудования по нагреву теплоносителя. Такой «симптом», если его не устранить, спровоцирует серьезные поломки, за которыми последует дорогостоящий ремонт.
Почему это происходит
Итак, вы подошли к котлу и заметили, что он включается в работу как положено (срабатывает факел), проходит буквально несколько секунд и он тут же выключается. Через несколько секунд ситуация повторяется.
Первая и самая безвредная с точки зрения технического обслуживания проблема – это неправильно установленная мощность при небольшой протяженности системы отопления. Разберем на примере: ваш котел стоит на 55℃, а насос установлен на максимальные значения.
В замкнутой системе функционирует всего 2 радиатора, а за окном плюсовая температура. Что имеем: нагнетаемая из системы обратка возвращается в теплообменник, где из-за разницы температур должен в автоматическом режиме сработать факел и зажечься котел, чтобы эту разницу устранить, путем нагрева.
Также проблема частого включения и моментального отключения может быть вызвана такими причинами:
Импульсное отключение, которое чередуется с включением газового оборудования, изрядно истощает камеру сгорания и рабочие элементы в ней. Рано или поздно начнутся проблемы с горелкой, которая имеет свойство выходить из строя внезапно, когда ничего не предвещает беды.
Что предпринять
Первое, что нужно сделать, это правильно выставить мощность котла и насоса. Если это минимальные значения, то достаточно поставить насос на средние обороты. Когда нагрев воды более 45℃, то можно добавить обороты.
Важно правильно выставить мощность
Последовательность действий следующая:
Если проблема повторяется, но уже не так часто, вас спасет термостат. Это устройство контролирует температурный показатель обратки и запускает принудительно котел только в том случае, если ее температура ниже установленной вручную. Термостат хорош во всех отношениях: и газ экономит, и котел бережет, и насос не перегревается.
Коротко о главном
В итоге, ответ на вопрос: «Какую температуру выставить на газовом котле для отопления?» звучит так – наиболее комфортную для потребителя. Ее номинальное значение зависит от качества утепления дома, уровня исполнения системы отопления, мощности котла и пожеланий потребителя.
Правильному выставлению комфортной температуры способствует высокий уровень автоматизации процесса отопления и продуманное использование полученного тепла.
Описание экспериментальной установки
Установка ФПТ1-8 (рис. 9.1) представляет собой настольную конструкцию, состоящую из трех основных частей: приборного блока 1; блока рабочего элемента 2; стойки, на которой они укреплены.
На лицевой панели приборного блока находятся: цифровой контроллер для измерения времени 3, амперметр 4, вольтметр 5, органы управления и регулирования установки. Визуально приборный блок разделен на три функциональных зоны: «ИЗМЕРЕНИЕ», «НАГРЕВ» и «СЕТЬ». Узел «ИЗМЕРЕНИЕ» состоит из цифрового контроллера для измерения времени, амперметра и вольтметра, которые осуществляют замер времени проведения опыта, величины тока и напряжения соответственно. Узел «НАГРЕВ» 6 осуществляет включение и регулирование нагрева нагревателя. Узел «СЕТЬ» 7 осуществляет подключение установки к сети питающего напряжения.
На панели блока рабочего элемента расположен цифровой контроллер для измерения температуры 8. Внизу на выступающей панели размещены образцы из различных материалов 9 и рукоятка 10 для установки образцов в нагреватель 11. Нагреватель состоит из металлического кожуха, теплоизолирующего материала, калориметра, с намотанной на него спиралью, ручки для выталкивания образца из калориметра. В калориметр вмонтирован датчик контроллера для измерения температуры. Стойка представляет собой настольную конструкцию с горизонтальным основанием для установки приборного блока и блока рабочего 
элемента.
3. Выполнение упражнений и обработка результатов измерений
1. Нарисовать таблицу 9.1.
2. Снять кожух блока рабочего элемента и подвесить его на винтах задней панели. Включить установку тумблером «СЕТЬ».
3. Пустой колориметр накрыть крышкой. Включить тумблер «НАГРЕВ». С помощью регулятора «НАГРЕВ», установить необходимое напряжение в цепи.
4. При температуре калориметра 
включить отсчёт времени. Сделать 10 измерений нагрева пустого калориметра с интервалом 
. Результаты занести в таблицу 9.1.
| № |  |  |  |  |  |  |
| … |
5. Выключить тумблер «НАГРЕВ», открыть крышку и охладить калориметр до начальной температуры .
6. Зарисовать три раза таблицу 9.2 для трех исследуемых образцов.
7. Выбрать один из трех исследуемых образцов. Взвесить его на электронных весах и записать полученное значение массы с таблицу 9.2.
Материал образца – ;  =  | ||||||
| № | | | | | | |
| … |
8. Вращая винт влево, поместить выбранный образец в калориметр. Плотно закрыть крышку калориметра и подождать 3 минуты для того, чтобы температуры калориметра и образца выровнялись.
9. Включить нагреватель калориметра, установив такое же напряжение в цепи, как и при нагревании пустого калориметра.
10. Включить отсчёт времени при . Сделать 10 измерений времени нагревания калориметра с образцом через интервал .
11. Выключить тумблер «НАГРЕВ», открыть крышку калориметра. Для удаления образца из калориметра винт вращать вправо, после чего с помощью рукоятки вынуть нагретый образец.
12. Повторите пункты 7-10 для остальных образцов.
13. Регулятор «НАГРЕВ» установить в крайнее левое положение. Выключите установку тумблером «СЕТЬ».
14. Построить график зависимости времени нагревания пустого калориметра от температуры, а также для каждого образца графики зависимостей времени нагревания калориметра с образцом от изменения температуры калориметра 
.
15. Определить угловые коэффициенты наклона полученный прямых.
15. Используя значения угловых коэффициентов, определить удельные теплоёмкости образцов по формуле: 
.
16. Используя данные таблицы 9.3 и закон Дюлонга и Пти, определить молярные теплоёмкости образцов.
17. Оценить погрешности результатов.
18. Сравнить табличные значения удельной теплоёмкости алюминия, латуни и стали с полученными опытным путём. Сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. Что называется удельной теплоёмкостью? В каких единицах она измеряется и от чего она зависит?
2. Приведите различные формулировки второго начала термодинамики.
3. Сформулируйте закон Дюлонга и Пти.
4. В чем заключается метод электрического нагрева для определения теплоёмкости твердых тел?
5. Выведите рабочую формулу (9.7).
6. Почему во время эксперимента нагревание пустого калориметра и калориметра с образцом необходимо производить при одной и той же мощности нагревателя?
7. Чем ограничена максимально допустимая температура нагревания калориметра?
8. Укажите основные источники ошибок данного метода измерений.