Научная статья на тему 'Температурные зависимости термодинамических характеристик некоторых жидкостей'

Температурные зависимости термодинамических характеристик некоторых жидкостей Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
134
35
Поделиться

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Дырдин Валерий Васильевич, Елкин Иван Сергеевич, Корецкая Алла Сергеевна, Сизов Николай Юрьевич

Изучены особенности термодинамических характеристик жидкостей в области 0°С путём измерения скорости упругих волн по дифракционной картине света на стоячих волнах ультразвукового диапазона. Проведены измерения и расчёт теплоёмкости жидкостей при постоянном объёме в диапазоне температур от 0 до 20°С.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Дырдин Валерий Васильевич, Елкин Иван Сергеевич, Корецкая Алла Сергеевна, Сизов Николай Юрьевич,

Текст научной работы на тему «Температурные зависимости термодинамических характеристик некоторых жидкостей»

ТЕРМОДИНАМИКА

УДК 532.1: 536.7

В.В. Дырдин, И.С. Елкин, А.С. Корецкая, Н.Ю. Сизов

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕКОТОРЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Циклы тепловых двигателей: Отто, Дизеля, газотурбинных и паросиловых установок (цикл Ренкина) содержат адиабату, показатель которой у

зависит от соотношения Ср и Су ив определенной мере влияет на КПД данных двигателей и установок.

Например, КПД цикла Отто [1] определяется по формуле:

л=і —,

8у-1 где 8 - степень сжатия.

КПД цикла Дизеля [1] - по формуле

Т] = 1 -■

Р

уу 1( Р-1)

где р - степень предварительного расширения.

Следовательно, для достоверной оценки КПД тепловых двигателей необходимо знать молярные или удельные теплоемкости сред при постоянном объеме и давлении, а также зависимость данных характеристик от температуры.

Большинство физических справочников [2, 5] содержат термодинамические характеристики идеальных газов, а что касается жидкостей, то, как правило, приводятся данные о Ср, данные о Су отсутствуют.

Кроме того, соотношение известно только для идеальных газов, а для некоторых реальных газов можно вычислить, но оценить это соотношение для жидкостей, особенно для воды, являющимся рабочим телом в

цикле Ренкина, не представляется возможным. С позиции физических представлений оно имеет большой интерес в области 0ОС. В данной статье приведены результаты исследований температурных зависимо -стей термодинамических характеристик Ср и Су для воды, керосина и скипидара в области

0 ОС на основе связи теплоемкости жидкости со скоростью упругих волн, которая определялась по дифракции света на стоячих ультразвуковых волнах.

Из первого начала термодинамики для элементарного процесса и уравнения дифференциальной связи между термическим и калорическим уравнениями вытекает соотношение:

СР - ^ Г(I)у (§)р

. (1)

С использованием термических коэффициентов уравнение (1) имеет следующий вид:

СР - CV = VqT

а

.2

ß

(2)

где

а = ■

1 (dV'

- коэффици-

Уо [дТ)Р

ент изобарного расширения;

1 (дУ Л

Р=-У~01аР)т - коэффи‘

циент изотермического сжатия. Коэффициент /3 >0, т.к.

(дУ Л 2

I----I <0 , а > 0, поэтому

\дР )т

в общем случае СР-СУ» (рРа-

венство может быть только при

а = 0).

Для идеального газа

( дР Л ( дУ Л

I I и I -------- I легко оп-

[дт)у [дт) р

ределяются из термического уравнения состояния, откуда и следует соотношение Майера. Для жидкостей такое уравнение отсутствует, поэтому использован другой подход.

Известно, что скорость звука в упругой среде определяется соотношением:

V

2 ЛР

(3)

Л р

где ЛР и Лр - приращения давления и плотности среды, соответственно.

В работе [3] показано, что частным случаем соотношения (3) является

V

2

1

ß ад р

(4)

где 3ад - коэффициент адиабатической сжимаемости.

Коэффициент изотермической сжимаемости 3из связан

с коэффициентом 3ад соотношением:

2

ß из = ß ад +

Т а

, (5)

рС р

где Т - абсолютная температура жидкости; СО - коэффициент теплового объёмного расширения; Ср - удельная теплоёмкость при постоянном давлении; р - плотность жидкости.

Тогда удельную теплоёмкость жидкости при постоянном

18

В.В. Дырдин, И.С. Елкин, А.С. Корецкая, Н.Ю. Сизов

Рис.1. Блок-схема установки: 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - кювета с исследуемой жидкостью; 4 - излучающая пластинка из титаната бария; 5 - ультразвуковой генератор; 6 - экран

объёме Су можно определить из соотношения:

С у = 2 'Р----. (6)

° риз р Из (4 - 6) следует, что, определив скорость продольных упругих волн V, можно легко рассчитать параметр Су , используя при этом табличные

значения Ср и а, и измерив температуру среды.

Для экспериментального определения скорости упругих волн в жидкости разработана установка для наблюдения дифракции света на стоячих ультразвуковых волнах, образуемых в жидкостях. Схема установки

приведена на рис. 1.

На экране наблюдалась дифракционная картина, состоящая из + 7 порядков дифракционных максимумов. Измерив на экране расстояние между максимумами одного порядка x и расстояние от кюветы с исследуемой жидкостью до экрана L,

зная длину волны Я , излучаемую лазером, по формуле

d sin (р = + тЯ , (9)

где d - постоянная дифракционной решётки, равная в данном случае длине стоячей ультразвуковой волны Лстояч, т.е.

d=A

тояч;

X

ЯП Р - Щр = —,

определяем длину бегущей

ультразвуковой волны, распространяющаяся в кювете

Л=2Лстояч. Зная частоту ультразвукового генератора, находим скорость распространения ультразвуковых волн в жидкости по формуле:

V = Л V , (10)

где V - частота ультразвукового генератора.

Результаты усредняются по всем наблюдаемым дифракционным максимумам.

Кювета с исследуемой жидкостью предварительно охлаждалась до нужной температуры в холодильнике, а затем, во время эксперимента температура контролировалась с помощью полупроводникового термосопротивления типа ММТ-1 и моста постоянного тока МО-62.

Абсолютная погрешность измерений скорости ультразвуковых волн при различных температурах не превышала 8 м/с, что составило порядка 0,6 %. На рис. 2 представлены графики зависимости разности удельных теплоемкостей (Ср - Су ) от температуры для воды, керосина и скипидара. Результаты показывают, что для воды при t = 4 ОС (Ср - Су ) =0, а для других жидкостей разность (Ср

- Су ) с ростом температуры уменьшается.

Для воды равенство Ср =Су при t=4ОС (точнее при t=3,98 ОС) объясняется тем, что в диапазоне температур 0 - 4 ОС подводимое тепло идет не только на увеличение внутренней энергии, но и на изменение внутренней структуры воды, обусловленной водородной связью. По существу, вода претерпевает фазовый переход второго рода. Согласно современным исследованиям, благодаря наличию водородной связи, вода может иметь множество форм структурного расположения молекул в комплексах. В результате чего

&

¡2

>

О

Рис.

температура, С

2. Разность теплоемкостей в зависимости от температуры

а < 0 в интервале 0 - 4 ОС, а плотность воды увеличивается и достигает максимума при ? = 4 ОС, а коэффициент а при этом становится равным нулю. При дальнейшем росте температуры а>0 , плотность уменьшается, а разность (Ср - Су) увеличивается и достигает в пределе зна-

чения, характерного для идеального или реального газа при полном параобразовании в зависимости от параметров термического состояния.

Таким образом, проведенные исследования позволили с достаточно высокой точность определить температурную зависимость разности удельных

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

теплоемкостей воды, керосина и скипидара. Полученные результаты могут быть использованы в научных исследованиях паросиловых установок, а также при чтении соответствующих разделов курсов «Общей физики» и «Термодинамики» в университетах.

1. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Техническая термодинамика. - М.: Высш. шк., 2000. - 261 с.

2. Дубровский И.М., Рябошапка К.П., Егоров Б.В. Справочник по физике. - Киев: Наукова думка,

1986 - 558 с.

3. СивухинД.В. Общий курс физики. Механика. - М.: Наука, 1979. - 520 с.

4. Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высш. шк., 1983. - 344 с.

5. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М.: Наука, 1985 - 512 с.

□ Авторы статьи:

Дырдин Елкин Корецкая Сизов

Валерий Васильевич Иван Сергеевич Алла Сергеевна Николай Юрьевич

- докт.техн.наук, проф., -канд. техн. наук. доц. каф. - студентка КузГТУ -студент КузГТУ

зав. каф. физики физики