Визначення ККД теплового процесу – МАНЛаб


Визначення ККД теплового процесу

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Провести експеримент із моделлю теплового двигуна.
  2. Зафіксувати процес зміни температури за допомогою ЦВК.
  3. За даними, отриманими у процесі експерименту, розрахувати значення коефіцієнта корисної дії моделі.

Обладнання:

модель теплового двигуна (https://www.xump.com/science/Dr%20Johnsons-Heat-Engine.cfm),  мірні стакани, гаряча та холодна вода, датчики температури, ЦВК, ПК.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Для визначення коефіцієнта корисної дії теплового процесу використаємо модель теплового двигуна, що має в основі пружину, виготовлену з металу з пам’яттю форми. Такі двигуни називають мартенситовими двигунами. Для приведення їх у дію потрібно мати два рідких середовища з різницею температур у кілька десятків градусів. Такими середовищами виступають склянки з гарячою та охолодженою водою. Під час роботи двигуна нагрівником є склянка з гарячою водою, температура в якій знижується, а холодильником – склянка з охолодженою водою, температура якої зростає. Розрахувавши кількість теплоти, відданої нагрівачем робочому тілу Q1, та кількість теплоти, прийнятої холодильником Q2, отримаємо значення коефіцієнта корисної дії цієї моделі. Для його розрахунку використаємо вираз:

  (1).

Для розрахунку кількостей теплоти скористаємося виразами:

 (2)

 (3) ,

де m1 та m2 маса води у мірних стаканах, t1 і t2 – початкова та кінцева температура гарячої води, t3 та t4 – кінцева і початкова температура охолодженої води.

Оскільки температура нагрівника і холодильника змінюється плавно, і є необхідність у встановленні усередненої температури в обох стаканах після припинення роботи двигуна, використовується ЦВК з двома датчиками температури, що здійснюють виміри в динаміці.

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

  1. Установіть на столі мірні стакани, ПК, ЦВК з датчиками температури.
  2. Влийте у мірні стакани холодну воду зі шматочками льоду та окріп. Об’єм води має бути однаковим в обох стаканах. Запишіть до таблиці масу води в обох стаканах.
  3. Увімкніть ЦВК та помістіть датчики температури до стаканів.
  4. Запрограмуйте ЦВК вимірювати необмежену кількість даних та встановіть частоту замірів 2 заміри на секунду.
  5. Коли значення температури, що фіксують датчики, стабілізується, увімкніть запис даних.
  6. Помістіть у стакани модель теплового двигуна та невеликим поштовхом запустіть його.
  7. Запис даних має відбуватися впродовж роботи двигуна і 10-15 с після зупинки. У момент, коли двигун зупинився, перемішайте воду в стаканах датчиками температури. Зупиніть запис даних у момент, коли температура в обох стаканах стабілізувалася.
  8. У разі відсутності можливості проведення експерименту, перегляньте його перебіг та завантажте дані вимірювань з ресурсу.

Аналіз даних

  1. Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.
  2. У графічному вікні розташовані два графіки. На початку оптимізуйте масштаб, для чого оберіть у верхньому меню кнопку “Приладжування” .
  3. Оскільки вимірювання здійснювалося двома датчика температури, на екрані наявні два графіки. Перемикання між каналами даних здійснюється кнопками .
  4. Оберіть перший канал запису температури та у верхньому меню у вкладинці “Аналіз” оберіть “Показати екстрими”.

  1. У вікні, що з’явиться на екрані, зчитайте максимальне та мінімальне значення температури гарячої води t1 та t2 та занотуйте їх до таблиці.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіком температури

  1. Вимкніть перший канал запису температури та увімкніть другий і повторіть дії для другого графіка. Занотуйте до таблиці значення температур t3 і t4 .
  2. Користуючись виразами (2) і (3), обрахуйте кількість теплоти, віддану нагрівником Q1 і отриману холодильником Q2. Значення занотуйте до таблиці.
  3. Користуючись виразом (1), обрахуйте коефіцієнт корисної дії моделі двигуна. Занотуйте значення до таблиці.
  4. Проаналізуйте впливові фактори, що визначають значення ККД моделі, та сформулюйте висновок до роботи.

Таблиця результатів 

Маса гарячої води,

m1 (кг)

Маса охолодженої води,

m2 (кг)

Початкова температура гарячої води,

t1 (°C)

Кінцева температура гарячої води,

t2 (°C)

Кінцева температура охолодженої води,

t3 (°C)

Початкова температура охолодженої води,

t4 (°C)

Кількість теплоти, відданої нагрівником, Q1 (Дж) Кількість теплоти, отриманої холодильником, Q2 (Дж) ή