Установка для проведення лабораторної роботи з вивчення циклу карно

Реферат: Заявлена установка для проведення лабораторної роботи з вивчення циклу Карно містить порожнистий, заповнений газом, теплоізольований циліндр з нетеплопровідним рухомим поршнем та дном, пристрій навантаження, який механічно зв'язаний зі штоком поршня, пристрій управління тепловими потоками, пристрій з нагрівачем і охолоджувачем зі стабілізацією температури, прилади для вимірювання тиску і температури газу у циліндрі та прилад для визначення об'єму газу. Установка виконана у вигляді електричного блока, до складу якого входять: джерело живлення з′єднане з групою дільників напруги на постійних та перемінних резисторах, три електричні прилади для вимірювання відповідних вищевказаних напруг, які під′єднані через відповідні контакти груп багатопозиційного багатонапрямкового перемикача ”Навантаження”, переключенням якого відтворюється динаміка процесів; перемикачі “Екран”, “Теплота” та “Температура стабілізації”. Вказані групи дільників електрично зв'язані з відповідними вхідними контактами груп перемикача “Навантаження” та контактами групи перемикача “Температура стабілізації”. Контакти перемикачів “Екран” та “Теплота” створюють електричні кола, через які напруги з дільників подаються на електричні вимірювальні прилади. UA 105307 C2 (12) UA 105307 C2 UA 105307 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до навчальних приладів і може застосовуватись для проведення лабораторної роботи з відповідної теми у курсах “Фізики”, “Теплотехніки” та інші. Прототипом винаходу є установка (ідеальна теплова машина), в якій відсутні тертя та теплові втрати [Грабовский Р.И. Курс физики. 6-е изд. -СПб.: Изд-во “Лань”, 2002. – 608 с. (Учебники для вузов. Специальная литература)]. Вона містить циліндр з рухомим поршнем, під яким знаходиться ідеальний газ, нагрівач та охолоджувач, що мають великі теплоємності. Стінки циліндра і поршня нетеплопровідні. Дно циліндра має велику теплопровідність. Воно може закриватись нетеплопровідною кришкою (тепловим екраном), що робить весь циліндр теплоізольованим. На установці вимірюються об'єм, тиск і температура газу. За даними вимірювань будується діаграма циклу Карно у p-v-координатах. Недоліком установки як ідеальної теплової машини є: неможливість її практичного використання при одержанні циклу Карно послідовно встановлювати без теплових втрат циліндр на нагрівач з постійною температурою Т1 для створення ізотермічного процесу, потім на теплоізолюючу кришку для створення адіабатного процесу, потім - на охолоджувач з постійною температурою Т2 для створення ізотермічного процесу і знову - на теплоізолюючу кришку. При цьому поршень треба навантажувати змінним вантажем. Ці недоліки призвели до того, що вивчення циклу Карно не входе до лабораторних практикумів навчальних закладів різного рівня, хоч його теоретичному розгляду приділяється значна увага у низці курсів. Задачею винаходу було створення установки, на якій можна проводити лабораторну роботу з вивчення циклу Карно. Поставлена задача вирішується тим, що установку виконано як електричний блок, який формує на основі розрахунків для ідеальної теплової машини величини параметрів і характеристики процесів, що складають цикл Карно, у вигляді набору прямо пропорційних їм дискретних напруг. Напруги вимірюються електричними приладами, масштаб яких встановлюється у залежності від параметра, що визначається. Ці напруги створюються групами дільників напруги (ГДН) на постійних та перемінних резисторах, на які подається напруга з джерела живлення. Управління проходженням процесів проводиться за допомогою низки перемикачів: - багатопозиційного багатонапрямкового перемикача “Навантаження”, яким змінюється навантаження на поршень і встановлюється об'єм газу у циліндрі; перемикача “Екран”, яким у положенні “Встановлено” задається адіабатний процес, у положенні “Знято” - ізотермічний; - перемикача “Теплота”, яким визначається напрямок потоку теплоти при ізотермічному процесі; - перемикача “Температура стабілізації”, яким задається температура ізотермічного процесу. Вказані перемикачі встановлені на правій частині лицевої панелі блока, на її лівій частині розташовано рисунок установки, яка може створювати складові процеси циклу і в яку входять: - теплоізольований циліндр з нетеплопровідним рухомим поршнем та з дном, що має велику теплопровідність; - змінюваний вантаж, що діє на поршень; - тепловий екран, що закриває дно циліндра при адіабатному процесі; - високотеплопровідний елемент, який притискується до дна циліндра при ізотермічному процесі і через який до газу у циліндрі підводиться чи відводиться теплота; - корпус установки, на який зверху встановлено циліндр. Вважається, що у цьому корпусі розташовані пристрій для встановлення і зняття теплового екрана, пристрій для введення у тепловий контакт теплопровідного елемента та термостабілізатор, який є джерелом теплоти, яка підводиться (та відводиться) до дна циліндра через теплопровідний елемент при постійних температурах. Схема електричного блока наведена на кресленні. Діаграма циклу Карно у p-v-координатах має дві гілки: верхню і нижню, кожна з яких складається з ізотерми та адіабати. Величини об'єму формуються дільниками групи (ГДНV). Напруги з них через контакти групи П1/1 перемикача “Навантаження” (П1) подаються на електричний вимірювальний прилад V. Величини тиску для ізотермічного і адіабатного процесів кожної гілки діаграми формуються окремими групами дільників. Кількість дільників в групі встановлюється відповідно до кількості змін дискретних навантажень (точок вимірювань), якою можна передати особливості діаграм. При створенні електричних зв'язків визначено, що першому (нижньому) положенню перемикача "Навантаження" відповідають максимальний (початковий) об'єм газу у циліндрі (Vm) 1 UA 105307 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 та нульове навантаження на поршень. При переключенні перемикача за ходом годинникової стрілки величина навантаження збільшується, об'єм газу зменшується. (Номерам положень перемикача відповідають номери контактів у групах). У блоці реалізовано один варіант циклу Карно, в якому перехід від ізотермічного до адіабатного процесу для нижньої гілки діаграми проводиться при об'ємі V=0.5*Vm (6-му положенні перемикача “Навантаження”), від адіабатного до ізотермічного - V=0.2*Vm, від ізотермічного до адіабатного для верхньої гілки діаграми - при V=0.4*Vm (7-му положенні перемикача). Тиск у ізотермічному та адіабатному процесах нижньої гілки діаграми формується дільниками ГДНрин та ГДНран, верхньої гілки - дільниками ГДНрів та ГДНрав відповідно. Дільники груп ГДНрин та ГДНран електрично зв'язані з вхідними контактами 1-6 та 7-11 групи контактів П1/2 ГДНрин та ГДНран, їх вихідні контакти об'єднані і мають окремі виходи. Дільники груп ГДНрів та ГДНрав електрично зв'язані з вхідними контактами 7-11 та 1-6 групи контактів П1/3 відповідно, їх вихідні контакти об'єднані і мають окремі виходи. Для кращого висвітлення фізичних явищ при ізотермічних процесах в установку введено показ напрямку потоку теплоти - введено тумблер “Теплота”, який встановлюється у положення “Відведення” при стисненні газу і у положення “Підведення” при його розширенні. Для створення ізобарного процесу нижньої гілки діаграми перемикач “Екран” встановлюється у положення “Знято”, тумблер “Теплота” - у положення “Відведення”. Їх замкнені контакти створюють електричне коло, через яке напруга з загального виходу контактів 1-6 групи П1/2 подається на електричний вимірювальний прилад (р), що визначає тиск. Для створення адіабатного процесу нижньої гілки діаграми перемикач “Екран” переключається у положення “Встановлено”. Його контакти, що замикаються, та замкнені контакти тумблера “Теплота” створюють електричне коло, через яке напруга з загального виходу контактів 7-11 групи П1/2 подається на електричний вимірювальний прилад (р). При створенні нижньої гілки діаграми перемикач “Температура стабілізації” встановлюється у нижнє положення, що відповідає температурі, при якій теплота відводиться. При створенні верхньої гілки діаграми перемикачем “Температура стабілізації” встановлюється температура, при якій виконуються умови забезпечення замкненості циклу. Для створення ізотермічного процесу верхньої гілки діаграми перемикач “Температура стабілізації” встановлюється у нижнє положення, якому відповідає необхідна температура, перемикач “Екран” встановлюється у положення “Знято”, перемикач “Теплота” - у положення “Підведення”. їх замкнені контакти створюють електричне коло, через яке напруга з загального виходу контактів 7-11 групи П1/3 подається на електричний вимірювальний прилад (р). Для створення адіабатного процесу верхньої гілки діаграми перемикач “Екран” переключається у положення “Встановлено”. Його контакти, що замикаються, та замкнені контакти тумблера “Теплота” створюють електричне коло, через яке напруга з загального виходу контактів 1-6 групи П1/3 подається на електричний вимірювальний прилад (р). Контакти 6 і 7 групи П1/5 призначені для подачі напруги на вимірювальний прилад (р) з відповідних дільників груп ГДНрин і ГДНрів при переході з ізотермічного на адіабатний процес. Величини температур для адіабатного та ізотермічного процесу формуються групою дільників ГДНtа та ГДНti відповідно. Напруги з них подаються через відповідні контакти групи П1/4, групи П3/1 перемикача “Температура стабілізації” та контакти групи П2/3 перемикача “Екран” на електричний вимірювальний прилад (t) для визначення температури. Для забезпечення усвідомленого переходу від адіабатного до ізотермічного процесу введено вибір і встановлення перемикачем необхідної температури. В електричному блоці використано комплектувальні елементи та електровимірювальні прилади широкого застосування. Зразок установки виготовлений і пройшов випробування у навчальному процесі у Харківському торговельно-економічному інституті Київського національного торговельноекономічного університету. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Установка для проведення лабораторної роботи з вивчення циклу Карно, до складу якої входить: порожнистий, заповнений газом, теплоізольований циліндр з нетеплопровідним рухомим поршнем та дном, що виконане з матеріалу з великою теплопровідністю; пристрій навантаження, який механічно зв'язаний зі штоком поршня і яким проводиться управління навантаженням поршня; пристрій управління тепловими потоками, який розташований під дном циліндра і забезпечує при адіабатному процесі закриття дна теплоізоляційною кришкою, а при 2 UA 105307 C2 5 10 15 20 ізотермічних процесах - тепловий контакт з нагрівачем і охолоджувачем; пристрій з нагрівачем і охолоджувачем зі стабілізацією температури, з якого теплота через теплопередавальний елемент, що розташований у пристрої управління тепловими потоками, підводиться та відводиться до дна циліндра; приладів для вимірювання тиску і температури газу у циліндрі та приладу для визначення об'єму газу, який механічно зв′язаний зі штоком поршня, яка відрізняється тим, що виконана у вигляді електричного блока, до складу якого входять: джерело живлення, з′єднане з групою дільників напруги на постійних та перемінних резисторах (ГДНV, ГДНрін, ГДНран, ГДНрів, ГДНрав, ГДНtа, ГДНti), які формують групи дискретних напруг, що прямо пропорційні величинам, об′єму, тиску і температури повітря у ізотермічному і адіабатному процесах нижньої і верхньої гілок діаграми циклу Карно відповідно, три електричні прилади для вимірювання відповідних вищевказаних напруг розташовані на лицевій панелі блока, які під’єднані через відповідні контакти груп багатопозиційного багатонапрямкового перемикача “Навантаження”, переключенням якого відтворюється динаміка процесів; перемикачі “Екран”, “Теплота” та “Температура стабілізації” для встановлення відповідно ізотермічного та адіабатного процесів, напрямку потоку теплоти при ізотермічних процесах та температури теплоносіїв, що включені у відповідні вихідні кола дільників; вказані групи дільників електрично зв'язані з відповідними вхідними контактами груп П1/1, П1/2, П1/3, П1/4, П1/5 перемикача “Навантаження” та контактами групи ПЗ/1 перемикача “Температура стабілізації”, при цьому контакти перемикачів “Екран” та “Теплота” створюють електричні кола, через які напруги з дільників подаються на електричні вимірювальні прилади. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3