4 Stanovenie špecifických horúčav
4. URČENIE ŠPECIFICKÝCH TEPIÍ ZO SVETA
Množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty tela o jeden stupeň sa nazýva kalorická kapacita. Kalorická kapacita tela je rozsiahlym parametrom, v závislosti od jeho hmotnosti a povahy. Kalorická kapacita jednotky množstva látky sa nazýva špecifické teplo alebo špecifická kalorická kapacita. Jeho hodnota nezávisí od množstva látky, je to intenzívna vlastnosť telies.
Merné teplo c alebo špecifická kalorická kapacita homogénnej látky predstavuje tepelnú energiu potrebnú na to, aby jednotka množstva tejto látky zvýšila svoju teplotu o jeden stupeň bez toho, aby proces spôsoboval zmenu fázy alebo skupenstva. Množstvo tepla vymeneného telesom s hmotnosťou m v teplotnom rozmedzí (T 1 - T 2) je dané vzťahom:
Q 12 = m × × (T 2 × T 1) [J], (4,1)
teda vyjadrenie špecifického tepla:
Podľa vzťahu (4.2) je špecifické teplo množstvo, ktoré závisí od jednotky množstva látky, od teplotného rozsahu a od povahy tepelného procesu.
Z hľadiska jednotky množstva posudzovanej látky môžu byť konkrétne horúčavy použité v technike:
a) merné hmotnostné horúčavy, c, v J/(kg × K);
b) špecifické teplo relatívne k bežnému metru kubickému, c N, v J/(m 3 N × K);
c) špecifické molárne horúčavy, C M, v J/(kmol × K).
Merné teplo v pomere k jednotke objemu c, [J/(m 3 × K)], sa v praktických aplikáciách používa veľmi zriedka.
Vzťahy medzi týmito konkrétnymi typmi tepla sú:
C M = M × c = V M × c N [J/(kmol × K)], (4,3)
kde: M je molekulová hmotnosť látky [kg/kmol],
V M = 22 414 - molárny objem [m 3 N/kmol],
cN = rNxc [J/(m 3 N.K)], (4,4)
kde: r N je špecifická hmotnosť látky za normálnych podmienok v kg/m 3 N .
Z hľadiska teplotného rozsahu môžu byť konkrétne horúčavy:
a) špecifické skutočné alebo okamžité horúčavy, c, cN, C M;
b) priemerné špecifické horúčavy,
Z hľadiska povahy transformácie dosiahnutej látkou sú pre prax zaujímavé nasledujúce konkrétne horúčavy:
a) špecifické teploty pri konštantnom tlaku, c Np, C Mp,
b) špecifické teplo pri konštantnom objeme, cv, c Nv, C mv,
Závislosť medzi konkrétnymi horúčavami je daná Robertovými vzťahmi
R je konkrétna konštanta dokonalého plynu v J/(kg × K);
- skutočný koeficient objemovej expanzie v stupňoch -1;
- koeficient tepelnej stlačiteľnosti, v Pa -1 .
V tuhých a kvapalných telesách má praktický význam iba špecifické teplo pri konštantnom tlaku. V plynných telesách sa c p stanoví experimentálne a merné teplo pri konštantnom objeme c V sa získa výpočtom pomocou vzťahov (4.5) a (4.6).
4.2. Opis inštalácie a postupu prác
Obrázok 4.1 schematicky predstavuje zariadenie, pomocou ktorého sa v prípade tejto práce stanoví špecifické teplo plynných látok plynného metánu.
Obr. 4.1. Inštalácia na stanovenie špecifického tepla a
Inštalácia pozostáva z výmenníka tepla 1, kalorimetra 2 a merača metánu 3.
V cievke výmenníka tepla 1 prijíma plynný metán teplo z jeho kalorimetrickej tekutiny, ktorá sa ohrieva pomocou horáka 4.
Teplota t i a objem V metánového plynu na vstupe do výmenníka tepla 1 sa určujú pomocou kvapalinového teplomera 5 a merača 3.
Na vstupe do kalorimetra 2 sa meria statický tlak p st kvapalinovým manometrom 6 a teplota ti teplomerom 7.
V kalorimetri 2 plynný metán dodáva teplo kalorimetrickej zostave. Meria sa jeho teplota t 2 na výstupe z kalorimetra
Počiatočná a konečná teplota vody v kalorimetri sa stanoví presným teplomerom 9, ktorý sa odčíta pomocou zväčšovacieho skla 10. Na rovnomerné ochladenie teploty vody v kalorimetri sa používa miešadlo 11 poháňané elektromotorom 12.
Merné teplo pri konštantnom tlaku plynného metánu sa určuje s ohľadom na kalorimeter 2 ako adiabatický kryt. Jeho kalorimetrická rovnica je:
Q 1 je množstvo tepla odovzdaného plynom do kalorimetrickej zostavy v J;
Q 2 - množstvo tepla prijatého prvkami kalorimetra v J.
Množstvá tepla 1 a 2 sú určené vzťahmi:
m je množstvo plynného metánu, ktoré prechádza kalorimetrom, v kg;
- špecifické teplo pri priemernom konštantnom tlaku, v J/(kg × K);
ti, t 2 - teplota metánu na vstupe a výstupe z kalorimetra, v C;
m i - hmotnosť zložky i kalorimetrickej zostavy v kg;
- špecifické teplo pri konštantnom priemernom tlaku komponentu a kalorimetrickej zostavy v J/(kg × K);
t o, t - počiatočná a konečná teplota vody v kalorimetri v o C.
vo vzťahu (4.9) sa označuje C a nazýva sa výhrevnosť kalorimetra:
Z vyššie uvedených vzťahov vyplýva:
Množstvo metánového plynu prechádzajúceho zariadením je určené vzťahom:
kde: r N je špecifická hmotnosť plynného metánu v normálnom stave v kg/m 3 N;
V - objem plynu v stave merania stanovený pomocou metra 3 vm 3;
V N - objem plynného metánu znížený na normálny stav, v m 3 N;
T N = 273,16 K - teplota v normálnom stave, v K;
Ti = t i + 273,16 - teplota metánu v stave merania v K;
p st - statický tlak plynného metánu v stave merania v Pa;
pb - barometrický tlak, v Pa;
p N = 101325 Pa - tlak v normálnom stave, v Pa.
Namerané a vypočítané množstvá sú sústredené v tabuľke 4.1.