Прибор для демонстрации эквивалентности механической и тепловой энергий

 

Использование: в качестве учебного прибора по физике для демонстрации преобразования тепла в работу. Сущность: полупроницаемая перегородка 1 разделяет сосуд 2 на верхнюю 3 и нижнюю 4 камеры. Средство для изменения температуры выполнено в виде ванны 11 для теплоносителя, в которой расположена верхняя камера 3. Грузы 10 установлены на поршне 8 силового цилиндра 7. Нижняя камера 4, кроме жидкости, содержит неконденсирующийся буферный газ и своим дном посредством трубопроводов с кранами соединена с верхней камерой и силовым цилиндром. Перегородка 1 выполнена непроницаемая для буферного газа. В камерах установлены термометры, манометры и водомерные стекла 2 ил.

Изобретение относится к учебным приборам, демонстрирующим преобразование тепла в работу. Оно может применяться в школах в институтах, а также в лабораториях для изучения процесса преобразования.

Известны приборы для определения механического эквивалента тепла (1).

Наиболее близким аналогом изобретения является прибор для демонстрации эквивалентности механической и тепловой энергий, содержащий сосуд с рабочей жидкостью, средство для изменения температуры в сосуде и связанную с сосудом механическую систему с грузами (2).

Известные приборы приспособлены для преобразования работы в тепло. Потенциальная энергия, запасенная в поднятых грузах, превращается в тепло за счет трения жидкости о стенки емкости.

Техническим результатом изобретения является обеспечение наглядности превращения тепла в работу с возможностью соответствующих замеров.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном приборе сосуд содержит полупроницаемую перегородку, разделяющую его на верхнюю и нижнюю камеры, нижняя из которых, кроме жидкости, содержит неконденсирующийся буферный газ, средство для изменения температуры выполнено в виде ванны для теплоносителя, в которой расположена верхняя камера, механическая система выполнена в виде силового цилиндра с поршнем, грузы установлены на поршне, а нижняя камера своим дном посредством трубопроводов с кранами соединена с верхней камерой и силовым цилиндром, при этом перегородка выполнена непроницаемой для буферного газа, а в камерах установлены термометры, монометры и водомерные стекла.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема прибора для преобразования тепла в работу; на фиг. 2 график преобразования энергии горячего теплоносителя в потенциальную энергию поднятого груза с учетом явления флуктуаций и особенностей закона Джоуля.

Краны, воронки и патрубки для заливки и смены рабочей жидкости и буферного газа при исследовании процесса, а также разъемы и герметизирующие прокладки для смены полупроницаемых перегородок при исследовании на фиг. 1 условно не показаны.

Полупроницаемая перегородка 1 разделяет сосуд 2 на верхнюю 3 и нижнюю 4 камеры. Дно камеры 4 соединено трубопроводом 5, снабженным краном 6, с силовым цилиндром 7, в котором установлен поршень 8 со штоком 9, снабженным площадкой, на которую устанавливаются сменные грузы 10. Донная часть сосуда 2 соединяется также трубкой 15, снабженной краном 16, с верхней частью сосуда.

Сосуд 2 снабжен водомерными стеклами 17 и 18 для определения уровней жидкости в верхней камере 3 и нижней камере 4. Сосуд 2 снабжен также термометрами 19-22 для замера температуры жидкости и газа в камере 3 и замера температуры жидкости и газа в камере 4. Поз. 23 и 24 обозначены манометры.

В верхней части сосуда 2 над полупроницаемой перегородкой 1 герметично относительно нижней кромки установлена ванна 11, снабженная крышкой 12. Крышка 12 покрыта теплоизоляцией 13, ванна 11 покрыта теплоизоляцией 14.

Перед пуском в работу устройство заполняют рабочей жидкостью и буферным газом, например рабочей жидкостью (берем четыреххлористый титан TiCl₄), полупроницаемую перегородку выполняют из пористого титана с размером пор в пределах 100-150 (для разных перегородок при исследовании процесса берут разные пределы пористости).

Буферный газ азот N₂.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В ванну 11 заливают горячий теплоноситель с известной теплоемкостью, например кипящую воду. Крышку 12 закрывают. Жидкий четыреххлористый титан, нагревающийся вследствие теплопроводности стенок сосуда 2, проникает под действием капиллярных сил сквозь перегородку 1 и испаряется с нижней поверхности перегородки.

Температура нижней части сосуда 2 будет примерно соответствовать температуре помещения, в котором установлен прибор, т.е. она будет ниже температуры верхней части. Ориентировочно можно определить t камеры 3 70^оС, t камеры 4 25^оС. Пар жидкости, естественно, будет конденсироваться в камере 4.

Буферный газ (азот) не может проникнуть сквозь смоченную поверхность полупроницаемой перегородки 1, количество жидкости в камере 4 увеличивается, давление буферного газа растет, и он вытесняет при открытом кране 6 жидкость со дна камеры 4 в цилиндр 7, поршень 8 поднимается, перемещая вверх сменные грузы.

Подробнее процесс работы осуществляют по программе каждого опыта, например, закрывают краны 6 и 16, наливают горячий теплоноситель в ванну 11 и закрывают крышку 12, записывают показания водомерных стекол 17 и 18 и термометров 19 22, а также монометров 23 и 24. Разумеется, что лучше, если все эти показатели будут выведены на ленту самопишущего прибора, но для анализа работоспособности достаточно ручной записи показателей приборов.

После длительной выдержки, когда прирост давления по манометру 24 прекратится, первый опыт считается законченным, этот опыт повторяется достаточное количество раз, чтобы получить достоверные статистические данные, это замечание относится ко всем опытам. Закончив первый опыт, открывают кран 16 и перепускают жидкость из камеры в камеру 3. Вторая серия опытов производится, например, так. Проводят первый опыт, затем при закрытом кране 16 открывают кран 6. Сжатый буферный газ в камере 4 вытесняет жидкость со дна сосуда 2 по трубке 5 в цилиндр 7, поднимая поршень 8 с грузом 10. Буферный газ в камере 4, расширяясь и совершая работу, охлаждается и создает тем самым разность температур, обеспечивающую приток энергии в виде тепла от окружающей среды, воздуха помещения, в котором установлен прибор, к системе. Работа поднятого груза АДЖ будет равна запасу энергии в теплоносителе, ВДЖ плюс энергия, которая перетекла от окружающей среды к системе, СДЖ.

АДЖ ВДЖ + СДЖ 1 Согласно классическому преобразованию энергии при идеальном КПД 1 равенство должно быть таким: АДЖ ВДЖ 2, где А работа поднятого груза, Дж; В энергия тепла, внесенная с горячей водой в ванну 11, Дж; С энергия, дополнительно перетекшая в виде тепла в систему за счет разности температур между окружающим прибор воздухом (t 25^оС) и охлаждающимся буферным газом, выполняющим работу подъема груза в цилиндре 7, ориентировочно -10 15^оС.

Сменный груз 10 служит также для возврата всей системы в исходное положение, т.е. для принудительного перемещения жидкости из цилиндра 7 в камеру 3 сосуда 2.

Устройство позволяет экспериментально подтвердить равенство 1, что дает возможность разрабатывать далее новый принцип конструирования тепловых машин.

Формула изобретения

ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЙ, содержащий сосуд с рабочей жидкостью, средство для изменения температуры в сосуде и связанную с сосудом механическую систему с грузами, отличающийся тем, что сосуд содержит полупроницаемую перегородку, разделяющую его на верхнюю и нижнюю камеры, нижняя из которых кроме жидкости содержит неконденсирующий буферный газ, средство для изменения температуры выполнено в виде ванны для теплоносителя, в которой расположена верхняя камера, механическая система выполнена в виде силового цилиндра с поршнем, грузы установлены на поршне, а нижняя камера своим дном посредством трубопроводов с кранами соединена с верхней камерой и силовым цилиндром, при этом перегородка выполнена непроницаемой для буферного газа, а в камерах установлены термометры, манометры и водомерные стекла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2