на основании какого закона выводится уравнение теплового баланса для электроаппаратов
Контрольно- измерительный материал
по дисциплине «Электрические машины и аппараты»
По специальности: 13.02.11 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»
Для проведения среза по дисциплине «Электрические машины и аппараты», проверка усвоения курса студентами, проводится в форме зачета.
В части 1 (А) представлены задания с выбором ответа – тестовые задания 2 вариантов по 8 вопросов. Цель студента выбрать правильный ответ.
В части 2 (С) включено 4 задания с кратким пояснением. Студент должен правильно дополнить.
В части 3 (В) включено 1 задача. Цель студента решить задачу.
За каждый правильный ответ задания;
А – 1 балл (максимум 8 баллов)
В – 2 балла (максимум 8 баллов)
С – 4баллов (максимум 4 балла)
При проведении контроля в тестовой форме следует руководствоваться следующими критериями:
оценка 5 «отлично» выставляется за правильные ответы на 90-100 процентов заданий,
оценка 4 «хорошо» за правильные ответы на 80-89 процентов заданий, оценка 3 «удовлетворительно» за правильные ответы на 70-79 процентов заданий,
оценка 2 «неудовлетворительно» за правильные ответы на 69 процентов заданий и менее.
Нормы оценки знаний, умений и навыков при изучении дисциплины: «Электрические машины и аппараты »
ОЦЕНКА «5» ставится, если студент на все поставленные вопросы ответил грамотно, логично, последовательно. При этом:
-прослеживается верное понимание сущности даваемого ответа,
-дается точное определение понятий,
-раскрывается полное знание законов,
-правильно выполняются все примеры и задания,
-строится ответ по собственному алгоритму, при этом устанавливается связь с практикой, прослеживается профессиональная направленность.
ОЦЕНКА «4» ставится, если ответ удовлетворяет требованиям оценки «5», но студент не использует при ответе собственного плана ответа, не использует ранее полученные знания, для решения подобных ситуаций. Допускается 1-2 недочета, но по указанию преподавателя, студент самостоятельно исправляет их.
ОЦЕНКА «3» ставится, если большая часть ответа удовлетворяет требованиям оценки «4», но есть отдельные пробелы в теоретических знаниях, неполно, непоследовательно излагается материал, прослеживается только общее понимание предмета, а также сложность с использованием готовых формул. Допускается выставление оценки «3» за правильное выполнение более 50% задания билета.
ОЦЕНКА «2» ставится студенту, если не овладел основными заданиями, не раскрыл основного содержания материала, допустил ошибки в решении задач, формулировке определений, законов и не исправляет их.
ФИО учащегося, группа
Задания для среза для МДК.01.01 электрические машины и аппараты
Вариант 1(А) Укажите правильный ответ
1. Схема какого трансформатора показана рисунке?
3-Для ответа недостаточно данных.
2. Чем принципиально отличается автотрансформатор от трансформатора
Малым коэффициентом трансформации Возможностью изменения коэффициента трансформации Электрическим соединением первичной и вторичной цепей
3. Сколько стержней должен иметь магнитопровод трехфазного трансформатора?
4. На основе какого закона выводится уравнение теплового баланса для электроаппаратов?
1. Закон Джоуля-Ленца.
6. Почему воздушные зазоры в трансформаторе делают минимальными?
1) Для увеличения механической прочности сердечника.
2) Для уменьшения намагничивающей составляющей тока холостого хода.
3) Для уменьшения магнитного шума трансформатора.
4) Для увеличения массы сердечника.
7. Наименьшая сила тока, смертельно опасная для человека равна:
8. Второй закон Кирхгофа.
а)
б)
1. Статический электромагнитный аппарат, преобразующий ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, называется _____________________
2. Вставьте слова в предложение. В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения …………и, следовательно, определяется ………… тока сети и числом пар полюсов
3. Как называется синхронный двигатель, работающий без нагрузки и предназначенный для повышения cos φ предприятия?
4. Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в проводниках, соединенных в узел, равна ____________.
1.Определить ЭДС якоря генератора постоянного тока параллельного возбуждения, если он присоединен к сети с напряжением U=230В, сопротивление в цепи якоря R=0,3 Ом ток в цепи якоря равен Iа=45А.
Еа=243,5В Еа=216,5В Еа=3105В
ФИО учащегося, группа
Задания для среза для МДК.01.01 электрические машины и аппараты
Вариант 2(А) I. Укажите правильный ответ
1. Какое название у трансформатора, представленного на рисунке?
1- трехфазный индукционный регулятор
2.Не изменяющейся во времени ток (I) называют:
3.Устройство которое включается в электрическую цепь для ограничения или регулирования тока.
4. Что преобразует трансформатор?
2) Величину напряжения.
4) Величины тока и напряжения.
3) Параллельно и последовательно.
6.Выберите определение линейных элементов
а)это элементы, которые включены в электрическую сеть не в линию.
б) это элементы, сопротивление которых не зависит от силы тока и напряжения.
в) это элементы, которые включены в электрическую цепь параллельно.
7. Выберите из предложенных правильную формулировку закона Ома для полной цепи
а)сила тока в электрической цепи равна отношению напряжения к сопротивлению.
б)сила тока в электрической цепи равна отношению ЭДС источника к ее полному сопротивлению.
в)сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
8. Первый закон Кирхгофа.
а)
б)
1. Дополните текст. Ряд проводников, уложенных в пазах ……… якоря и присоединенных к коллекторным пластинам, образует замкнутую систему и называется …………… якоря МПТ
2. Дополните текст. Так же как и в генераторах, в синхронных двигателях изменение реактивной мощности, т. е. изменение cos φ, достигается регулированием ……………..
3.Дополните текст. ……….. это простейшее устройство, разрывающее электрическую цепь, если в ней произойдет короткое замыкание и ток достигнет значения, достаточного для расплавления плавкой вставки.
4. Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма напряжений на всех сопротивлениях замкнутого контура равна ……………… ЭДС всех источников того же контура:
1.Определите КПД двигателя постоянного тока параллельного возбуждения номинальной мощностью Рном=45кВт, который включен в сеть с Uном=440 В и ток, потребляемый двигателем в номинальном режиме, Iном=120 А.
Ответы тестам задании(А) вариант № 1
Общие сведения
Баланс в переводе на русский язык означает равновесие. Когда теплоизолированная система приходит в состояние теплового равновесия, то температура всех тел, образующих эту совокупность, становится одинаковой. Такую ситуацию называют законом теплового равновесия или нулевым уравнением термодинамики.
Впервые с уравнением теплового баланса знакомят в средней школе на уроке физики. Ученикам в седьмом классе предлагается решить несколько простых заданий, используя равенство. Формула и определение даётся без доказательства, так как для понимания процесса нужно знать понятия, которые разбираются в выпускных классах школы. Например, то, что теплоёмкость не является характеристикой вещества, при этом она может быть разной в зависимости от проходящих процессов.
Закон теплового баланса позволяет утверждать, что когда в изолированной системе физических тел происходит только теплообмен, то часть тепла, переданного телами, внутреннее состояние энергии которых уменьшается, численно равняется теплу, полученному объектами с возрастающей внутренней энергии. Математически уравнение записывается в виде следующей формулы: Q 1 + Q 2 + Q 3 + …+ Qn = 0, где:
Если предположить, что имеется совокупность, состоящая из двух тел, из которых одно отдаёт тепло, а другое принимает его, то справедливо будет записать: Q1 = Q2. Таким образом, теплоотдача всегда равняется теплоприёму. Поэтому этот закон и называют правилом сохранения энергии в тепловых процессах.
Когда тела два, то понять, какое из них отдаёт тепло, а какое получает, несложно. То, что имеет большее нагревание, — будет отдавать. Если же объектов три и более, и некоторые из них имеют промежуточную температуру, определить, какие из них принимают тепло, довольно сложно. Вот тут на помощь и приходит уравнение термодинамики.
Изменение внутренней энергии объясняется теплопередачей, то есть случаем, когда работа не совершается. Поэтому в физике уравнение теплового баланса используется при анализе процессов теплопередачи, нахождении КПД. Это равенство можно применять как при рассмотрении твёрдых тел, так и жидкости.
Суть уравнения
Следует рассмотреть процесс установления теплового равновесия в теплоизолированной системе. Это такая совокупность, в которой объекты взаимодействуют только друг с другом. Простейшая система будет состоять из двух тел. Например, в термос налит сок и в него вброшен лёд. В этом случае термос является изолятором от внешнего воздействия. Пусть первое тело имеет температуру t1, а второе t2. Допустим, что t1 больше t2. Это допущение не является принципиальным, поэтому его можно использовать.
В начальный момент времени тела находятся далеко друг от друга и теплообмен между ними не происходит. Как только, они соприкоснутся — начнётся взаимодействие. Так как температура первого тела больше, то оно начнёт остывать, а второе нагреваться. Происходит теплопередача. В какой-то момент времени она прекратится и наступит тепловое равновесие. То есть температура двух тел станет одинаковой: t1 = t2.
Если собрать два слагаемых таким образом, чтобы они находились с одной стороны знака равенства, то можно записать: Q1 + Q2 = 0.
Суммарное количество теплоты, образуемое при теплообмене тел в теплоизолированной системе, равно нулю. При этом это правило будет справедливо и для энного количества объектов.
Доказательство закона
Пусть имеется теплоизолированная система, состоящая из нескольких помещённых в неё объектов. Сами тела могут обмениваться теплом только друг с другом. Первый закон термодинамики для системы в целом можно записать как Q = А’ + Δ U. То есть количество теплоты, полученное всей системой, равняется суммарной работе, совершённой всеми телами в совокупности над внешним миром, складывающейся с изменением энергии всех тел внутри системы.
По условию задачи внутренняя энергия меняется не за счёт совершения работы. Поэтому А’ = 0. С другой же стороны, теплоизоляция обозначает, что Q = 0. Иными словами, количество энергии, поступающее из окружения Земли, равняется нулю. Следовательно, изменение внутренней энергии всех тел в системе будет нулевым: Δ U = 0.
Энергия системы состоит из внутренних энергий каждого из входящих в неё тел: U = U1 + U2 +…+ Un. Изменение же её Δ U = Δ U 1 + Δ U 2 + … + Δ Un. Отсюда следует, что если внутренняя энергия остаётся неизменной, то сумма Δ U будет нулевой: Δ U 1 + Δ U 2 + … + Δ Un = 0.
Первый закон термодинамики персонально для каждого из тел входящих в систему можно записать как следующую систему:
Все уравнения, входящие в неё, можно сложить почленно. При этом распределив слагаемые для удобства дальнейшего анализирования: Q1 + Q2 +…+ Q n = (А n1′ + А n2′ + … + А n’) + (Δ U1 + Δ U2 + … + Δ Un). Из полученного выражения можно сделать вывод, что сумма дельт второго члена в правой части равняется нулю. В первом же члене с правой стороны каждое слагаемое также равняется нулю. Поэтому можно записать: Q1 + Q2 +…+ Q n = 0. Что и следовало доказать.
Для решения задач полезно вспомнить, на что может идти полученное тепло. К таким частным случаям относят:
Типовое задание
Явление теплового баланса используется как в изучении процессов при переходе из одного агрегатного состояния в другое, так и для твёрдых или жидких тел, не изменяющих решётку. Существуют типовые задания, входящие в школьную программу. Ученик, решая их, научится находить удельные параметры и сможет понять всю важность выражения теплового баланса.
Температуру, которая установилась через время, обозначают буквой θ. Решение подобных задач начинают с установления количества тел, участвующих в теплообмене. В этом примере их три: вода, котёл, испытываемое тело. Количество тепла, полученное всеми тремя объектами, согласно закону, будет равняться нулю: Qв + Qк +Qт = 0. Теперь следует каждое слагаемое расписать отдельно:
Примеры высокого уровня
Эти задачи рассчитаны на подготовленных учащихся, понимающих суть процессов и знающих уравнение баланса. Например, электрическая установка с мощностью P = 350 Вт не может нагреть воду массой 0,6 кг до кипения. Убедившись в этом, её выключают. Нужно определить, каким останется конечный нагрев воды через 15 секунд.
Вот ещё одна задача, для решения которой необходимо вначале исследовать ситуацию. В ёмкость поместили смесь, состоящую из пяти килограммов воды и трёх килограммов льда. Затем туда пустили 0,2 кг водяного пара при температуре 100 0 С. Нужно определить, что произойдёт.
По условию задачи даны три массы mв, mл, mп. Можно предположить, что при смешении в момент запуска пара температура в системе была нулевой. Это исходит из того, что в ёмкости одновременно находится лёд и вода. Поступающий пар конденсирует, и из него образуется вода. Через время она остывает до нуля. Поэтому в начальный момент выделившаяся энергия идёт только на таяние льда. Cуществует три варианта развития события:
Для того чтобы выяснить, какой вариант верный, нужно найти выделившуюся энергию: Qпл = λ * m = 330 * 3 = 990 кДж. Получается, чтобы растопить лёд, нужно 990 кДж теплоты. Пар, вступая в реакцию, отдаёт: Q- = L* m + cв * mв (Tпар – Tпл) = 2300 + 0,2 + 4,2 * 0,2 * 100 = 544 кДж. Учитывая два полученных результата, можно утверждать, что при конденсации основного пара выделившейся теплоты будет недостаточно для расплавления льда. Следовательно θ = 0 0 С.
Фазовые переходы и уравнение теплового баланса
теория по физике 🧲 термодинамика
Фазовые переходы — это термодинамические процессы, приводящие к изменению агрегатного состояния вещества.
Плавление и отвердевание
Для расчета количества теплоты, необходимого для процесса плавления, следует применять формулу:
m — масса вещества, λ (Дж/кг) — удельная теплота плавления.
Плавление каждого вещества происходит при определенной температуре, которую называют температурой плавления. Все проводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки, при этом увеличивается потенциальная энергия молекул. Кинетическая энергия остается без изменения и температура в процессе плавления не изменяется.
Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг данного вещества, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое при условии, что оно уже нагрето до температуры плавления. В процессе отвердевания 1 кг данной жидкости, охлажденной до температуры отвердевания, выделится такое же количество теплоты.
Внимание! Удельная теплота плавления — табличная величина.
Определение Отвердевание, или кристаллизация — переход состояния из жидкого состояния в твердое (это процесс, обратный плавлению).
Отвердевание происходит при той же температуре, что и плавление. В процессе отвердевания температура также не изменяется. Количество теплоты, выделяемое в процессе отвердевания:
Парообразование и конденсация
Количество теплоты, необходимое для процесса кипения, вычисляют по формуле:
m — масса вещества, r (Дж/кг) — удельная теплота парообразования.
Парообразование происходит при определенной температуре, которую называют температурой кипения. В отличие от испарения, процесс парообразования идет со всего объема жидкости. Несмотря на то, что к кипящему веществу подводят тепло, температура не изменяется. Все затраты энергии идут на увеличение промежутком между молекулами. Температура кипения зависит от рода вещества и внешнего атмосферного давления.
Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы перевести в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения. Такое же количество теплоты выделится в процессе конденсации 1 кг пара, охлажденного до температуры конденсации.
Внимание! Удельная теплота парообразования — табличная величина.
Определение Конденсация — процесс, обратный кипению. Это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
Конденсация происходит при температуре кипения, которая также не изменяется во время всего процесса. Количество теплоты, выделяемое в процессе конденсации:
Тепловые процессы при нагревании и охлаждении
Все фазовые переходы, а также процессы нагревания и остывания вещества можно отобразить графически. Посмотрите на график фазовых переходов вещества:
Он показывает зависимость температуры вещества от времени в процессе его нагревания и остывания. Опишем процессы, отображаемые на графике, в таблице.
Процесс | Что происходит | Количество выделенной теплоты | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1–2 | Нагревание твердого тела | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6–7 | Охлаждение пара |
Что происходит | График | Формула количества теплоты | |||||||||||||||||||||||||||||||
Полностью растопили лед, имеющий отрицательную температуру. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Лед, взятый при отрицательной температуре, превратили в воду при комнатной температуре. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Взяли лед при температуре 0 о С и полностью испарили. | |||||||||||||||||||||||||||||||||
Взяли воду при комнатной температуре и половину превратили в пар. |
Единицы измерения | Температуру можно оставлять в градусах Цельсия, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах. |
Кипяток | Вода, которая при нормальном атмосферном давлении имеет температуру в 100 о С. |
Объем воды 5 л | m = 5 кг, так как: m = ρ V =10 3 · 5 · 10 − 3 м 3 = 5 к г Внимание! Равенство V (л) = m (кг) справедливо только для воды. |
Пример №1. Какое количество теплоты нужно сообщить льду массой 2 кг, находящемуся при температуре –10 о С, чтобы превратить его в воду и нагреть ее до температуры +30 о С?
Можно выделить три тепловых процесса:
Поэтому количество теплоты будет равно сумме количеств теплоты для каждого из этих процессов:
Q = c л m ( 0 − t 1 ) + λ m + c в m ( t 2 − 0 )
Удельные теплоемкости и удельную теплоту плавления смотрим в таблицах:
Уравнение теплового баланса
Суммарное количество теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно количеству теплоты (суммарному), которое в этой системе поглощается.
Математически уравнение теплового баланса с учетом знаков количества теплоты записывается так:
Отданное количество теплоты меньше нуля (Qотд 0).
Подсказки к задачам на уравнение теплового баланса
Теплообмен происходит в калориметре | Потерями энергии можно пренебречь. |
Жидкость нагревают в некотором сосуде | Начальные и конечные температуры жидкости и сосуда совпадают. |
В жидкость опускают термометр | Через некоторое время он покажет конечную температуру жидкости и термометра. |
Мокрый снег | Содержит воду и лед при 0 о С. Учтите, что лед плавится, если он находится при температуре 0 о С и получает энергию от более нагретого тела. Вода кристаллизируется при температуре 0 о С, если она отдает энергию более холодному телу. Если лед и вода находятся при температуре 0 о С, то никаких агрегатных переходов между ними не происходит. |
Частные случаи теплообмена
В воду комнатной температуры бросили ком снега, содержащий некоторое количество воды, после чего установилась некоторая положительная температура. | c в m в 1 ( t − t в 1 ) + c в m в 2 ( t − 0 ) + λ m л + c в m л ( t − 0 ) = 0 | ||||||||
Для получения некоторой положительной температуры воды используют горячую воду и лед, имеющий отрицательную температуру. | c в m в ( t − t в ) + c л m л ( 0 − t л ) + λ m л + c в m л ( t − 0 ) = 0 | ||||||||
В воду комнатной температуры бросают раскаленное твердое тело, в результате часть воды испаряется. | c т m т ( 100 − t т ) + c в m в ( 100 − t в ) + r m п = 0 | ||||||||
Воду комнатной температуры нагревают до кипения, вводя пар при t = 100 о С. | − r m п + c в m в ( 100 − t в ) = 0 | ||||||||
Лед, имеющий температуру плавления, нагревают до положительной температуры, вводя пар при t = 100 о С. | − r m п + c в m п ( t − t к и п ) + λ m л + c в m л ( t − t п л ) = 0 Пример №2. В кастрюлю, где находится вода объемом 2 л при температуре 25 о С, долили 3 л кипятка. Какая температура воды установилась? Количество теплоты, отданное кипятком, равно количеству теплоты, принятому более прохладной водой. Поэтому: c m 1 ( t − t 0 ) = − c m 2 ( t − t к и п ) m 1 ( t − t 0 ) = − m 2 ( t − t к и п ) m 1 t + m 2 t = m 1 t 0 + m 2 t к и п ( m 1 + m 2 ) t = m 1 t 0 + m 2 t к и п Взаимные превращения механической и внутренней энергииЕсли в тексте задачи указан процент одного вида энергии, перешедший в другой, то он указывается в виде десятичной дроби перед этой энергией, которой тело обладало вначале. Частные случаи закона сохранения энергии
|