Лабораторная работа 1. Принципы автоматического регулирования потоков в открытых системах. Термостатирование как пример поддержания стационарного состояния температуры теплоносителя.
Цель: Вспомнить и закрепить понятие стационарного состояния. Раскрыть (коротко) содержание и значение термостатирования для целей и задач биологического эксперимента. Промоделировать стационарное состояние на примере поддержания температуры в термостате.
Теоретическая часть.
Стационарное состояние - такое состояние открытой системы при котором оцениваемый показатель системы в неизменных условиях среды не изменяется в течение времени, сопоставимом с временем наблюдения. При изменении условий среды оцениваемый показатель состояния системы может измениться. Изменение происходит не скачком, а в течение некоторого переходного периода, после чего система переходит в новое стационарное состояние, соответствующее новым условиям среды. Возможны три канонических траектории перехода (рис. 1)
Рис. 1. Траектория перехода характеристик состояния системы и; одного стационарного состояния в другое. 1 - плавное (монотонное приближение; 2 - овершут; 3 - ложный старт.
Стационарное состояние удобно моделировать с помощью водяного термостата, который обеспечивает поддержание температуры теплоносителя (воды) на необходимом для работы уровне. Это осуществляется поддержанием баланса (равенства) скоростей теплопотери и теплоподвода. Управление осуществляется с помощью контактного термометра, который: а) включает ТЭН при понижении температуры от заданного уровня или отключает его при достижении требуемого значения; б) для поддержания температуры ниже, чем в окружающей среде, используется хладоагент подача в систему охлаждения теплоносителя так же контролируете контактным термометром (вручную).
Экспериментальная часть
Задание 1. Модель стационарного состояния на примере термостата.
Ход работы:
1. Ознакомиться с принципом действия лабораторного термостата, как прибора, работающего по замкнутому кругу регулирования. Зарисовать схему термостата.
2. Ознакомиться с устройством лабораторного термостата на примере прибора MLW-U7c (термостат суховоздушный ТМ).
3. Подготовить прибор к работе:
а) убедиться в комплектности термостата и его исправности;
б) налейте воду в резервуар до верхней отметки (до «зиги»)
в) заземлить (занулить) прибор;
г) установить контактный термометр, предварительно настроив его на 1-2 градуса ниже требуемой температуры (37 градусов °С)
Рис. 2. Схема термостата: 1. резервуар (бак); 2. контейнер с объектом; 3. электронагреватель (ТЭН); 4. электронагреватель с мешалкой; 5. контрольный термометр; 6. контактный термометр; 7. реле с контактами.
4. Подключить термостат к электросети (должна загореться средняя сигнальная лампочка). Включить нагреватели (должны загореться лампочки) и включить электродвигатель. Следить за показаниями контрольного термометра.
5. Следуя за показаниями контрольного термометра с помощью контактного термометра вывести термостат на заданный режим работы (скажем 37 градусов °С).
6. Через каждую минуту в течение 10-15 минут снимать показания контрольного термометра. Данные заносить в таблицу. Затем начертить проверочный график работы термостата. Проделать то же самое для температуры 50°С.
7. Нарисовать график динамики изменения температуры от времени нагревания до контрольной температуры
8. Сделать заключение по работе термостата. Определить тип перехода термостата от одного стационарного состояния к другому.
9. Сравнить работу двух термостатов: воздушного и жидкостного.
Литература:
Практикум по общей биофизике. Выпуск 1 стр. 8
Инструкция к термостату.
Артюхов Биофизика
Рубин Биофизика
Лекции по биофизике.
Контрольные вопросы.
1. Что такое стационарное состояние?
2. Принцип работы водяного термостата.
3. Как поддерживается температура воды в термостате на уровне:
а) ниже температуры среды, б) выше температуры среды?
4. Какие есть канонические траектории переходы от одного стационарного состояния к другому?
5. Сравнить термодинамическое равновесие и стационарное состояние.
6. Второй закон термодинамики для открытых систем.
7. Теорема Пригожина. Понятие градиентов, соотношение Онзагера и сопряжение биологических процессов.