华北电力《工程热力学》实验指导01气体定压比热容实验.docx

工程热力学实验指导工程热物理教研室二O年月1 .实验总体目标通过实验能更好地理解工程热力学的一些现象和结论。学习一些实验仪器的使用方法。学习实验数据的处理方法。2 .适用专业热能与动力工程、建筑环境与设备工程、核科学与核工程3 .先修课程高等数学、大学物理4 .实验课时分配实验项目学时实验一气体定压比热容实验2实验二二氧化碳综合实验2实验三空气在喷管内流动性能测定实验2实验四饱和蒸汽压力和温度关系实验选做5 .实验环境实验室环境干净整洁，水电齐全，能够满足实验的要求。在醒目的地方有实验原理的说明，便于教师讲解和学生熟悉实验的步骤。6 .实验总体要求通过实验能够帮助学生更好地理解工程热力学的一些基本原理。指导教师要提前做好准备，提高实验的效率。学生要提前预习实验的内容和要求（特别是注意事项），以免发生危险和损坏实验设备。按指导教师的要求书写实验报告，及时上交。7 .本实验的重点、难点及教学方法建议本实验的重点是气体定压比热容实验、二氧化碳压缩综合实验和喷管实验，这三个实验都是综合性实验，涉及到水浴的使用，真空泵的使用，表压力及真空度和绝对压力的关系，等等，需要大家对工程热力学的基本内容有清楚的了解。难点是在临界温度下定温压缩二氧化碳时不好把握,绘出来的图和理想压缩有较大的差别，另外，如何通过间接方法求出二氧化碳的比体积也有一些技巧。教学方法：学生提前预习，做实验之前老师提问；学生仔细观察指导教师的演示；实验室对学生开放，一次没有做成功，或者想更好地掌握实验技巧的学生，可以跟指导教师预约时间另做。实验一气体定压比热容实验3实验二二氧化碳综合实验7实验三空气在喷管内流动性能测定实验8实验四饱和蒸汽压力和温度关系实验11实验一气体定压比热容实验一、实验目的1 .了解气体比热容测定装置的基本原理和构思。2 .熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。3 .掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。4 .分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、实验类型综合性实验三、实验仪器实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图1-1所示。装置中采用湿式流量计测定气流流量，气流流量用调节阀1调整。流量计出口的恒温槽2用以控制测定仪器出口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备，并用钟革型气罐5维持供气压力稳定。图1-1测定空气定压比热容的全套装置系统I-调节阀;2-流量计：3-比热仪本体；4-瓦特表；5-调压变压器:6-稳压器：7-风机比热容测定仪本体（图1-2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（伯电阻温度计或精度较高的水银温度计）、电加热器3和均流网4、绝缘垫5、旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引入，进口温度计1测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。图2-2比热容测定仪结构原理图I-进口温度计：2-多层杜瓦瓶：3-电加热器:4-均流网;5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网：8-出口温度计四、实验原理根据热力学第一定律解析式，对可逆过程有：q=dh-vdp(1-1)定压时dp=O囹(dh-ydp(h(1.2)PVdT)p(dT)pT)p此式直接由金的定义导出，故适用于一切工质。在没有对外界作功的气体的定压流动过程中：dh-Qp(1-3)mcl2_ QP则气体的定压比热容可以表示为：kJkgC(M)式中：m气体的质量流量，kg/s；Qp气体在定压流动过程中的吸热量，kJs由于比热随温度的升高而增大，在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，即可近似表示为：cp=a+bt(1-5)则温度由G至I2的过程中所需要的热量可表示为：q=p(a+bt)dt(1-6)大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度A加热到G时，其中水蒸气的吸热量仍可沿用式(16)计算，其中=1.833,b=0.0003111,则水蒸气的吸热量为：Qw=(1.833+0.000311IZM=mM,1.833(r2-r1)+0.0001556(r？-2)JkJ/s(1-7)式中：SV气流中水蒸气质量，kg/so则干空气的平均定压比热容由下式确定：c2=QPQ“(1q)式中：m湿空气的质量流量，kg/s；Qp为干空气气流的吸热量；Qp'为湿空气气流的吸热量。仪器中加热气流的热量(例如用电加热器加热)，不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同，散热量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为乙和加热后温度仍为F2的条件下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量应当是一样的。于是，可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为m和加2,加热器的加热量分别为Ql和02,辐射散热量为AQ,则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系Cl=QfA+Qm+AQ=。一m*)Cp几一八)+Qw+Q2=Qp2+Qw2+八。=(吗一机”2)。加«2-J+。“2+AQ两式相减消去。项，得到Z2（。2）一（禽。“2）八(w1-W2-nlfl ÷wh,2Xg-1)kJkg0C(1-9)五、实验内容和要求1 .接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。2 .取下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度。和湿球温度几。3 .将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，逐渐提高电压，使出口温度计读数升高到预计温度。（可根据下式预先估计所需电功率：P=I2弓,式中：P为电功率（W）,，为进出口温差（C）,I为每流过10升空气所需的时间（s）。4 .待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏即可视为稳定），读出下列数据：a）10升气体通过流量计所需时间7（s）；b）比热仪进口温度乙（）；出口温度G（C）；c）大气压力计读数B（kPa）,流量计中气体表压?（mmH2O）;d）电热器的功率Qp（W）O注释：电热功率由瓦特表设定为20W流量计旋转一圈流量为5升，实验中实际测量旋转10圈所用时间除以55 .根据流量计出口空气的干球温度J和湿球温度乙确定空气的相对湿度夕，根据Q和干球温度从湿空气的烯湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d（gkg干空气）。6 .每小时通过实验装置空气流量：V=36/（m3h）（1-10）式中：一每10升空气流过所需时间，S；将各量代入式（2-18）并统一单位可以得出干空气质量流量的计算式：(l-ytt.XlOOOB1+9.81)×(36r)287(r0+273.15)7 .水蒸气的流量：将各量代入式（2-16）并统一单位可以得出水蒸气质量流量的计算式:(1-12)N(IO(X)Bl+9.81M)X(36)461.5(r0+273.15)六、注意事项1、切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。2、输入电热器的电压不得超过220V,气流出口最高温度不得超过300C。3、加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。4、停止实验时，应先切断电热器。让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。七、思考题1、怎样判断气体的流动已经稳定了？2、停止实验后，为什么还要让风机运行一段时间？3、如果不考虑水蒸气的影响，将会有什么样的结果？4、如果要测量不同加热温度的平均比热容，如何设计实验？5、怎样减少测量误差？