工程热力学实验指导书 西安建筑科技大学 环工实验教学中心 实验一气体定压比热容测定实验 实验目的 l·了解气体比热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.实验原理 引用热力学第一定律解析式,对可逆过程有: 定压时a=0 此式直接由c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等压流动过程中 a 则气体的定压比热容可以表示为: k/kg℃ 式中:m-—气体的质量流量,kg/s Q,--气体在等压流动过程中的吸热量,kJ/s
工程热力学实验指导书 西安建筑科技大学 环工实验教学中心 实验一 气体定压比热容测定实验 一．实验目的 1• 了解气体比热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．实验原理
由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大,它是温度的复杂函数。实验表明,理想气体的比热与温 度之间的函数关系甚为复杂,但总可表达为:=a+bt+et2+ 式中a、b、ε等是与气体性质有关的常数。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,假定在0-300°C之间,空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系 bt 则温度由至n的过程中所需要的热量可表示为 q=[a+btut 由t加热到n的平均定压比热容则可表示为: ∫a+b =a+b52 t2-t1 裁以(A+)为横坐标,(为队坐标C如下圈所示),则可根摇不同温庭范围的平均比热确定截距 和斜率b从而得出比热随温度变化的计算式a+bt 1025 L005 大气是含有水燕气的空气。当空气气流由温度气加热到t2时,其中水蒸气的吸热量可用式下式计算 Q.=m1.34400117 式中:mm-一气流中水蒸气质量,kg/s 则干空气的平均定压比热容由下式确定 )/2-4)(m-mn)/2 式中:Q—一为湿空气气流的吸热量 三.实验设备
由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温 度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为： 式中 a、 b、 e等是与气体性质有关的常数。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，假定在 0 -300 ℃ 之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系： 则温度由t1 至t2 的过程中所需要的热量可表示为： 由 t1加热到 t2的平均定压比热容则可表示为： 若以（ t1 +t2 ）/2 为横坐标， 为纵坐标（如下图所示），则可根据不同温度范围的平均比热确定截距 a 和斜率 b, 从而得出比热随温度变化的计算式 。 三 . 实验设备
曳4 毫紫 1.整个实验装置由风机,流量计,比热仪本体,电功率调节及测量系统共四部分组成,如图一所示。 2.比热仪本体如图二所示。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(铂电阻温度计 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,岀口温度计8测量加热终了温 度,后被引出。该比热仪可测300°C以下气体的定压比热。 冷空气 四.实验方法及数据处理 1.接通电源及测量仪表,选择所需的岀口温度计插入混流网的凹槽中。 2.摘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(t0)和湿球温度(tw)。 将温度计插回流量计,调节流量,使它保持在额定值附近。逐渐提高电压,使岀口温度升高至预计温 度[可以根据下式预先估计所需电功率:W≈12/。式中W为电功率(瓦);为进出口温度差(℃C ):τ为每流过10升空气所需时间(秒)]
1 ．整个实验装置由风机，流量计，比热仪本体，电功率调节及测量系统共四部分组成，如图一所示。 2 ．比热仪本体如图二所示。 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 （铂电阻温度计 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。 四．实验方法及数据处理 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 ．摘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（ t 0 ）和湿球温度（ t w ）。 3 ．将 温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电压，使出口温度升高至预计温 度 [ 可以根据下式预先估计所需电功率： W ≈ 12 Δt / τ 。式中 W 为电功率（瓦）； Δt 为进出口温度差（ ℃ ）； τ为每流过 10 升 空气所需时间（秒） ]
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: 每10升气体通过流量计所需时间(τ,秒);比热仪进口温度(1l,℃)和出口温度(t2,℃C);当时大气 压力(B,毫米汞柱)和流量计出口处的表压(,毫米水柱);电热器的电压(,伏)和电流(I,毫 安) 5.据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的焓湿图查出含湿量(d,克/公斤干空气) 并计算出水蒸汽的容积成分y 6.电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算,但要考虑电表的内耗。如果伏特表和亳安表采用图 所示的接法,则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为Rm4欧,则可得电热器单位时间放出的热量为P 7.水蒸气和干空气质量流量的计算,可按理想气体处理。 五.注意事项 切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作,以免引起局部过热而损坏比热仪。 2.电加热器输入电压不得超过220V,气体出口温度不得超过300°C 3.加热和冷却缓慢进行,以防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而破损;加热时要先启动风机,再 缓慢提高加热器功率,停止试验时应先切断电加热器电源,让风机继续运行10至20分钟。 4.实验测定时,必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数 六、实验报告 1.简述实验原理和仪器构成原理。 2.列表给出所有原始数据记录 3.列表给出实验结果(数据处理,要附有例证 4.与下述经验方程比较 C,=1.02319-176019×10+7+402402×103()2 487268×10-()3K(kgK) 其中:T为空气的绝对温度,K 5.分析造成实验误差的各种原因,提出改进方案 七、思考题
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： 每 10 升 气体通过流量计所需时间（τ，秒）；比热仪进口温度（ t 1 , ℃ ）和出口温度（ t 2 , ℃ ）；当时大气 压力（ B ，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（ Δh ， 毫米水柱 ）；电热器的电压（ V ，伏）和电流（ I ，毫 安）。 5 ．据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿量（ d ，克 / 公斤 干空气） , 并计算出水蒸汽的容积成分 。 6 ．电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和毫安表采用图一 所示的接法，则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为 R mA 欧，则可得电热器单位时间放出的热量为 。 7 ．水蒸气和干空气质量流量的计算，可按理想气体 处理。 五．注意事项 1 ．切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。 2 ．电加热器输入电压不得超过 220V ，气体出口温度不得超过 300 ℃ 。 3 ．加热和冷却缓慢进行，以防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而破损；加热时要先启动风机，再 缓慢提高加热器功率，停止试验时应先切断电加热器电源，让风机继续运行 10 至 20 分钟。 4 ．实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。 六、实验报告 1 ．简述实验原理和仪器构成原理。 2 ．列表给出所有原始数据记录。 3 ．列表给出实验结果（数据处理，要附有例证）。 4 ．与下述经验方程比较 其中： T 为空气的绝对温度， K 。 5 ．分析造成实验误差的各种原因，提出改进方案； 七、思考题
在本实验中,如何实现绝热? 2.气体被加热后,要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度,为什么?简述均流网、旋流片和 混流网的作用? 3.尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施,但散热是不可避免的。不难理解,在这套装置中散热主 要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供种实验方法(仍利用现有设备)来消除散热给实验带来的 误差?
1 ．在本实验中，如何实现绝热？ 2 ．气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流网、旋流片和 混流网的作用？ 3 ．尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施，但散热是不可避免的。不难理解，在这套装置中散热主 要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供一种实验方法（仍利用现有设备）来消除散热给实验带来的 误差？