[工学]工程热力学实验指导书修改稿

1、气体定压比热测定实验实验指导书建筑环境与设备工程专业11气体定压比热测定实验指导书（注意本指导书中设计性实验相关提示）气体定压比热测定是工程热力学的基本实验之一。实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本测量。本实验所测定的其他为空气。计算中用到比热及混合其他（湿空气）等方面的基本知识，本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识。促进理论联系实际，以利于培养分析问题和解决问题的能力。为培养学生实际动手能力和创造力本实验为设计性实验，请参阅设计项实验提示。一、 实验要求1、 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。2、 熟悉本实验中的温度、压力、热量、流量的测量方法。3、 根据实验装置的基

2、本原理和设计性实验方案提示，设计出测定空气定压比热的实验流程，4、 通过改变本设计性实验的测量参数，如改变气体流量大小、电加热功率的大小对实验结果有何影响，并根据已学过的知识解释其原因5、 掌握由测量数据计算出比热值和比热公式的方法。6、 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、 实验原理气体的定压比热定义为： 在没有对外界作功的气体等压流动过程中，则气体的定压比热可以表示为：当气体在此等压过程中由温度加热至温度时，气体在此温度范围内的平均比热值可以由下式确定： 式中：m气体的质量流量（kg/s）气体在等压流动过程中的吸热量（kj/s）由于实验测定的气体为空气，即测定干空气的定压比热

3、。空气是含有水蒸气的湿空气。干空气的吸热量等于湿空气的吸热量减去水蒸汽的吸热量。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸汽的吸热量可用下式计算： 式中：气流中的水蒸汽质量（kg/s）则干空气的平均定压比热由下式确定：图 二式中：湿空气气流的吸热量（kj/s）三、 实验装置整个实验装置如图1所示，由风机、流量计、比热仪本体、电流表、电压表、调压器及稳压电源等组成。比热仪本题见图2。图中：1进口温度计；2多层杜瓦瓶；3电热器；4均流网；5绝热垫；6旋流片；7混流网；8出口温度计。空气（也可以是其他气体）由风机流量计送入比热仪本体，经过加热、均流、混流、测流后流出。气体流量由节流阀控制；气体出口温度由输

4、入电热器的电压调节。本比热仪可测300以下气体的定压比热。四、 实验数据测定方法1、 实验之前，先选择合适的出口温度计插入混流网的凹槽中。接好测量仪表，先启动风机，然后接通电源。2、 摘下流量计上的温度计，调节节流阀，使流量保持在一定值附近。测出流量计出口空气的干球温度（）和湿球温度（）。3、 将温度计插回流量计，逐渐提高电压，使出口温度升高至给定温度（根据设计性实验提示，“给定温度”在一定范围内可以作适当变更，同时需要分析对实验测定结果有何影响，所测得的cp值在理论上的适用性有何影响）电加热器功率可以由w=12t/（w）估算。式中：t空气进出口温度差（）每流过10升空气所需时间（s）4、 待

5、出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或者有微小波动，即可视为稳定），读出下列数据：每10升气体通过流量计所需要的时间(s)，比热仪进口温度（）和出口温度（）；大气压力；流量计出口处的表压；电加热器的电压u（v）和电流i（a）；或者功率（w）。五、 实验数据整理根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的含湿量图上查出含湿量d（g/kg干空气），并根据下式计算出水蒸汽的容积成分：于是，气流中水蒸汽的分压力为式中：b大气压力 n/m2h流量计出口气流的表压力 ；（此值由湿式流量计上的压差计测取）水蒸汽的质量流量为：式中 v每秒流过的空气量 流过10升空气所需要的时间。干空气的质量流量

6、为：式中：p干空气的分压力 电加热器的加热量（湿空气的吸热量）式中：u电加热器的端电压 （v） i通过加热器的电流 （a）由以上所计算的数据可由（5）式求得干空气的平均比热假定在0300之间，空气的真实定压比热与温度之间有线性关系则由到的平均比热为若以为横坐标，为纵坐标（见图三），则可根据不同温度范围的平均比热值确定截距a和斜率b，从而得出比热随温度变化的计算式。六、 实验操作注意事项1、 电加热器不应在没有气流通过比热测定仪时进行加热。2、 提高电压时调节调压器要缓慢，不要一下子将电压提得很高，以免损坏比热仪和出口温度计。3、 停止实验时，应先停加热器后再停风机。并且在停止加热器加热后仍维持

7、小气流继续运行15分钟。4、 实验过程中，必须使气流和测定仪的温度状况稳定后才能读取数据。5、 输入电热器的电压不得超过220v，气体出口温度不得超过温度计的最高刻度值。七、 实验报告内容1、 实验原理；2、 设计性实验方案 和 设计性实验流程图（参见设计性实验提示）；3、 实验数据记录；4、 计算结果及数据整理；5、 列表表示平均比热与温度的关系。6、 用作图法或者最小二乘法确定式（6）中的常数a和b值，用方程式表示空气的平均定压比热与温度的关系。7、 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二氧化碳状态变化规律实验二氧化碳状态变化规律实验一、 实验目的1、 了解co2临界状态的观测方

8、法，增强对临界状态概念的感性认识。2、 加深对课堂所学的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。3、 掌握co2的p-v-t关系的测定原理，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法。二、 实验内容1、 测定co2的p-v-t关系，在p-v坐标图上绘出t为20，27，31.2，50四条等温线，与标准实验曲线相比较并分析产生差异的原因。2、 观察临界状态附近汽液两相模糊现象，测定co2的临界参数（pc、vc、tc），将实验所得vc值与理想气体状态方程式及范德瓦尔斯方程式的理论计算值作一比较，简述其差异原因。3、 测定在不同压力下饱和蒸汽与饱和液体的比容（或密度）及饱和温度与饱和压力的

9、对应关系。三、 实验原理1、 实际气体在压力不太高、温度不太低时，可以近似地认为是理想气体，并遵循理想气体状态方程式： 式中：p 绝对压力（pa） v 容积（m3） t 绝对温度（k） m 气体质量（kg） r 气体常数 实际气体中分子力和分子体积，在不同温度压力范围内，这两个因素所起的相反作用表现是不同的。因而，实际气体与不考虑分子力、分子体积的理想气体有一定偏差。1879年范德瓦尔针对偏差原因提出了范德瓦尔方程式： （2）或 （3）式中： 分子力的修正项b分子体积修正项 注意，比容与摩尔体积换算 tc、pc分别为临界压力和临界温度，对co2，tc、pc如下： tc=31.2 pc=7.38

10、696 mpa （3）式随p、t的不同，v可有三种解：1） 不相等的三个实根；2） 相等的三个实根；3） 一个实根，两个虚根。 本实验将类似地重复1869年安德鲁实验，论证范德瓦尔方程较理想气体状 态方程更接近于实际气体的状态变化规律，但仍有一定偏差。2、 工质处于平衡状态时，其基本状态参数p、v、t之间存在一定关系： （4） 或 （5）由（5）式可以看出，三个基本状态参数中，只有两个是独立的。第三个是随其中一个的变化而变化的。基于这两种关系，我们可以令一个参数（如t）不变，用实验方法找出其余两个参数（p、v）之间的变化关系，从而求得工质状态变化的规律。四、 实验设备实验设备由压力台、恒温器、

11、试验台本体及其防护罩三大部分组成，如图一所示。恒温器是提供室温至95范围内恒温水的设备。在此，我们借助它提供温水间接地恒定co2的温度，同时根据实验需要起到改变co2温度的作用。压力台是借助其活塞杆的进退，使低粘度油传递压力来提供我们实验所需要的压力设备。试验台本体如图二所示，它是我们完成预定实验任务的主要设备。由恒温器提供的恒温水，从实验台本体玻璃水套下端进口流入，上端出口流出，反复循环，其温度数值由水套上的温度计读出。当此温度计读数与恒温器上温度计读数相差不太大时，我们可以近似认为承压玻璃管中所存的co2温度与此温度相同。由压力台压出的压力油进入高压容器后，从高压容器与玻璃杯间隙处溢向水银

12、表面，迫使水银进入预先装有co2气体的承压玻璃管压缩co2气体，其压力变化通过压力台上活塞杆的前进和后退调节。co2压缩时所受的压力由压力台上的压力表读出，其容积变化由玻璃管内co2柱的高度来衡量（玻璃管内径均匀）。五、 实验步骤1、 先按图1装好实验设备。2、 使用恒温器调定温度。（1） 做好恒温器使用前的准备工作：加蒸馏水，检查并接通电路，开动水泵使水循环。（2） 旋转电接点温度计顶端磁帽，调动示标到所需要的恒定温度。（3） 视水温情况开关加热器，当恒温器指示灯达到时亮时灭时，说明温度已达到所需恒温。（4） 观察玻璃水套上的温度计，若读数与恒温器上的温度计标定的温度一致时，则可近似地认为c

13、o2的温度处于温度计的指示值。（5） 当需要改变温度时，重复以上步骤。3、 加压前的准备（1） 关闭压力表及进入本体油路的两阀门，开启压力台上油杯的进油阀。（2） 倒退压力台上活塞杆，至螺杆全部退出，抽油。（3） 先关闭油杯阀门，然后开启压力表和油路两阀门。（4） 前进活塞螺杆，向本体内注油，如此反复，至压力表上有读数为止。（5） 最后检查油杯阀门是否关好，压力表和油路阀是否开启。而后可进行试验。4. 做好实验的原始记录几注意事项（1） 设备数据记录： 仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。（2） 常规数据记录： 室温、大气压、实验环境情况等。（3） 测定承压玻璃管内的co2的质面比常数k值

14、。由于充进承压玻璃管内的co2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（a）又不宜测准，因而实验中是采用间接法来确定co2的比容，认为co2的比容v与其高度是一种线性关系。已知co2液体在20，100 atm时的比容v=0.00117m3/kg，实地测出在20，100 atm时co2液柱的高度h1 (m)（注： h1值由实验现场测定或由实验指导教师给出），则可得（20，100 atm时）： gco2质量 所以g/a= h1/0.00117=c=常数 （6）则在任意温度和压力下，测得 co2柱高h后，其比容可由下式计算： （7）只要我们在实验中测得t=20，p绝=100 atm时的h1值，计算出常数c

15、后，其它一切值均可由式7求得。（4）实验中应注意以下几点：a) 做各条等温线时，实验压力p100(atm)，实验温度t50()。b) 一般取h时，压力间隔可取25at，但在接近饱和临界状态时，压力间隔应取为0.5at。c) 实验中取h值时，水银柱液面高度的读数应使视线与水银柱半球型液面的中间一齐，并注意在任意温度，压力下的co2液柱高度h等于在该温度、压力下水银柱高度hg减去承压玻璃管内径顶端刻度h0，即h=hg-h0。5. 测定低于临界温度t=20时的等温线。（1）使用恒温器调定t=20并要保持恒温。（2）压力记录从45at开始，当玻璃管内水银升起后，应足够慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件，

16、否则来不及平衡，读数不准。（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=100atm。（4）注意加压后co2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、汽化等现象，要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。（5）测定t=25，t=27其饱和压力的对应关系。6. 测定临界等温线和临界参数，观察临界现象。（1）仿照5测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力点p0和临界比容vc，并将数据填入表1。（2）临界现象观察a) 临界乳光现象保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至78at附近，然后突然摇退活塞杆降压（注意勿使试验本体晃动），在此瞬间玻璃管内将出现圆柱状的乳白色闪光现象，这就是

17、由于co2分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反复几次来观察这一现象。b) 整体相变现象由于在临界点是时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程，而这时当压力稍在变化时汽液是以突变的形式相互转化的。c) 处于临界点的co2具有共同的参数（p, v, t），因而不能区别此时的co2是气态还是液态。如果说它是液体，那么这个气体是接近于液态的气体；如果说它是液体，那么这个液体又是接近于液态的气体。下面就用实验来证明这个结论，因为这时是处于临界温度，如果按等温线过程来进行使co2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行，首先在压力等于78at附近，突然降压，使co2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内co2出现了明显的液面。这就说明如果这时管内的co2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体，当我们在膨胀之后，突然co2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们这时的co2液体离气区也是非常近的，可以说是接近气态的液体，既然此时的co2即接近气态又接近液态，所以只能处于临界点附近，可以这样说，临界状态究竟如