工程热力学

实验一 空气绝热指数测定
一、实验目的
1、测定空气的绝热指数K 和空气的比热C p 和C V
2、熟悉以绝热膨胀、定容加热基本热力过程为工作原理的测定绝热指数实验方法；
3、演示刚性容器充放气过程的热过程现象
二、实验装置及测试原理
气体的绝热指数定义为气体的定压比热容与定容比热容之比，以K 表示，即：v
p c c k =。

本实验利用定量空气在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气的绝热指数K 。

实验装置如图1所示，利用气囊往有机玻璃容器内充气，通过U 型压力计测出容器内压力P 1，压力稳定后，突然打开阀门5并迅速关闭。

在此过程中，空气绝热膨胀，在U 型压力计上显示出膨胀后容器内的空气压力P 2；然后，持续一小时左右，使容器中的空气与实验环境的空气进行热交换，最后达到热平衡，即容器中的空气温度与环境温度相等。

此时，U 型压力计显示出温度平衡后容器中空气压力P 3。

实验过程的P-V 图2所示。

图中AB 为绝热膨胀过程；BC 为定容加热过程。

AB 为绝热过程，k
k v p v p 2211=；BC 为定容过程，32v v =；假设A 和C 温度相同，
则31T T =。

根据理想气体的状态方程，对于状态A 、C 可得：3311v p v p =；综合上述各式得：)
ln()ln(3121p p p p k =
；因此只要测出A 、B 、C 三状态点的压力P 1、P 2、P 3，即可求得空
气绝热指数k 。

又由R c c v p +=可得：1
-=
k R c v 与1
-=
k kR c p
三、实验方法与步骤
1、测试前的准备
1）将阀门5的锥形塞拔出，抹上一些真空油，以改善阀门的密封性能。

抹油后安装就
图2 热力过程
1-有机玻璃容器 2-进气及测压三通 3-U 型压力计 4-气囊 5-放气阀门 图1 空气绝热指数测定装置
位并把螺帽拧紧。

2）在阀门5开启的情况下（即容器与大气相通），用医用注射器将蒸馏水注入U 型压力计120～150mm 左右的水柱高。

水柱内应不含气泡。

如有气泡，应设法排除。

3)调整装置的水平位置，使U 型压力计两水管中的水柱高在一个水平线上。

2、测试步骤
1）记录U 型压力计初始读数h 。

（即容器与大气相通时，压力计中水柱高度） 2）关闭阀门5，把螺帽拧紧。

3）用气囊往有机玻璃容器内缓慢充气，容器内的压力由U 型压力计的水柱差显示。

此时的压差150～200mm 水柱为宜。

待压力稳定后，记录下此时的压差值△h 1。

4）突然打开阀门5并迅速关闭。

空气绝热膨胀后，在U 型管内显示出膨胀后容器的气压。

记录此时的压差值△h 2.
5）持续1～2小时后，待容器内空气的温度与测试现场的大气温度一致时，记下此时容器内空气压力的压力差△h 3
6）一般要求重复三次测试，取其测试结果的平均值。

四、实验数据记录及处理 大气压力=a p
=++=3/)(321k k k k
=-=1k R c v =-=
1
k kR c p
五、实验注意事项
1、气囊往往要漏气，充气后必须用夹子将胶皮管夹紧。

2、在测试过程，测试现场的温度要求保持基本恒定。

不然，很难测出可靠的数据。

六、实验思考题
1、放气操作时应注意什么？原因是什么？
2、把实验结果与标准值做比较，并分析造成误差的原因是什么？
3、实验操作中的一个难点是读△h2值，试分析△h2的误差对结果的影响。

4、漏气对实验结果有何影响？
5、空气的湿度对实验结果有何影响？
6、若实验中，转动排气阀的速度较慢，这将对实验结果产生何种影响？
实验二 空气定压比热容测定
一、实验目的
1、了解气体定压比热容测定装置的基本原理和构思。

2、熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。

3、掌握由实验方法求比热容的值和求比热容与温度之间的变化关系。

4、分析本实验产生的误差的原因和减少误差的可能途径。

二、实验原理
本实验的实验原理就是比热容的定义，在没有对外界做功的气体的定压流动过程中，当气体由温度t 1加热到温度t 2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定：
)
(12t t G Q c p -⋅=
kJ/(kg •℃）
式中：G —气体的质量流量kg/s ；
Q —气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s ；
大气是含有水蒸气的湿空气，当湿空气气流由温度t 1加热到温度t 2时，其中的水蒸气也同样由温度t 1加热到温度t 2，这部分热量要根据湿空气的相对湿度确定。

三、实验设备及系统介绍
装置由送风系统，比热议主体、加热系统及测量装置等四部分组成。

1、送风系统：由风机、流量计、U 型玻璃管差压计、节流调节阀等组成； 2、比热仪本体：由波纹管状杜瓦瓶、均流网、旋流片、混流网、绝缘垫组成。

3、加热系统：由电加热器、功率调节器、稳压电源组成；
4、测量装置：由功率表、秒表、测温装置、大气压力计、干湿温度计、气体流量计等。

实验时,被测空气由风机经流量计送入比热仪主体,经加热,均流,旋流,混流后流出。

在此过程中,分别测定:气体在流量计出口处的干,湿球温度(t 0， t w )；气体流经比热仪主体的进出口温度(t l 、t 2)；气体的体积流量(v)；电热器的输入功率(w)；以及实验时相应的大气压
(B)
图1实验装置
和流量计出口处的表压(△h)。

有了这些数据并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热(Cp)。

气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。

本比热仪可测300°C 以下气体的定压比热。

四、实验步骤
1、接通电源和测量仪表,选择所需要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，逐渐提高电热器功率,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：τ
t
W ∆=12
，式中：W 为
电热器输入电功率（瓦）；Δt 为进出口温度差（℃）；τ为每流过10升空气所需的时间
（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（t l ，℃）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（△h ，毫米水柱）；电热器的输入功率（W ，瓦）。

5、改变加热回路中的功率，使各参数在新的状态下达到稳定，重复步骤四，在时间允许的情况下在做几次。

五、计算公式
1、根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里（d ，克／千克干空气），并根据下式计算出水蒸汽的容积成分： 622
/1622/d d r w +=
2、电热器消耗的电功率可由瓦特表读出或由电压和电流值进行计算，此时要考虑电表的内耗。

若电流表的内阻为R mA ，则可算出电热器单位时间内的热量为：
6
2
10
)001.0(-⨯-=I R VI Q ma kJ/s
3、干空气的质量流量为：
图2 比热仪本体
)
15.273()
6
.13)(1(10
6447.4)
15.273(27.29100010
56.73510
)
6.13)(1(03
04
+∆+
-⨯=+⨯
∆+-=
=
-∙
∙
t h B r t h
B r T R V P G w w g g g ττkg/s
4、水蒸气的质量流量为：
)
15.273()
6.13(10
8889.2)
15.273(06.47100010
56.73510
)
6.13(03
04
+∆+
⨯=+⨯
∆+=
=
-∙
∙
t h
B r t h
B r T R V P G w w w w w ττ kg/s
5、水蒸气吸收的热量为：
)]
(0002443.0)(8438.1[)0004886.08438.1(2
122122
1
t t t t G dt t G Q w t t w w
-+-=+=∙
∙
⎰
kW
6、干空气的定压比热容为： )
()(12122
1
t t G Q Q t t G Q c g w
g g
t t p
--=
-=
∙
∙
∙
∙
kJ/（kg ℃）
7、比热随温度的变化关系
假定在0—300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似的有线性关系，那么可设二者之间的关系式为：bt a c p +=
则由t 1到t 2的平均比热为：2
)
()
()(12122
1
21
t t b
a t t dt bt a c t t t t pm
++=-+=
⎰
因此，若以
2
)(12t t +为横坐标，pm c |2
1
t t 为
纵坐标，则可根据不同的温度范围内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。

六、实验结果处理
1、设计数据记录及整理计算用的表格； 干球温度t 0=_20_℃_，湿球温度t w =_19.3__℃,
当地大气压B=___________，流量计出口表压△h=___________，
数据处理：
2、将实验结果表示在pm c |2
1
t t —
2
)(12t t 坐标图上，由此求出a 和b ，最后求出定压比热容与
温度的变化关系式。

七、注意事项
1）切勿在无气流通过的情况下使电热器投人工作，以免引起局部过热而损坏比热仪本体。

2）输人电热器的电压不得超过220伏。

气体出口最高温度不得超过300℃。

3）加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪本体因温度骤降而断裂。

4） 停止试验时，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）。