工程热力学实验讲义

第一章 工程热力学§1-1 空气绝热指数的测定实验一、实验目的通过测量绝热膨胀和定容加热过程中空气的压力变化，计算空气绝热指数。

理解绝热膨胀过程和定容加热过程以及平衡态的概念。

二、实验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p vc k c =。

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 。

实验过程的P-V 图如图1所示。

图中AB 为绝热膨胀过程；BC 为定容加热过程。

图1 等容和绝热过程AB 为绝热过程，1122k kp v p v = （1） BC 为定容过程，23v v = （2）假设状态A 和C 温度相同，则23T T =。

根据理想气体的状态方程，对于状态A 、C 可得：1133p v p v = （3）将（3）式两边K 次方得：()()1133kkp v p v = （4）由（1）、（4）两式得，1132kp p p p ⎛⎫=⎪⎝⎭，再两边取对数，得： 1213ln ln p p k p p ⎛⎫ ⎪⎝⎭=⎛⎫ ⎪⎝⎭（5）因此，只要测出A 、B 、C 三状态下的压力123,,p p p 且将其代入（5）式，即可求得空气的绝热指数k 。

三、实验装置空气绝热指数测定仪由刚性容器，充气阀、排气阀和U 型差压计组成，如图2所示。

空气绝热指数测定仪以绝热膨胀和定容加热两个基本热力过程为工作原理，测出空气绝热指数。

整个仪器简单明了，操作简便，有利于培养学生运用热力学基本和公式从事实验设计和数据处理的工作能力，从而起到巩固和深化课堂教学内容的实际效果。

图2 空气绝热指数测定装置示意图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。

四、实验步骤实验对装置的气密性要求较高。

因此，在实验开始时，应检查其气密性。

通过充气阀对刚性容器充气，使U 型压差计的水柱h ∆达到2200mmH O 左右，记下h ∆值，5分钟后再观察h ∆值，看是否发生变化。

若不变化，说明气密性满足要求；若变化，说明装置漏气。

若漏气，检查管路连接处，排除漏气。

若不能排除，则报告老师做进一步处理。

此步骤一定要认真，否则将给实验结果带来较大的误差。

气密性检查完毕后可开始实验。

分以下几步进行：首先使大容器内的气体达到状态A 点。

关闭放气阀，利用充气阀（即橡皮球）进行充气。

使U 型差压计的两侧有一个比较大的差值。

等待一段时间，U 型差压计的读数不再变化以后，记录下这时U 型差压计的读数1h ，则11a p p h =+，a p 为大气压力。

然后进行放气使大容器内的气体由A 点达到状态B 点。

这是一个绝热过程，因此放气的过程一定要快，使放气过程中容器内气体和外界的热交换可以忽略。

转动排气阀进行放气，并迅速关闭排气阀。

这时U 型差压计内读数在剧烈震荡不易读数，等U 型差压计读数刚趋于稳定时立刻读出2h 值，22a p p h =+。

继续等待U 型差压计的读数变化。

等到读数稳定后，读取3h 值，33a p p h =+。

稳定过程需要几分钟。

利用k_check.exe 软件检查所测的实验数据，根据软件给出的结果总结操作中应该注意的问题。

重复上述步骤，多做几遍，进行数据处理。

六、思考问题：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2h 值，试分析2h 的误差对结果的影响附：k_check 软件使用方法：k_check 软件是本实验室编制的一个检查实验数据的小程序。

程序运行后，根据提示首先输入大气压值a p ，然后依次输入1h ，2h ，3h 值，程序就会给出计算出的绝热指数K 。

如果有几组数据需要检查，继续输入下一组1h ，2h ，3h 值即可。

§1-2 饱和蒸汽压力和温度关系实验一、实验目的通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而建立液体温度达到对应液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽p-t关系图表的编制方法观察小容积的泡态沸腾现象二、实验设备本实验使用可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪。

实验装置主要由加热密封容器（产生饱和蒸汽）、电接点压力表、调压器（0~220V）、电压表、水银温度计（0~200℃）、测温管（管底注入少量机油，用来传递和均匀温度）和透明玻璃窗等组成（参见图1）。

采用电接点压力表的目的，在于使用中能限制压力的意外升高，起到安全保护作用。

图 11 –电接点压力表2 –保温棉3 –密封容器4 –观察窗5 –电加热器6 –机壳7 –调压器8 –温度计9 –测温管10 –蒸馏水三、实验原理考察水在定压下加热时水的状态的变化过程。

随着热量的加入，水的温度不断升高。

当温度上升到某温度值t时水开始沸腾。

此沸腾温度称为该压力下的饱和温度。

同样，此时的压力称为饱和压力。

继续加热，水中不断产生水蒸汽，随着加热过程的进行，水蒸汽不断增加，直至全部变为蒸汽，而达到干饱和蒸汽状态。

对干饱和蒸汽继续加热，由蒸汽的温度由饱和温度逐渐升高。

水在汽化过程中，呈现出五种状态，即未饱和水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。

在汽化阶段，处于汽液两相平衡共存的状态，它的特点是定温定压，即一定的压力对应着一定的饱和温度，或一定的温度对应着一定的饱和压力。

四、实验方法和步骤熟悉实验装置的工作原理、性能和使用方法将调压器指针置于零位，然后接通电源。

将电接点压力表的上限压力指针拨到稍高于最高试验压力（如：0.7MPa）的位置。

将调压器输出电压调至170V，待蒸汽压力升至接近于第一个待测定的压力值时，将电压降至20-50V左右（参考值）。

由于热惯性，压力将会继续上升，待工况稳定（压力和温度基本保持不变）时，记录下蒸汽的压力和温度。

重复上述实验，在0~0.6Pa（表压）范围内，取5个压力值，顺序分别进行测试。

实验点应尽可能分布均匀。

实验完毕后，将调压器指针旋回零位，并断开电源。

记录实验环境的温度和大气压力B。

注意事项：本装置允许使用压力为0.8MPa（表压），不可超压操作。

五、数据记录和处理记录与计算数据记录表绘制p - t 关系曲线将实验结果在p - t坐标系中标出，清除特殊偏离点，绘制曲线。

整理经验公式将实验点绘制在双对数坐标中，实验曲线将基本呈一直线，所以饱和水蒸汽压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：4100p=t⨯思考问题1．调节调压器时应注意什么问题？2．把实验结果与标准值做比较，并分析造成误差的原因§1-3 气体定压比热的测定气体定压比热的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）、流量等基本量的测量；计算中用到比热及混合气体（湿空气）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，以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。

一、 实验目的了解气体比热测定装置的基本原理和构思熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法 掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径二、 实验装置比热（pm C）。

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℃以下气体的定压比热。

三、实验步骤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。

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（o t ）和湿球温度（w t ）。

图 11 – 比热仪主体2 – 温度计3 – 流量计4 – 风机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，使出口温度升至预计温度 [可以根据下式预先估计所需电功率：τtW ∆≈12。

式中，W 为电热器输入电功率（瓦）；t ∆为进出口温度差（℃）；τ为每流过10升空气所需时间（秒）]。

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（1t ，℃）-即流量计的出口出口温度；出口温度（2t ，℃）；当时相应的大气压力（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）。

根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的干湿图查出含湿量（d ，克/公斤干空气），并根据下式计算出水蒸汽的容积成分：图 21 – 多层杜瓦瓶2 – 电热器3 – 均流网4 – 绝缘垫5 – 旋流片6 – 混流网7 – 出口温度计冷空气热空气6221622ddr w +=根据电热器消耗的电功率，可算得电热器单位时间放出的热量：Q W ∙= KJ/秒干空气流量（质量流量）为：()()()15.27327.291000/1056.735/106.1314+⨯⨯⨯∆+-==∙∙o w o t h B r T R V P G τθθθ()()()15.2736.131106447.43+∆+-⨯⨯=-o w t h B r τ 公斤/秒水蒸汽流量为：()15.27306.471000/1056.735/106.134+⨯⨯⨯∆+==∙∙o w o w w w t h B r T R V P G τ()()15.2736.13108889.23+∆+⨯⨯=-o w t h B r τ 公斤/秒水蒸汽吸收的热量为：()⎰+=∙∙210001167.04404.0t t ww dtt G Q()()[]21221200005835.04404.0t t t t G w -+-= KJ/秒干空气的定压比热为： ()()121221t t G Q Q t t G Q C wt t pm--=-=∙∙∙∙∙θθθ KJ/（公斤﹒℃）五、四、数据记录注意事项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。

输入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℃。

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骤除而破裂。

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）。

§1-4 二氧化碳临界状态观测及P-V-T 关系测定实验 一、实验目的及内容了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识加深对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解 掌握CO2的PVT 关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法测定CO2的 p-v -t 关系。