气体定压比热测定实验

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干气体定压比热测定实验
干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（混空气）方面的知识。

一、实验目的
1. 了解实验装置的基本原理和结构。

2. 熟悉温度、压力、热量、流量等基本量的测量方法。

3. 掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。

4. 分析产生误差的原因及减小误差的途径。

二、实验原理
本实验测定的是干空气的定压质量比热P C ，而不是定压容积比热P C ¢。

P C :P =const 时，1kg 气体温度升高1K 时所吸收的热量，kJ/(kg K)； P
C :P =const '时，1Nm 3气体温度升高1K 时所吸收的热量，kJ/(kg K)。

根据定义，对于1kg 工质，
P q
C t
=
D k J /(k g K （1） 对于mkg 工质，
P Q
C m t
=
D k J /(k g K （2） 在这里我们所求的就是干空气的定压质量比热P C ，“干”用下标“g ”表示，即
g P g Q C m t
=
D kJ/(kg K) （3）
各参数值的测定如下：
（1）t ∆测定：我们将一定流量的气体通入比热仪，在比热仪中队气体进行加热后气体流出。

这样，气体进入比热仪与流出比热仪就存在了温度差t ∆，只要我们在比热仪进口设置温度计1t 和出口设置温度计2t ，即可求出21-t t t ∆=。

（2）g m 的测定：由于干空气的质量不好测定，我们可以测定空气的质量流量g m kg/s ，干空气符合理想气体定律：
g g g P V m R T =
k g /s （4）
分母上，g R 为干空气的气体常数，287J/(kg K)g R =；
0T 为干空气热力学温度，00(273.15)T t K =+
分子上，g P 为空气中干空气的分压力，根据道尔顿分压定律，
空气绝对压力b P B P =+；
B 为大气压，可用大气压力计测出；
b P 为U 型管比压计测出的压力，U 型管比压计中介质为水，则
9.8b P h =∆ Pa （6）
h ∆为U 型管比压计两管液面高度差，mmH 2O 。

g r 为干空气的容积百分数，我们把空气分成两个部分，一部分是水蒸气，刨除水蒸气以
外就是干空气，那么1g w r r =-；
/622
1/622
w d r d =
+ （7）
d 为含湿量，
可以通过查湿空气焓湿图求得，只要在焓湿图上确定入口空气的干球温度1t 和湿球温度w t ，即可求出d 。

V 为干空气流过时所拥有的体积，显然，空气流过时，干空气、水蒸气同时占有整个空
间，在空间中均匀分布，即流过时的容积既是干空气的溶剂量，又是水蒸气的容积量。

我们用湿式流量计进行测定：
310
10V τ
-=
⨯ 3m /s
（8） 10升是指流量计指针转5圈的容积量，τ为转5圈所用的时间。

（3）g Q 的测定：
在实验中，我们采用电加热方式，对空气的加热功率为P ，则
310Q P -=⨯ k J /s （9）
实验中，电加热的是空气，既有干空气，又有水蒸气，因而：
g w Q Q Q =- k J /s （10）
（4）w Q 水蒸气吸热量测定：
22
21211.833()0.00015555()w w Q m t t t t ⎡⎤=-+-⎣⎦ k J /s （11）
（5）w m 水蒸气的质量流量测定：
w w w P V
m R T =
k g /s （12） 式中，w R 为水蒸气的气体常数，471.5J/(kg K)w R =；
w P 为空气中水蒸气的分压力，根据道尔顿分压定律，
三、实验装置
实验装置由风机、湿式流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图1所示）。

图1 气体定压比热测定装置图
1.风机；
2.调节阀；
3.湿式流量计；
4.U 型管比压计；
5.温度计；
6.温度计；
7.比热仪本体；8.多层杜瓦瓶；9.混流网；10.旋流片；11.绝缘垫；12.均流网；13.电热器；
14.电功率表；15.测温表；16.风机开关；17.加热开关；18.加热电功率调节器
比热仪本体是由多层杜瓦瓶包裹，内部布置有加热线圈，在出口处设置有均流网、旋流片、混流网，是为了出口温度计测定的温度为最高的平均温度；同时设置绝缘垫，是为了避免温度计直接接触电加热丝，影响温度测定。

四、实验方法与步骤
（1）接通电源，开动风机。

空气被鼓风机鼓出经流量调节阀进入湿式流量计，然后再由湿式流量计进入比热仪本体。

调节流量调节阀，使得在比热仪本体出口有空气流出。

（2）接通电加热系统，调节电功率调节器，使初始加热电功率在20W 左右，对比热仪本体中流过的空气进行加热。

等待出口温度计温度稳定，读出湿式流量计转两圈所用时间τ，读出U 型管比压计液面高度差Δh ，读出空气入口干球温度1t 、湿球温度w t 、出口温度2t ，电功率P ，读出大气压力B ，读出流量计出口干球温度0t 。

（3）调节电功率调节器，使得电功率升高5W 左右，等待出口温度计稳定，重复（2）中读数过程。

（4）通过调节电功率调节器，使得每次电压升高5W 左右，可以依次获得4~6组实验数据，记录在数据表中。

（5）实验数据记录完后，电功率调节器归零，关闭电源，再关闭风机电源，实验结束。

五、数据记录及整理 1、记录和计算：
实验设备名称： 气体定压比热测定仪 设备编号： 大气压力B= Pa
表1 气体定压比热测定实验记录表
表2 气体定压比热测定实验计算表
六、分析思考题：
分析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，则由1t 到2t 的平均比热为：
2
1
21
12
21
()2
t t t Pm t a bt dt t t C
a b
t t ++=
=+-ò
因此，若以
12
2
t t +为横坐标，21
t Pm t C 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，从而得到比热随温度变化的计算式，并且画出此关系图。

七、注意事项：
（1）切勿在无空气流过的情况下进行通电加热，以免引起过热烧损仪器；
（2）输入电压不得超过220V，气体出口温度不得超过300℃；
（3）加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪本体因骤热骤冷损坏；
（4）停止实验要先切断电加热器电源，风机继续运行15分钟后再切断风机电源。