实验一 空气定压比热容测定

实验一 空气定压比热容测定

一、实验目的

1.增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，了解气体比热容测定的基本原理和构思。

2.学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。

3.学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。 二、实验原理

由热力学可知，气体定压比热容的定义式为

(

)p p h

c T

∂=∂ （1） 在没有对外界作功的气体定压流动过程中，p dQ dh M

=, 此时气体的定压比热容可表示

为

p p T

Q

M c )(1∂∂=

（2） 当气体在此定压过程中由温度t 1被加热至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

)

(1221

t t M Q c p t t pm

-=

(kJ/kg ℃) (3)

式中，M —气体的质量流量，kg/s;

Q p —气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s 。

大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t 1被加热至t 2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。如果计算干空气的比热容，必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。

低压气体的比热容通常用温度的多项式表示，例如空气比热容的实验关系式为

3162741087268.41002402.41076019.102319.1T T T c p ---⨯-⨯+⨯-=(kJ/kgK)

式中T 为绝对温度，单位为K 。该式可用于250～600K 范围的空气，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。

在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的，即可近似的表示为

Bt A c p += （4）

由t 1加热到t 2的平均定压比热容则为

m t t t t pm Bt A t

t B A dt t t Bt A c

+=++=-+=⎰

2

21122

1

21

(5) 这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度t m = ( t 1 + t 2 ) / 2时的定压比热容。

因此，可以对某一气体在n 个不同的平均温度t m i 下测出其定压比热容c p m i ，然后根据最小二乘法原理，确定

∑∑∑∑∑∑--=

22

2

)

(mi

mi mi

pmi mi pmi

mi t

n t t c t c

t A （6）

∑∑∑∑∑--=

2

2)

(mi

mi

pmi

mi pmi mi

t n t c t n c t B （7）

从而便可得到比热容的实验关系式。

三、实验设备

图 1 实验装置图

1.整个实验装置由风机、流量计、测试比热容仪器本体、电功率调节系统及测量系统共四部分组成，如图1所示。

2.比热容仪器本体由图2所示。

3.空气（或其它气体）由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电加热器的电压调节。

4.该比热容仪可测量300℃以下气体的定压比热容。

图 2 比热容仪本体图

四、实验步骤

1.按图1所示接好电源线和测量仪表。经指导教师认可后接通电源，将选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。

2.小心取下流量计上的温度计。开动风机，调节流阀，使流量保持在预定值附近，测出流量计出口处的干球温度t a和湿球温度t w。

3.将温度计放回原位。调节流量，使它保持在预定值附近。调节电压，开始加热（加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q=K 12 Δt/τ进行估算，式中Q为加热功率，W；Δt为比热容仪本体进出口温度差，℃；τ为每流过10升空气所需要的时间, s；K为设备修正系数）。

4.待出口温度稳定后（出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定），即可采集实验数据。需采集的数据有：

(1)每10升气体通过流量计时所需的时间τ（s ）；

(2)比热容仪进口温度 t 1 （℃）与出口温度 t 2 （℃）；

(3)当时大气压力B （mmHg ） 和流量计出口处的表压力Δh （mmH 2O ）； (4)电加热器的电压U （V ） 和电流 I ( A )；

5.改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤4。在允许的时间内可多做几次实验。

将上述实验数据填入所列的原始数据表中。 五、计算公式

1.根据流量计出口处空气的干球温度 t a 和湿球温度 t w ，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度φ，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d (g 水蒸汽 / kg 干空气)，计算出水蒸汽的容积成分r w

622

/1622

/d d r w +=

2.电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电流表的内耗。如电压表和电流表采用图1所示的接法，则应扣除电流表的内耗。设电流表的内阻为R mA (Ω)，则可得电加热器单位时间放出的热量

3210)001.0(-⨯-⋅=I R I U Q mA kJ/s

3.干空气流量为

)

15.273()6.13/)(1(10645.4)

15.273(287/01.032.133)6.13/)(1(3+∆+-⨯=

+⨯⨯∆+-=

=

-a w a w a

g g g t h B r t h B r T R V p M ττ

kg/s

4.水蒸汽流量为

3(/13.6)133.320.01/461.5(273.15)

2.88910(/1

3.6)(273.15)

w w w a

w a w a p V M R T r B h t r B h t τ

τ-=

+∆⨯⨯=

+⨯+∆=

+ kg/s

5.水蒸汽吸热量为

[

]

)

(0002443.0)(844.1)0004886.0844.1(21

22122

1

t t t t M dt

t M Q w t t w w -+-=+=⎰ kJ/s

6.干空气吸热量为

w p Q Q Q -=