气体定压比热容的测定

气体定压比热容的测定

测定气体定压比热容的基本测量项目,是测量巳知流量的气体的吸热量（或放热量）和温度变化值。基本方法可以分为两类。一类称为混合法,即预先将气体加热,让它流过量热器时受冷却（达到与量热器热平衡）,由量热器测定气体的放热量。另一类称为定流法,即让气体流过量热器时被加热,由量热器测定气体的吸热量,因此,除了要准确测定气体在量热器人口和出口的温度之外,还必须仔细消除量热器热损失的影响或确定它的修正值,才能准确地测定气体的吸热量或放热量.本实验采用定流法测定空气的平均定压比热容。

一、实验原理

气体的定压比热容定义为 p

p T h c ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂= (2-1) 在没有对外界作功的气体的等压流动过程中,p dQ m

dh 1=, 则气体的定压比热容可以表示为 p p T Q m c )(1∂∂= (2-2)

当气体在此等压过程中由温度t 1加热至温度t 2时,气体在此温度范围内的平均定压比热容值可以由下式确定： )(1221t t m Q c p t t pm -= kJ/(kg ·℃) (2-3)

式中,m —— 气体的质量流量kg/s ；

Q P —— 气体在等压流动过程中的吸热量,kJ/s

低压气体的定压比热容通常用温度的多项式表示,例如下面空气的定压比热容的实验关系式：

c P = 1.02319-1.76019×10-4T+4.02402×l0-7T 2

-4.87268×lO -10T 3 kJ/（kg ·K ）

式中T 为绝对温度,K 。该式用于250～600 K ,平均偏差为0.03%,最大偏差为0.28%。

在离开室温不很远的温度范圈内,空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的,即可近似表示为

bt a c p += （2-4）

由t 1加热到t 2的平均定压比热容则表示为 2)(21122121t t b a t t dt bt a c t t t

t pm ++=-+=⎰ （2-5）

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t 2时,其中水蒸气的吸热量可用下式计算：

⎰+=21

)0004886.0844.1(t t w w dt t m Q )](0002443.0)(844.1[212212t t t t m w -+-= kJ/s （2-6）

式中,m w 为气流中的水蒸气质量，kg/s 。于是,于空气的平均定压比热容由下式确定： )()(12'122

1t t m Q Q t t m Q c w

p p t t pm --=-= （2-7）

式中Q ‘p 为湿空气气流的吸热量。

仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热）,不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同,散热量也相同。因此,在保持气流加热前的温度仍为t 1和加热后温度仍为t 2的条件下,当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时,每次的散热量当是一样的。于是,可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为m 1和m 2，加热器的加热量分别为Q 1和Q 2,辐射散热量为△Q ,则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：

Q Q t t c m Q Q Q Q Q

Q t t c m Q Q Q Q w pm w p w pm w p ∆++-=∆++=∆++-=∆++=21222211121111)()(

两式相减消去△Q 项,得到 )()()()(12212121

21t t m m Q Q Q Q c w w t t pm ------= kJ/（kg ·℃） （2-8）

二、实验设备

实验所用的设备和仪器仪表有比热容测定仪、湿式流量计、恒温槽、稳压气罐、温度计、电源设备和测量仪表、气源设备等,实

验装置系统如图2-1所示, 装置中采

用湿式流量计测定气流流量。流量计

出口的恒温槽2用以控制测定仪器入

口气流的温度。装置可以采用小型单

级压缩机或其它设备作为气源设备,

并用钟罩型气罐5维持供气压力稳

定。气流流量用调节阀3调整。

比热容测定仪(图24-2)由内壁

镀银的真空杜瓦瓶1、温度计4和5(铂

电阻温度计或精度较高的水银温度

计)、电加热器6和铜网10组成。气体自进口管2引人,温度计4测量其初始温度,通过螺旋管进入双层夹套管。

气体先流过管壁7和8之间的夹层,再流过8和9之间的夹层而进入电加热器部位加热。气体在双层夹套管中迁回,可以使电加热器散失的热量仍为气体所吸收。离开电加热器的气体经铜网10均流均温,温度计5测量加热终了温度,后由管3引出。

图2 测定空气定压比热客的实验装置系统 1- 比热容测定仪； 2一恒温槽； 3一调节阀； 4一湿式流量计 5一稳压气罐；6一调节阀；7一电流表；8一电压表；9一电源稳压器；10一调压变压器

三、实验方法及数据整理

实验中需要测定干空气的质量流量m 、水蒸气的质量流量m w 、电加热器的加热量（即气流吸热量）Q ‘p 和气流温度等数据,测定方法如下：

1． 干空气的质量流量m 和水蒸气的质量流量m w 、电加热器不投入,摘下边量计出口与恒温槽连接的橡皮管,把气流流量调节到实验流量值附近,测定流量计出口的气流温度t o （由流量计上的

温度计测量）和相对湿度φo 根据t o 与φ值由湿空气的焓 - 湿图确定含湿量d [g/kg],并计算出水蒸气的容积成分r w ： 622/1622/d d r w += (2-9)

于是,气流中水蒸气的分压力为

062.75010)595.13(5

⨯∆+=h B r p w w N/m 2

式中 B 一大气压力,mmHg

△h 一流量计出口气流的表

压力,mmHg ,由湿式流量计上

的压差计测量。

接上橡皮管,.开始加热。当

实验工况稳定后测定流量计每通

过V ’[m 3](例如0.013)血。气

体所花的时间τ[s],以及其它

数据。

水蒸气的质量流量计算如下： o w w w T R V p m )/('τ= kg/s （2-11）

式中R w ,=461.5J/（kg·K ）。

干空气的质量流量计算如下：

o

RT V p m )/('τ= kg/s 式中 p —— 干空气的分压力：

062

.75010)595.13)(1(5

⨯∆+-=h B r p w N/m 2 （2-13） R=287J/（kg·K ）

2．电加热器的加热量p Q '

10001UI Q p = kJ/s

式中U ——电加热器的端电压，V ；

I ——加热电流,A 。

3.气流温度气流在加热前的温度t 1和加热后的温度t 2由比热容测定仪上的温度计测量。实验时,根据选定的气流初始温度t 1和加热温度t 2的变化范围及变化间隔,t 1用恒温槽调节,t 2由电加热器调节。

实验操作应注意如下事项：

1．电加热器不应在没有气流通过比热容测定仪时投入加热。