工程热力学实验指导书(guo)

重庆科技学院

工程热力学实验指导书

热能与动力工程教学示范中心

二〇〇八年九月

目录

实验一气体定压比热容测定实验1实验二二氧化碳p-v-t关系测定实验8实验三饱和蒸汽压力和温度关系实验15实验四喷管实验18

实验一 气体定压比热容测定实验

一、实验目的

1．了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2．熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。

3．掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。

4．分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、实验原理

引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有：

pdv du dq += 和 vdp dh dq -= （1） 定压时0=dp

p p T h dT vdp dh dT dq c ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛= （2）

此式直接由p c 的定义导出，故适用于一切工质。

在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：

p dQ m dh 1= （3）

则气体的定压比热容可以表示为：

()1221t t m Q c p t t p -= kJ/kg •℃ （4）

式中：m ——气体的质量流量，kg/s ；

p Q ——气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s 。

由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为：

+++=2et bt a c p （5）

式中a 、b 、e 等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的实验关系式： 3

102741087268.41002402.41076019.102319.1T T T c p ---⨯-⨯+⨯-=kJ/kg •K

式中：T ——绝对温度，K 。

该式适用于250～600K ，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。 由于比热随温度的升高而增大，所以在给出比热的数值时，必须同时指明是那个温度下的比热。根据定压比热的定义，气体在t ℃时的定压比热等于气体自温度t 升高到dt t +时所需热量dq 除以dt ，即：

dt dq

c p =

当温度间隔dt 为无限小时，即为某一温度t 时气体的真实比热。如果已得出()t f c =的函数关系，温度由1t 至2t 的过程中所需要的热量即可按下式求得：

()dt et bt a dt c q p ⎰⎰+++==21221

用逐项积分来求热量十分繁复。但在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，即可近似表示为：

bt a c p += （6）

则温度由1t 至2t 的过程中所需要的热量可表示为：

()dt bt a q t t ⎰+=21 （7）

由1t 加热到2t 的平均定压比热容则可表示为：

()221122121t t b a t t dt bt a c t t t t p

++=-+=⎰

（8） 大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度1t 加热到2t 时，其中水蒸气的吸热量

可用式（8）计算，其中833.1=a ，0003111.0=b ，则水蒸气的吸热量为：

()dt t m Q t t w w ⎰+=2

10003111.0833.1 =()()[]2122120001556.0833.1t t t t m w -+- kJ/s （9）

式中：w m ——气流中水蒸气质量，kg/s 。

则干空气的平均定压比热容由下式确定：

()()1212)(')(21t t m m Q Q t t m m Q c w w p w p t t pm ---=--= （10）

式中：'p Q ——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1t 和加热后温度仍为2t 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1m 和2m ，加热器的加热量分别为1Q 和2Q ，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 m Q Q Q Q w pm w w p ∆++--=∆++=11211111)(

()Q

Q t t c m m Q Q Q Q w pm w w p ∆++--=∆++=21222222)( 两式相减消去Q ∆项，得到

()()()()122121212121t t m m m m Q Q Q Q c

w w w w t t pm -+-----=

kJ/kg •℃ （11）

三、实验设备

图1-1测定空气定压比热容的实验装置

系统

1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；4-瓦特表；5-调压变压器；6-稳压器；

7-风机

实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计，比热仪本体、电工率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图1-1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用以控制测定仪器出口气流的温度。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。

比热容测定仪本体（图1-2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝

缘垫5，旋流片6和混流网7组成。气体自