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=dpp 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： 3102741087268.41002402.41076019.102319.1T 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 dqc 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 ⎰+=210003111.0833.1 =()()[]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)(()QQ 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 cw 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。

气体自进口管引入，进口温度计4测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。

该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

四、实验步骤1．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。

2．取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0t和湿球温度w t。

3．将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，逐渐提高电压，使出口温度计读数升高到预计温度。

（可根据下式预先估计所需电功率：τtw∆=12,式中：w为电功率（W），t∆为进出口温差（℃），τ为每流过10升空气所需的时间（s）。

4．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：10升气体通过流量计所需时间τ（s）；比热仪进口温度1t（℃）；出口温度2t（℃）；大气压力计读数1B（kPa），流量计中气体表压h∆（mmH2O）；电热器的功率p Q（W）。

5．根据流量计出口空气的干球温度0t和湿球温度w t确定空气的相对湿度ϕ，根据ϕ和干球温度从湿空气的焓-湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d（g/kg干空气）。

6．每小时通过实验装置空气流量：τ/36=V（m3/h）（12）式中：τ——每10升空气流过所需时间，s ；干空气质量流量的计算式：()()()()15.273287/3681.91000101+⨯∆+-=t h B y m w g τ kg/h（13）7．水蒸气的流量：水蒸气质量流量的计算式：()()()15.2735.461/3681.9100001+⨯∆+=t h B y m w w τ kg/h（14）五、数据处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w m 、电加热器的加热量（即气流吸热量）'p Q 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w m电加热器不投入，摘下流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'0t （由流量计上的温度计测量）和相对湿度ϕ。

根据0t 与ϕ值由湿空气的焓-湿图确定含湿量g/kg ，并计算出水蒸气的容积成分w y 622/1622/d d y w += （15）于是，气流中水蒸气的分压力为p y p w w = N/m2 （16）式中：p ——流量计中湿空气的绝对压力（Pa ）：h B p ∆+=81.9101 （17）式中：1B ——当地大气压，kPa ；由数字式压力计读出。

h ∆——流量计上压力表（U 型管）读数，mmH2O 柱；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 （m3）（例如0.01m3）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：0)/(T R V p m w w w τ=kg/s （18） 式中：w R ——水蒸气的气体常数：461=w R J/（kg •K ） （19） 0T ——绝对温度，K 。

干空气的质量流量计算如下：()0/RT V p m g g τ= kg/s （20）R ——干空气的气体常数：287=R J/（kg •K ）2．电加热器的加热量'p Q电热器消耗功率可由瓦特表读出：瓦特表读书方法见瓦特表说明书pp Q Q 6.3'= （kJ/h ） （21） 式中：p Q ——瓦特表读数，W ；3．气流温度气流在加热前的温度1t 和加热后的温度2t 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1t 和加热温度2t 的变化范围及变化间隔，1t 用恒温槽调节，2t 由电加热器调节。

六、实验注意事项1．电热器不应在无气流通过情况下投入工作，以免引起局部过热而损害比热仪本体。

2．输入电热器电压不得超过220伏，气体出口温度最高不得超过300℃。

3．加热和冷却要缓慢进行，防止温度计比热仪本体因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。

4．停止实验时，应先切断电热器电源，让风机继续运行15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。

5．实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。

实验二二氧化碳p-v-t关系测定实验一、实验目的1. 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。

2．增加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。

3．掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。

4．学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。

二、实验内容1．测定CO2的p-v-t关系。

在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。

2．测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。

3．观测临界状态（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。

（2）气液整体相变现象。

（3）测定CO2的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。