《工程热力学》试验指导书

《工程热力学》

实验指导书

赵文彬

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 q +=δ 和 vdp dh q -=δ 定压时0=dp

p

p T h dT vdp dh dT q c ⎪

⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛=δ 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 Q m

dh δ1

=

则气体的定压比热容可以表示为：

()

1221

t t m Q c p t t pm

-=

kJ/kg •℃

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

式中a 、b 、e 等是与气体性质有关的常数。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，假定在0-300℃之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：

bt a c p +=

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 ⎰+=2

1

由1t 加热到2t 的平均定压比热容则可表示为：

()2

2

11

22

1

2

1

t t b

a t t dt

bt a c

t t t t pm ++=-+=

⎰ 若以（t 1+t 2）/2为横坐标，21

t t pm

c 为纵坐标（如下图所示），则可根据不同温度范围的

平均比热确定截距a 和斜率b,从而得出比热随温度变化的计算式bt a +。

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下式计算：

()dt t m Q t t w w ⎰+=2

10001172.0844.1

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)(')(2

1

t t m m Q Q t t m m Q c

w w p w p

t t pm ---=

--=

式中：'p Q ——为湿空气气流的吸热量。

三、实验装置

图1

图 2

1、整个实验装置由风机，流量计，比热仪本体，电功率调节及测量系统共四部分组成，如图1所示。

2、比热仪本体如图2所示。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1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、实验方法及数据处理

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、摘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（t0）和湿球温度（tw ）。

3、将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电压，使出口温度升高至预计温度[可以根据下式预先估计所需电功率：W ≈12Δt/τ。式中W 为电功率（瓦）；Δt 为进出口温度差（℃）；τ为每流过10升空气所需时

间（秒）]。

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：每10升气体通过流量计所需时间（τ，秒）；比热仪进口温度（t1, ℃）和出口温度（t2, ℃）；当时大气压力（B ，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh ，毫米水柱）；电热器的电压（V ，伏）和电流（I ，毫安）。

5、据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿量（d ，克/公斤干空气）,并计算出水蒸汽的容积成分w 。

6、电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和毫安表采用图一所示的接法，则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为RmA 欧，则可得电热器单位时间放出的热量为

'

p Q 。

7、水蒸气和干空气质量流量的计算，可按理想气体处理。

五、注意事项

1、切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。

2、电加热器输入电压不得超过220V ，气体出口温度不得超过300℃。

3、加热和冷却缓慢进行，以防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而破损；加热时要先启动风机，再缓慢提高加热器功率，停止试验时应先切断电加热器电源，让风机继续运

行10至20分钟。

4、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。

六、实验报告

1、简述实验原理和仪器构成原理。

2、列表给出所有原始数据记录。

3、列表给出实验结果（数据处理，要附有例证）。

4、与下述经验方程比较

)/()100

(

1087268.4100

(1002402.41076019.102319.13

42

34K kg KJ T T T C p ⋅⨯-⨯+⨯-=---）

其中：T 为空气的绝对温度，K 。

5、分析造成实验误差的各种原因，提出改进方案；

七、思考题

1、在本实验中，如何实现绝热？

2、气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流网、旋流片和混流网的作用？

3、尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施，但散热是不可避免的。不难理解，在这套装置中散热主要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供一种实验方法（仍利用现有设备）来消除散热给实验带来的误差？