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1、实验气体定压比热测定一、实验目的1 . 了解气体比热测定装置的基本原理和装置结构。2 .熟悉本实验中温度、压力、热量、流量的测量方法。3 .掌握由测量数据计算定压比热的方法。4 .分析本实验中误差产生的原因及减小误差的可能途径。二、实验原理根据定压比热的概念，气体在/时的定压比热表示为c）=蚂（1） dt当式（1）的温度间隔流为无限小时，Cp即为某一温度/时气体的真实定压比热（由于 气体的定压比热随温度的升高而增大，所以在给出定压比热的数值时，必须指明是哪个温度 下的定压比热）。如果已得出品=/（，）的函数关系，温度由4至的过程中所需要的热量即 可按下式求得：(2)9 = / C力=j (4
2、+4+)d/上式采用逐项积分来求热量十分复杂。在本实验的温度测量范围内（不高于300）,空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性，即可表示为: cp = a + bt空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性，即可表示为: cp = a + bt那么温度由4至的过程中所需要的热量可表示为:由;加热到，之的平均定压比热容那么可表示为:=- = ab(3)(4)(5)(6)(7)实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度乙加热到芍时，其中水蒸气的吸 热量可用式（4）计算，其中a = L833, Z7 = O.OOO3111,那么水蒸气的吸热量为：2w =mwj，2 （1.833+ 0.00
3、0311 k）dz=mw1.833(/2 4)+ 0.00015561)kJ/s式中：气流中水蒸气质量，kg/So那么干空气的平均定压比热容由下式确定：c ，一 QpQrQwpm （m-mw）（r2-r1）（加一%）（-1）式中：0为湿空气气流的吸热量。实验装置中采用电加热的方法加热气流，由于存在热辐射，不可防止地有一局部热量散 失于环境，其大小取决于仪器的温度状况。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、后的温度仍为4和，2的前提下，当采用不同的质量流量和加热量进 行重复测定时，每次的散热量是相同的。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
4、流量分别为班和根2,加热器的加热量分别为。和。2,辐射散热量 为八。，那么到达稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：Qi= QP + Qwi + a。=（叫一人wi ）。物 & 一。） + Qwi + AQ02 = Qp2 + Qw2 + AQ =（色mw2 ）Cpm （，2 4 ） + Qw2 + Q 两式相减消去AQ项，得到：kJ/（kg.）（8）r2 = （Qi -。2 ） - （Qwl - 0w2 ）（叫一加2 一根 wl + %2 ） （%2 - 4 ）三、实验装广实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节测量系统共四部 分组成，实验装置系统如图1所示。装置中采用湿
5、式流量计2测定气流流量，采用小型鼓风 机7作为气源设备，气流流量用节流阀1调整，电加热量使用调压变压器5进行调节，并用 功率表4测量。图1测定空气定压比热容的实验装置1-节流阀；2.流量计；3比热仪本体；4-功率表；5-调压变压器；6-稳压器；7-风机比热容测定仪本体（图2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、温度计1和8 （伯电阻温度计图2比热容测定仪结构原理图1、8-温度计；2-多层杜瓦瓶；3-电加热器；4-均流网；5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网(12)(13)mokg/s(14)或精度较高的水银温度计)、电加热器3、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，温度计1测量空气
6、进口初始温度, 离开电加热器的气体经均流网4均流均温，温度计8 测量出口温度。该比热仪可测300以下气体的定压 比热。四、实验数据处理方法实验中需要测定干空气的质量流量加、水蒸气的 质量流量“V、电加热器的加热量(即气流吸热量)2； 和气流温度等数据，测定方法如下：L干空气的质量流量m和水蒸气的质量流量首先，在不启动电加热器的情况下，通过节流阀 把气流流量调节到实验流量值附近，测定流量计出口 的气流温度才(由流量计上的温度计测量)和相对湿 度。根据1与0值，由湿空气的焰湿图确定含湿量, 并计算出水蒸气的容积成分居：d/622q以二 w 14-J/622于是，气流中水蒸气的分压力为Pw=XvP(
7、1。)式中：p流量计中湿空气的绝对压力，Pa：p = 10B + 9.81A/z(11)式中：8 当地大气压，kPa；由大气压力计读取。M一流量计上U型管压力计读数，mm水柱；调节变压器到适当的输出电压，开始加热。当实验工况稳定后，测定流量计每通过单位 体积气体所需要的时间r以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下:kg/s式中：R“水蒸气的气体常数：&=461 J/(kg.K)7；绝对温度，Ko干空气的质量流量计算如下：R干空气的气体常数：7? = 287 J/(kg - K)(15)2 .电加热器的加热量QJ电热器加热量可由功率表读出，功率表的读数方法详见说明书。Qp = 3.6Qp kJ/
8、h（16）式中：0P功率表读数，W；3 .气流温度气流在加热前的温度4为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度,2由比热容测定 仪上的温度计测量。五、实验步骤.启动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测量流量计出口空气的干球温度 %和湿球温度1 .启动调压变压器，调节到合适的电压，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：2 = 12加，式中：W为电功率（W）,加为进出口温 差（）, 7为每流过10升空气所需的时间（s）o.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 出以下数据：1） 10升气体通过流量计所需时间T （s）；2）
9、比热仪进口温度人（）和出口温度亥（）；3）大气压力计读数3 （kPa）,流量计中气体表压M （mmH2O）；4）电热器的功率Qp（W）。4 .根据流量计出口空气的干球温度环和湿球温度仆确定空气的相对湿度。，根据。和干球温度从湿空气的熔湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d （g/kg干空气）。5 .每小时通过实验装置空气流量：(17)(18)V = 36/t m3/h将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式:m =（-）（10008 + 9.8必明（36/7）g287（/0+273.15）&6 .水蒸气的流量：将各量代入式（12）可得出水蒸气质量流量的计算式:yw(1000B + 9.8
10、1A/?)x(36/r)461.5(/0 +273.15)kg/h(19)六、计算实例某一稳定工况实测参数如下:? =8, /w =7.8, t( =8, B=99.727kPa, r=8, z?=240.3, t =69.96s/10L,A/z = 16mmH2。柱，Qp =41.842W,由,九查烙湿图得0 =94%, d =6.3g/kg 干空气。计算如下：1 .水蒸气的容积成分：代入式（9）,得以=63/622 =ooioo271 + 6.3/6222 .电加热器单位时间放出的热量：代入式（16）,得=3.6乂乌=3.6x41.842 = 150.632 kJ/h3 .干空气质量流量：
11、代入式（18）,得mo mo =0.63048 kg/h(1-0.010027)X (1000 X 99.727 4- 9.81) x 16 x 36/69.96287(8 + 273.15)4 .水蒸气质量流量：代入式（19）,得0.010027(1000 x 99.727 + 9.81) x 36/69.96mw =；?=0.0039755 kg/h461.5(8 + 273.15)5 .水蒸气吸收的热量为：Qw = 0.00397551.833(240.3-8) + 1.556 x 10-4(240.32 -82)= 1.728 kJ/h那么干空气的平均定压比热容为:240.380.63
12、048(240.3-8)= 1.0167 kJ/h七、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）。八、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，但散热是不可防止的。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？4 .在本实验的温度测量范围内（不高于300）,空气的定压比热与温度的关系可近似 认为是线性，现在需要确定空气在室温到300的定压比热的非线性程度，请问可以 用怎样的实验手段实现？九、考前须知1 .在空气未流通的情况下，电加热器切勿工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。2 .输入电加热器电压不得超过220V,气体出口温度最高不得超过300 o.加热和冷却要缓慢进行，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15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。