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1、工程热力学试验指 导 书福州大学化学化工学院2023 年 11 月试验 1气体定压比热容测定试验一、试验目的1、了解气体比热测定装置的根本原理和构思；2、生疏本试验中温度、压力、电加热功率、流量的测量方法；3、把握由根本数据计算出定压比热容值和拟合比热容公式的方法；4、分析本试验产生误差的缘由及减小误差的可能途径。二、试验原理依据气体平均比定压热容的定义，当气体在定压加热过程中温度由 t1 升为 t2时，气体的定压比热容可以表示为：Qct2 =( p)kJ/kg1mt1p t- t21式中： m 湿空气的质量流量，kg/s；Q湿空气在定压加热过程中的吸热量，kJ/s。p由于气体的实际定压比热是
2、随温度的上升而增大，它是温度的简单函数。试验说明，抱负气体的比热与温度之间的函数关系甚为简单，但总可表达为：c= a + bt + et 2 +2p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试验关系式：c= 1.02319 -1.7601910-4 T + 4.0240210-7 T 2 - 4.8726810-10 T 3pkJ/kgK式中： T 确定温度，K。该式适用于 250600K，平均偏差为 0.03%，最大偏差为 0.28%。由于比热随温度的上升而增大，所以在给出比热的数值时，必需同时指明是那个温度下的比热。依据定压比热的定义，气体在t 时的定压比热等于
3、气体自温度t 上升到t + dt 时所需热量dq 除以dt ，即：c= dqpdt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。假设已得出3c = f (t )的函数关系，温度由t 至t12的过程中所需要的热量即可按下式求得：22 ()q = c1dt = a + bt + et 2 +dtp1用逐项积分来求热量格外繁复。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：c= a + btp则温度由t 至t 的过程中所需要的热量可表示为：12q = t2 (a + bt )dtt1由t 加热到t 的平均定压比热容则可表示为：12t
4、t2 (a + bt )dt+ t34ct2 = t= a + b 1215t1p t- t221大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度 t 加热到t 时，其中水蒸12气的吸热量可用式4计算，其中 a = 1.833 ， b = 0.0003111 ，则水蒸气的吸热量为：(Q= mt2 (1.833 + 0.0003111t )dt1ww t)= m1.833(tw2- t )+ 0.0001556 t 212- t 21kJ/s6式中： m气流中水蒸气质量，kg/s。w则干空气的平均定压比热容由下式确定：QQ - Qct2 =(p()=p( w)7pm t1m - m ) t- tw2
5、1(m - m ) t- tw21式中： Qp”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，不行避开地因热辐射而有一局部散失于环境。这项散热量的大小打算于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况一样，散热量也一样。因此，在保持气流加热前的温度仍为t1 和加热后温度仍为t2 的条件下，当承受不同的质量流量和加热量进展重复测定时，每次的散热量当是一样的。于是，可在测定结果中消退这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为 m 和m12，加热器的加热量分别为 Q 和Q12，辐射散热量为DQ ，则到达稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：Q= Q+ Q1p1w1+ DQ = (m1-
6、 m)c(tw1pm2- t )+ Q1w1+ DQQ= Q+ Q+ DQ = (m- m)c(t- t )+ Q+ DQ2p 2w22w2pm21w2两式相减消去DQ 项，得到mmm(Q - Q)- (Q- Q)ct2pm t1= (m - 1-2+ w12)(w)t- tkJ/kg8三、试验设备12w1w221试验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计，比热仪本体、电工率调整测量系统共四局部组成，试验装置系统如图 1 所示。图 1-1 测定空气定压比热容的全套装置系统1-调整阀；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-风机装置中承受湿式流量计测定气流流量。流量计
7、出口的恒温槽 2 用以掌握测定仪器出口气流的温度。装置可以承受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。气流流量用调整阀 3 调整。比热容测定仪本体图 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。图 2-2 比热容测定仪构造原理图1-进口温度计；2-多层杜瓦瓶；3-
8、电加热器；4-均流网；5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网；8-出口温度计四、试验方法及数据处理试验中需要测定干空气的质量流量m 、水蒸气的质量流量 mw、电加热器的加热量即气流吸热量 Q ”和气流温度等数据，测定方法如下：p51、干空气的质量流量 m 和水蒸气的质量流量 mw电加热器不投入，摘下流量计出口与恒温槽连接的橡皮管，把气流流量调整到试验流量值四周，测定流量计出口的气流温度t 由流量计上的温度计测量0和相对湿度j 。依据t0 与j值由湿空气的焓-湿图确定含湿量 d (g/kg)，并计算出10y水蒸气的容积成分 ：wy=d / 622w1 + d / 6229于是，气流中水蒸气的分压力为
9、：p= ypN/m2ww式中：p流量计中湿空气确实定压力Pa：10p = 10B1+ 9.81Dh11式中：B1当地大气压，kPa；由数字式压力计读出。Dh 流量计上压力表U 型管读数，mmH2O 柱；接上橡皮管，开头加热。当试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t s，以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下：p (V /t )m=wkg/s12式中： RwwR Tw 0水蒸气的气体常数：R= 461J/kgKwT 确定温度，K。干空气的质量流量计算如下：013p (V /t )m=g gRT0kg/s14R 干空气的气体常数： R = 287J/kgK152、
10、电加热器的加热量Qp电热器消耗功率可由瓦特表读出瓦特表读数方法见瓦特表说明书：Q = 3.6QppkJ/h16式中：Qp瓦特表读数，W；3、气流温度气流在加热前的温度 t1 和加热后的温度 t2 由比热容测定仪上的温度计测量。试验时，依据选定的气流初始温度t1 和加热温度 t2 的变化范围及变化间隔，t1 用恒温槽调整，t2 由电加热器调整。五、试验步骤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。w2、取下流量计上的温度计，开动风机，调整节流阀，使流量保持在额定值四周。测出流量计出口空气的干球温度 t0 和湿球温度 t 。3、将温度计插回流量计，重调整流量，使它保持在额定值
11、四周，渐渐提高电压，使出口温度计读数上升到估量温度。可依据下式预先估量所需电功率：Dtw = 12t,式中： w 为电功率W， Dt 为进出口温差，t 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，读出以下数据：a） 10 升气体通过流量计所需时间t s；b） 比热仪进口温度 t1；出口温度 t2；12c） 大气压力计读数 B kPa，流量计中气体表压DhmmH O；d） 电热器的功率 QpW。0w5、依据流量计出口空气的干球温度 t 和湿球温度 t确定空气的相对湿度j， 依据j和干球温度从湿空气的焓-湿图工程热力学附图中查出
12、含湿量 dg/kg 干空气。6、每小时通过试验装置空气流量：V = 36 / tm3/h17 式中：t 每 10 升空气流过所需时间，s；将各量代入式14并统一单位可以得出干空气质量流量的计算式：(1 - y)(1000B + 9.81Dh) (36 /t )m=g7、水蒸气的流量：w287(t 1 + 273.15)0kg/h18将各量代入式12并统一单位可以得出水蒸气质量流量的计算式：y(1000B + 9.81Dh) (36 /t )m=w1 ()kg/h19六、计算实例w461.5 t0+ 273.15某一稳定工况实测参数如下：t0=8，tw=7.8，tf=8，Bt=99.727kPa
13、, t1=8，t2=240.3,t=69.96s/10 升，Dh = 16mmH2O 柱，Qp=41.842W，由 t0，tw 查焓-湿图得j =94%，d=6.3g/kg 干空气。计算如下：1、水蒸气的容积成分：代入式9y=w6.3 / 6221 + 6.3 / 622=0.0100272、电加热器单位时间放出的热量：代入式16 Qp3、干空气质量流量：= 3.6 Qp= 3.6 41.842 = 150.632kJ/h代入式18m=g(1 - 0.010027) (1000 99.727 + 9.81)16 36 / 69.96287(8 + 273.15)= 0.6 3 0 4 8 kg
14、/h4、水蒸气质量流量：0.010027(1000 99.727 + 9.81) 36 / 69.96代入式19m=w461.5(8 + 273.15)= 0.0 0 3 9 7 5 5kg/h5、水蒸气吸取的热量为：()()Q= 0.00397551.833 240.3 - 8w+ 1.556 10-4 240.32 - 82= 1.728kJ/h则干空气的平均定压比热容为：150.632 - 1.728c240.3pm 8= 0.63048(240.3 - 8) = 1.0167kJ/h七、试验留意事项1、电热器不应在无气流通过状况下投入工作，以免损害比热仪本体。2、输入电热器电压不得超过
15、 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展，防止温度计比热仪本体因温度突然变化和受热不均匀而裂开。4、停顿试验时，应先切断电热器电源，让风机连续运行15 分钟左右温度较低时，时间可适当缩短。5、试验测定时，必需确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。八、试验报告1、简述试验目的、原理、仪器构成原理、试验步骤。2、列表给出全部原始数据记录。3、列表给出试验结果数据处理要附有计算过程。4、与下述阅历方程比较：TC= 1.02319 - 1.76019 10-4 T + 4.02402 10-3 (pT2100- 4.87268 10-4 (100)3 KJ /(kg
16、 K )其中：T 为空气确实定温度，K。5、分析造成试验误差的各种缘由，提出改进方案；九、思考题1、在本试验中，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、尽管在本试验装置中承受了良好的绝热措施，但散热是不行避开的。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。你能否供给一种试验方法仍利用现有设备来消退散热给试验带来的误差？试验 2空气比热容比测定一、试验目的1、测量空气定压比热容与定容比热容之比。2、观测热力学过程中空气状态变化的根本规律。3、学习用传感器准确测量气体压强和温度的原理和方法。二、试
17、验原理气体的定压比热容c 定容比热容c 之比称为气体的比热容比，用符号k 表示，pv它被称为气体的绝热系数，是一个很重要的参量，常常消灭在热力学方程中。通过测量 k，可以加深对绝热、定容、定压、等温等热力学过程的理解。如图 1 所示，以贮气瓶内的气体作为争论对象进展如下试验过程：1、首先翻开放气阀 A，贮气瓶与大气相通，再关闭 A，瓶内布满与四周空气同温设为T 同压设为 P00的气体。2、翻开充气阀 B，用充气球向瓶内打气， 充入肯定量的气体，然后关闭充气阀 B。此时瓶内空气被压缩，压强增大，温度上升。等待内部气体温度稳定，即到达与四周温度平衡，此时的气体处于状态 I P ,V ,T 。110
18、3、快速翻开放气阀 A，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至P0时，马上关闭放气图 1试验装置简图阀 A，将有体积为V 的气体喷泻出贮气瓶。由于放气过程较快，瓶内保存的气体来不及与外界进展热交换，可以认为是一个绝热膨胀的过程。在此过程后瓶中的气体由状态 I P ,V ,T 转变为状态 II P ,V , T 。V 为贮气瓶容积，V 为11002121保存在瓶中这局部气体在状态 I P ,T时的体积。104、由于瓶内气体温度T 低于室温T，所以瓶内气体渐渐从外界吸热，直至10到达室温T0为止，此时瓶内气体压强也随之增大为 P2。则稳定后的气体状态为III P2,V , T20。从状态 II状态
19、III 的过程可以看作是一个等容吸热的过程。由状态 IIIIII 的过程如图 2 所示。图 2气体状态变化 P-V 图III 是绝热过程，由绝热过程方程得P Vg =P Vg11102状态 I 和状态 III 的温度均为 T ，由气体状态方程得0P V =P V21122由式1、式2消去 V 、V 得12gl nP -l nPl nP( P)=10 =103l nP -l nP12l nP( P)12由式3可以看出，只要测得 P、 P 、 P就可求得空气的绝热指数 k。012IV假设由于环境的温度的变化我们测量到状态 P ，V ，T ，我们可以把322220状态 IV 转化到状态 IIIP ，
20、V ，T ，由于状态 IV状态 III 是等容过程，由等容过程方程知：PT 2 = 0PT32三、试验仪器1、空气比热容比测定仪本试验承受的 THQBR-1 型空气比热容比测定仪由集中硅压力传感器、AD590 集成温度传感器、电源、容积为L 毫升的玻璃瓶、打气球及导线等组成。如图 3 所示。图 3THQBR-1 型空气比热容比测定仪转换公式为：P =P +U/L(4)102、气压计该气压计用来观测环境气压。3、水银温度计用来观测环境温度。四、试验步骤1、接好仪器电路，开启电源，预热 20 分钟，然后调零。2、把活塞 A 关闭，活塞 B 翻开，用充气球缓慢的将肯定量的气体压入贮气瓶内并关闭 B，
21、等气体稳定后记录瓶内的压强 P1 和温度 T0。3、突然翻开 A，当贮气瓶的空气压强降低到环境大气压强 P0 时放气声音消逝时，快速关闭活塞 A。4、当贮气瓶内的温度和环境温度平衡时记录瓶内气体的压强 P2。5、用公式3进展计算，求得空气的比热容比r 的值，并与准确值做比较。pv空气 k 的准确值： c =1.0032kJ/kg.，c =0.7106kJ/kg.， 1.412。6、重复步骤 24，重复测量三次，比较屡次测量中气体的状态变化有何异同， 并计算三次测量的平均 k 值。五、数据处理P (105Pa)0P (mV)1T / (mV)1P (mV)2T / (mV)2P1P2r说明：表中
22、已P 、P 分别为绝热压缩过程和等容吸热过程气体压强的增量，试验时12先按直流数字电压表测得值记录单位为 mV，试验计算中再由换算因子 200(mV)相当于0.1105Pa 将之化为压强值单位 Pa，枯燥空气绝热指数理论值 1.4020六、留意事项1、试验在翻开活塞C2 放气时，当听到放气声完毕应快速关闭活塞，提早或推迟关闭活塞 C2 都将影响试验要求。由于数字电压表有滞后性，经过屡次试验测量，放气时间约为零点几秒，与放气声音消逝根本全都，所以关闭活塞用听声音更牢靠。2、试验要求环境温度根本保持不变。假设环境的温度发生了比较大的变化， 可以先转化到与状态 I 一样的温度在进展计算。3、压力传感器与主机要配套使用，仪器之间不行相互换用。4、密封装配后必需等胶水变干且不漏气，方可做试验。5、橡胶管在插入玻璃管前可先沾水或者肥皂水，然后轻轻推入，以免玻璃管断裂。七、思考题1、该试验的误差来源主要有哪些？2、本次试验是用何种方法测量空气比热容比的？3、如何检查系统是否漏气？如有漏气，对试验结果有何影响？4、对该试验提出改进意见，或设计一套的试验方案。