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1、工程热力学实验指导书实验一 空气定压比热容测定 一、实验目的 1.增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，了解气体比热容测定的基本原理和构思。 2.学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。 3.学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。 二、实验原理 由热力学可知，气体定压比热容的定义式为 cp=(h)p T在没有对外界作功的气体定压流动过程中，dh=为 dQpM, 此时气体的定压比热容可表示cp=1Qp MT当气体在此定压过程中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定 cpmt2t1=QpM(t2-t
2、1) (kJ/kg) (3) 式中，M 气体的质量流量，kg/s; Qp气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。 大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t1被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。如果计算干空气的比热容，必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。 低压气体的比热容通常用温度的多项式表示，例如空气比热容的实验关系式为 cp=1.02319-1.7601910-4T+4.0240210-7T2-4.8726810-16T3(kJ/kgK) 式中T为绝对温度，单位为K。该式可用于250600K范围的空气，平均偏差
3、为0.03%，最大偏差为0.28%。 在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的，即可近似的表示为 cp=A+Bt 由t1加热到t2的平均定压比热容则为 ct2pmt1=t2t1A+Btt+tdt=A+B12=A+Btm (5) t2-t12这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度t m = ( t 1 + t 2 ) / 2时的定压比热容。因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度t m i下测出其定压比热容c p m i ，然后根据最小二乘法原理，确定 1 tA=mi2cpmitmi-cpmitmi(tmi)-nt2pmi22mi B=tc(t)mimi-nt-
4、ntmicpmi2mi从而便可得到比热容的实验关系式。 三、实验设备 图 1 实验装置图 1.整个实验装置由风机、流量计、测试比热容仪器本体、电功率调节系统及测量系统共四部分组成，如图1所示。 2.比热容仪器本体由图2所示。 3.空气由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电加热器的电压调节。 4.该比热容仪可测量300以下气体的定压比热容。 2 图 2 比热容仪本体图 四、实验步骤 1.按图1所示接好电源线和测量仪表。经指导教师认可后接通电源，将选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。 2.小心取下流量计上的温度计。开动风
5、机，调节流阀，使流量保持在预定值附近，测出流量计出口处的干球温度t a和湿球温度t w。 3.将温度计放回原位。调节流量，使它保持在预定值附近。调节电压，开始加热。 3 4.待出口温度稳定后，即可采集实验数据。需采集的数据有： (1)每10升气体通过流量计时所需的时间； (2)比热容仪进口温度 t 1 与出口温度 t 2 ； (3)当时大气压力B 和流量计出口处的表压力h ； (4)电加热器的电压U 和电流 I ( A )； 5.改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤4。在允许的时间内可多做几次实验。 将上述实验数据填入所列的原始数据表中。 五、计算公式 1.根据流量计出口处空气的
6、干球温度 t a和湿球温度 t w，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d (g水蒸汽 / kg干空气)，计算出水蒸汽的容积成分r w rw=d/6221+d/6222.电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电流表的内耗。如电压表和电流表采用图1所示的接法，则应扣除电流表的内耗。设电流表的内阻为RmA()，则可得电加热器单位时间放出的热量 Q=(UI-0.001RmAI2)10-3 kJ/s 3.干空气流量为 Mg=pgVRgTa(1-rw)(B+Dh/13.6)133.320.01/t kg/s 287(ta+273.15)=4.64510
7、-3(1-rw)(B+Dh/13.6)=t(ta+273.15)4.水蒸汽流量为 Mw=pwVRwTarw(B+Dh/13.6)133.320.01/t kg/s 461.5(ta+273.15)=2.88910-3rw(B+Dh/13.6)=t(ta+273.15)5.水蒸汽吸热量为 t2Qw=Mw(1.844+0.0004886t)dtt1=Mw1.844(t2-t1)+0.0002443(t-t)6.干空气吸热量为 2221 kJ/s Qg=Q-Qw 4 7. 计算举例 假定某一稳定工况的实测参数如下： t0=8； tw=7.5； B=748.0毫米汞柱 t1=8； t2=240.3；
8、=69.96 秒/10升； h=16 毫米水柱; W=41.84瓦 查焓湿图得 d=6.3克/公斤干空气 rw=&=Q6.3/622=0.0100271+6.3/622 41.84=9.993810-334.186810千卡/秒 -34.644710(1-0.010027)(748+16/13.6)&= G=175.1410-6g69.96(8+273.15) 公斤/秒 2.888910-30.010027(748+16/13.6)& Gw=1.103310-669.96(8+273.15) 公斤/秒 2-3&=1.103310-60.4404Q(240.3-8)+0.00005835(240
9、.3-8)=0.116610w千卡/秒 C0mt2t19.993810-3-0.116610-3=0.2428175.1410-6(240.3-8) 千卡/ 六、 比热随温度的变化关系 假定在0300之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，则由t1到t2的平均比热为： C0mt2t1=t2t1(a+bt)dtt2-t1=a+bC0mt2t1t2+t12 因此，若以 t2+t12为横坐标， 为纵坐标，则可根据不同的温度范围内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。 C0m2大卡/公斤t1+t225 图 三 七、实验报告要求 1.简述实验原理，简介实验装置和测量系
10、统并画出简图。 2.实验原始数据记录表，计算过程及计算结果。 3.将实验结果表示在c pm t m 的坐标图上，用和式确定A、B，确定平均定压比热容与平均温度的关系式和定压比热容与温度的关系式。 4.对实验结果进行分析和讨论。 八、注意事项 1.切勿在无气流通过的情况下使加热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热容仪本体。 2.输入加热器的电压不得超过220伏，气体出口最高温度不得超过300。 3.加热和冷却要缓慢进行，防止比热容仪本体和温度计因温度骤升或骤降而损坏。 4.停止实验时，应先切断电加热器，让风机继续工作十五分钟左右。 九、思考题 1.如何在实验方法上考虑消除电加热器热损失的影响？
11、 2.用你的实验结果说明加热器的热损失对实验结果的影响怎样？ 3.测定湿空气的干、湿球温度时，为什么要在湿式流量计的出口处而不在大气中测量？ 4.在本装置中，如把湿式流量计连接位置改在比热容仪器的出口处，是否合理？ 6 实验二 二氧化碳pvT关系测定及临界状态观察 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，学会用实验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
12、-v-t关系。在p-v坐标系中绘出低于临界温度、临界温度和高于临界温度的三条等温曲线，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 临界状态附近气液两相模糊的现象。 气液整体相变现象。 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。 三、实验设备及原理 整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成。 图一 试验台系统图 7 图二 试验台本体 试验台本体如图二所示。其中1高压容
13、器；2玻璃杯；3压力机；4水银；5密封填料；6填料压盖；7恒温水套；8承压玻璃杯；9CO2空间；10温度计。、 对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、v、t之间有： F(p,v,t)=0 或t=f(p,v) 本实验就是根据式，采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。 实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。 实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温水
14、套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。 四、实验步骤 1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。 2、恒温器准备及温度调节： 、把水注入恒温器内，至离盖3050mm。检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。 、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。 、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。 8 、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时，则可认为承压玻璃管内的CO2的
15、温度处于设定的温度。 、当所需要改变实验温度时，重复即可。 注：当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。 3、加压前的准备： 因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下： 关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。 摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。 先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。 摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数
16、为止。 再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。若均已调定后，即可进行实验。 4、作好实验的原始记录： 设备数据记录： 仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。 常规数据记录： 室温、大气压、实验环境情况等。 测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容n与其高度是一种线性关系。具体方法如下： a）已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容n=0.00117M3。 b）实际测定实验台在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0。 Dh0A=0.00117m3/kgc）n=m Dh0m=K(kg/m2)
17、 A0.00117 其中：K即为玻璃管内CO2的质面比常数。 所以，任意温度、压力下CO2的比容为： n=DhDh=m/AK 式中，h=h-h0 h任意温度、压力下水银柱高度。 h0承压玻璃管内径顶端刻度。 5、测定低于临界温度t=20时的等温线。 将恒温器调定在t=20，并保持恒温。 压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。 按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。 注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表
18、1。 测定t=25、27时其饱和温度和饱和压力的对应关系。 6、测定临界参数，并观察临界现象。 按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容nc，并将数据填入表1。 观察临界现象。 a）整体相变现象 9 由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。 b）汽、液两相模糊不清的现象 处于临界点的CO2具有共同参数，因而不能区别此时CO2是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液
19、体，那么，这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界
20、状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。 7、测定高于临界温度t=50时的定温线。将数据填入原始记录表1。 五、实验结果处理和分析 1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。 2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。 3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。 CO2等温实验原始记录 表1 t=20 p (Mpa) h v= h/K t=31.1 v= 现p 现h h/K 象 象 (Mpa) t=50 p h (Mpa) v= h/K 现象 进行等温线实验所需时间 分钟 分钟 分钟 10 图三 标准曲线 11 4、将实验测定的临界比容nc与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。 临界比容Vcm3/Kg 表2 标准值 0.00216 实验值 Vc=RTc/Pc Vc=3/8(RTc/Pc） 12
