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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t（1）pdqct当式（1）的温度间隔 为无限小时， 即为某一温度 时气体的真实定压比热（由于气体的pct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 的函数关系，温度由 至 的过程中所需要的热量即可按下式求得：pcft1t2（2）2211()dpqcdta
2、bctL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：（3）pcabt则温度由 至 的过程中所需要的热量可表示为：1t2（4）21dtqt由 加热到 的平均定压比热容则可表示为：1t2t（5）212 12ttpabttc实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度 加热到 时，其中水蒸气的吸热量可1t2t用式（4）计算，其中 ， ，则水蒸气的吸热量为：.83a0.3b21w1dtQmt（6）2211.56kJ/stt 式中： 气流中水蒸气质量，kg/s。wm则干空气的平均定压比热容由下式确定：（7）2
3、1 ww2121()()pptpmQQctmt式中： 为湿空气气流的吸热量。pQ实验装置中采用电加热的方法加热气流，由于存在热辐射，不可避免地有一部分热量散失于环境，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 和 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1t2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流量分别为 和 ，加热器的加热量分别为 和 ，辐射散热量为 ，则达到稳定状况后可以得到1m2 1Q2Q如下的热平衡关系： 1w11w21w()p pmQct222 2两式相减消去
4、 项，得到：（8）2112w121kJ/(g)tpmQct三、实验装置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（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计） 、电加热器 3、
5、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。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- 混流网四、实验数据处理方法实验中需要测定干空气的质量流量 、水蒸气的m质量流量 、电加热器的加热量（即气流吸热量）wm和气流温度等数据，测定方法如下：pQ1.干空气的质量流量 和水蒸气的质量流量 w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
6、流量值附近，测定流量计出口的气流温度 （由流量计上的温度计测量）和相对湿0t度 。根据 与 值，由湿空气的焓湿图确定含湿量，并计算出水蒸气的容积成分 ：wy（9）w/621dy于是，气流中水蒸气的分压力为（10）wp式中： 流量计中湿空气的绝对压力，Pa：（11）109.8Bh式中： 当地大气压，kPa；由大气压力计读取。流量计上 U 型管压力计读数， mm 水柱；h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 以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下：（12）w0(/)kg/spVmRT式中： 水蒸气的气体常数： （13）w461J/(kgK
7、)R绝对温度，K。0干空气的质量流量计算如下：（14）g0/k/spVmRT干空气的气体常数： （15）287J/(kgK)R2.电加热器的加热量 pQ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。（16）pp3.6kJ/h式中： 功率表读数，W；p3.气流温度气流在加热前的温度 为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度 由比热容测定仪上的1t 2t温度计测量。五、实验步骤1. 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0t球温度 。wt2. 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：
8、，式中：W 为电功率（W） ， 为进出口温差（） ， 为p12Qtt每流过 10 升空气所需的时间（s） 。3. 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：1) 10 升气体通过流量计所需时间 （s） ；2) 比热仪进口温度 t1（）和出口温度 t2（） ；3) 大气压力计读数 B（kPa） ，流量计中气体表压 （mmH 2O） ；h4) 电热器的功率 Qp（W ） 。4. 根据流量计出口空气的干球温度 和湿球温度 确定空气的相对湿度 ，根据 和干球温度0twt 从湿空气的焓湿图（工程热力学附图）中查出含湿量 （g/kg 干空气） 。 d5.
9、 每小时通过实验装置空气流量：（17）36/mhV将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式：（18）wg019.8136/kg/h275yBht6. 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：（19）w019.836/kg/h465271yBhmt六、计算实例某一稳定工况实测参数如下：8， 7.8， 8， 99.727kPa， 8， 240.3，0twtftB1t2t69.96s/10L， 16mmH 2O 柱， 41.842W ，由 ， 查焓湿图得 94% ， 6.3g/kghpQ0wd干空气 。计算如下：1. 水蒸气的容积成分：代入式（9） ，得 =0.010
10、027w6.3/12y2. 电加热器单位时间放出的热量：代入式（16） ，得 kJ/hpp.418250.63Q3. 干空气质量流量：代入式（18） ，得kg/hg10.27109.72.8163/9.835m 0.63484. 水蒸气质量流量：代入式（19） ，得kg/hw0.12709.27.8136/9.465m 0.3755. 水蒸气吸收的热量为：1.728 kJ/h42w0.3971.820.31.56.8Q 则干空气的平均定压比热容为：kJ/h240.3pm85.6.724038c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（
11、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？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、注意事项1. 在空气未流通的情况下，电加热
12、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。3. 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） 。实验 圆球法测定粒状材料导热系数一、实验目的1. 掌握在稳态条件下，用圆球法测粒状材料导热系数的基本原理和方法以及实验装置的结构；2. 加深对傅立叶定律的理解，巩固所学热传导的理论；3. 学会使用电位差计。二、实验原理两个直径不同的薄壁空心圆球，同心放置，两球之间充满一定
13、密度、需要测定的粒状材料，内球的内部装有一个电加热器，通电加热时，其产生的热量 Q 将沿着圆球表面的法线方向通过颗粒状材料向外传递。假定内球壁面温度为 t1，外球壁面温度为 t2，球面各点温度均匀，且 t1 t2，当加热时间足够长、温度不随时间变化时，说明装置已达到稳定状态，根据球坐标下的稳定导热傅立叶定律有：（1）2dd4ttQAr对于大多数材料来说，在一狭窄的温度范围内（约几十度）可以认为导热系数 随温度 作直t线变化，即：（2）0(1)bt式中： 在 0时材料的导热系数；W/mb比例常数。将式（2）代入式（1） ，得：（3）20d(1)4tQbtr分离变数后积分： 20tC当 ， 时，1
14、r1t114tr当 ， 时，22t202bQt从上两式消去 C 得： ，可得到球体处于稳定导热时，傅立112012()()()4tt r叶定律的积分形式：（4）ar12()tQd即 （5）12ar()t式中： ，1200arartbb12rt从式（4）可看出，只需测出球内外径 d1、d 2，热流 Q 及球内外表面温度 t1、t 2 即可得到 。ar若要求解温度系数 b，可采用调节加热功率的方法，在另一个加热工况下测定 t1、t 2，求得另一个 tar，利用式（ 2）有 ， 可得比例常数 b 的表达式：101()ararbt202(1)ararbt（6）2arrarbtt三、实验装置如图示：装置
15、的主体由两个壁很薄的空心同心铜质球组成，内球直径 d1 为 80 mm，外球直径d2 为 160mm，内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（粒状物体） ，当全体系达到稳定后，由电加热器产生的热量 Q 将全部通过中间粒状物质面传给外球表面，然后再通过外球表面传给周围的空气。图 1 圆球法导热系数测量装置结构示意图图上内球表面装有三个热电偶，对应测温点 t1t 6 分别为三个热电偶测外球表面的温度。四、实验步骤1. 将电位差计、电流表、电压表，按图接好。2. 检查无误后，闭合电路加热，并调整到所需功率，每隔 5 分钟记录一次，待全体系达到稳定后，即内外球表面的温度不再改变时，取得后三次数据的平均值进行计算。3. 改变加热电压，重复上述试验。五、实验报告1. 简述球体法的实验原理，你认为达到该原理所要求的条件最关键部分是什么？2. 简述实验装置的结构原理（包括实验装置系统图） 。3. 给出所有测量仪表的原始数据记录，记下各个仪表的精度等级。4. 计算材料的导热系数，整理实验结果。表 1 实验数据记录表1t2t3tint4t5t6tout加热功率次数 mV mV mV
