工程热力学实验指导书 - 教育文库 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，促进理论联络实际，理解气体比热容测定的根本原理和构思 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) 〔1〕 ?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?1?Q〔2〕 M?T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?t1) (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，这局部热量要根据湿空气的相对湿度来确定假如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局部热量，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?1.76019?10?4T?4.02402?10?7T2?4.87268?10?16T3(kJ/kgK) 式中T为绝对温度，单位为K。
该式可用于250～600K范围的空气，平均偏向为0.03%，最大偏向为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 〔4〕 由t1加热到t2的平均定压比热容那么为 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 t?A?mi2cpmi?tmi-cpmi?tmi(?tmi)?n?t2pmi22mi 〔6〕 B-t?c(?t)mimi?n?t?n?tmicpmi2mi 〔7〕 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局部组成，如图1所示 2.比热容仪器本体由图2所示。
3.空气〔或其它气体〕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所示接好电线和测量仪表经指导老师认可后接通电，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，开场加热〔加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可根据关系式Q =K 12 Δt /τ进展估算，式中Q为加热功率，W；Δt为比热容仪本体进出口温度差，℃；τ为每流过10升空气所需要的时间, s；K为设备修正系数 〕 3 4.待出口温度稳定后〔出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定〕，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τ〔s〕； (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 〔mmHg〕 和流量计出口处的表压力Δh 〔mmH2O〕； (4)电加热器的电压U 〔V〕 和电流 I ( A )； 5.改变电压，使出口温度改变并到达新的预定值，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φ，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/622 1?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，那么应扣除电流表的内耗设电流表的内阻为RmA(Ω)，那么可得电加热器单位时间放出的热量 Q?(U?I?0.001RmAI2)?10?3 kJ/s 3.干空气流量为 Mg?pgVRgTa(1?rw)(B-h/13.6)?133.32?0.01/? kg/s 287(ta?273.15)?4.645?10?3(1?rw)(B-h/13.6)-(ta?273.15)4.水蒸汽流量为 Mw?pwVRwTarw(B-h/13.6)?133.32?0.01/? kg/s 461.5(ta?273.15)?2.889?10?3rw(B-h/13.6)-(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℃； τ=69.96 秒/10升； Δh=16 毫米水柱; W=41.84瓦 查焓湿图得 d=6.3克/公斤干空气〔相对湿度?=94%〕 rw-?Q6.3/622?0.0100271?6.3/622 41.84?9.9938?10?334.1868?10千卡/秒 ?34.6447?10(1?0.010027)(748?16/13.6)-?G?175.14?10?6g69.96(8?273.15) 公斤/秒 2.8889?10?3?0.010027(748?16/13.6)-Gw-1.1033?10?669.96(8?273.15) 公斤/秒 2?3-1.1033?10?6[0.4404Q(240.3?8)?0.00005835(240.3?8)?0.1166?10w千卡/秒 C0mt2t19.9938?10?3?0.1166?10?3-0.2428175.14?10?6(240.3?8) 千卡/〔公斤·℃〕 六、 比热随温度的变化关系 假定在0—300℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，那么由t1到t2的平均比热为： C0mt2t1-t2t1(a?bt)dtt2?t1?a?bC0mt2t1 t2?t12 因此，假设以 t2?t12为横坐标， 为纵坐标〔如图三〕，那么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+t2℃2 5 第 页 共 页。