实验 气体定压比热测定

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1、实验 气体定压比热测定、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t C时的定压比热表示为1）dq dt当式（1）的温度间隔dt为无限小时，）即为某一温度t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c = f （t）的函数关系，温度由t至t的过程中所需要的热量即 p12可按下式求得：dt =J2(a + bt

2、 + ct2 h)dt2)由t加热到t的平均定压比热容则可表示为:123)4)5)=mwQ =m J t2 (1.833 h 0.0003111t )dt w w t1.833(t -1 )+0.0001556( 2 12 句- 2 1 2 1 kJ/s6)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 300C），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c 二 a + btp则温度由t至t的过程中所需要的热量可表示为:12q = J f2 （a + bt ）dtJ t2 (a h bt )dtf2 =十t t21实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温

3、度加热到t时，其中水蒸气的吸 12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: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:cpmtt12QQ- QP7T = P-7-(m-m )(t -t )(m-m )(t -tw 2 1 w 2 1式中：Q为湿空气气流的吸热量。P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t的前提下，当采用不同的质量流量和加热量进 1

4、2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流量分别为m和m，加热器的加热量分别为Q和Q，辐射散热量1 2 1 2为AQ，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：Q = Q + Q +AQ = (m -m )c (t -1 )+ Q + AQ1 pl wl1w1 pm 21w1Q = Q + Q + AQ = (m -m )c (t -1 )+ Q + AQ2 p 2w22w2 pm 2 1w2两式相减消去AQ项，得到：cpm(Q -Q )-(Q -Q )2 =( 1 2 w1 )()(m 一 m 一 m + m )(t 一 t )1

5、2w1w2 21kJ/(kg C)(8)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、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

6、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300r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m、水蒸气的 质量流量m、电加热器的加热量（即气流吸热量）Qwp和气流温度等数据，测定方法如下：1. 干空气的质量流量m和水蒸气的质量流量mw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t （由流量计上的温度计测量）和相对湿 0度申。根据t与申值，由湿空气的焓湿图确定含湿量, 0并计算出水蒸气的容积成分y :wd/622y =w 1 + d /62

7、2于是，气流中水蒸气的分压力为p = y pww式中：p 流量计中湿空气的绝对压力，Pa：p = 10 B + 9.81Ah（11）式中：B 当地大气压，kPa；由大气压力计读取。Ah 流量计上U型管压力计读数，mm水柱；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(9)(10)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工以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下: m =摯kg/sw R Tw 0式中：R 水蒸气的气体常数：R = 461 J/（kg-K）wwT绝对温度

8、，Ko0干空气的质量流量计算如下：p（VIt）m =gkg/sg RT0R 干空气的气体常数：R = 287 J/（kg - K）(12)(13)(14)(15)2电加热器的加热量Q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。Q = 3.6Q kJ/h(16)pp式中：Q 功率表读数，W；p3.气流温度气流在加热前的温度 t 为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度 t 由比热容测定 12 仪上的温度计测量。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 t 和湿球温度 t 。0w2. 启动调压变压器，调节到合适的电压，使出口温度计读

9、数升高到预计温度。(可根据 下式预先估计所需电功率：Q = 12环，式中：W为电功率(W), &为进出口温P差(C), T为每流过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T (s)；2) 比热仪进口温度t1 (C)和出口温度t2 (C)；3) 大气压力计读数B (kPa),流量计中气体表压Ah (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t和湿球温度t确定空气的相对湿度申,根据申和干0w球温度从湿空气的焓湿图(工程热力学附图)中查出含湿量d

10、 (g/kg干空气)。17 )18 )5. 每小时通过实验装置空气流量：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：(1 -y )(1000B + 9.81Ah)x(36/t)287 (t + 273.15 )0m = wkg/hg6.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m=wy (1000B + 9.81Ah)x(36/t)wkg/h461.5 (t + 273.15 )019 )六、计算实例某一稳定工况实测参数如下：t =8C, t =7.8C, t =8C, B =99.727kPa, t =8C, t =240.3C, t

11、=69.96s/10L, 0wf12Ah =16mmH2O 柱，Q =41.842W，由 t , t 查焓湿图得申=94%, d =6.3g/kg 干空气计1.2.3.4.5.七、1.2.3.八、1.2.3.4.九、1.2.算如下：水蒸气的容积成分：代入式（9）,得 y = 6.3/622 =0.010027 w 1 + 6.3/622电加热器单位时间放出的热量：代入式（16）,得Q二 3.6xQ = 3.6x41.842 = 150.632 kJ/h pp干空气质量流量：代入式（18），得(1 - 0.010027)x (1000 x 99.727 + 9.81)x 16 x 36/ 69.

12、96m =g287(8 + 273.15 )二 0.63048 kg/h水蒸气质量流量：代入式（19），得m = 0.010027(1000X9727 + 981)x36/69.96 二 0.0039755w461.5(8 + 273.15 )kg/h水蒸气吸收的热量为：Q = 0.00397551.833(240.3 8)+1.556 x10-4 40.32 82 ”二 1.728 kJ/h w则干空气的平均定压比热容为：cpm240.3 =8150.632 -1.7280.63048(240.3 - 8)=1.0167 kJ/h实验报告简述实验原理和仪器构成原理。列表给出所有原始数据记录。

13、列表给出实验结果（数据处理，要附有例证）。思考题在本实验中，如何实现绝热？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。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？在本实验的温度测量范围内（不高于300C）,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300C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？注意事项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 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 Co3. 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）。