气体定压比热容的测定

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1、气体定压比热容的测定测定气体定压比热容的基本测量项目,是测量巳知流量的气体的吸热量（或放热量） 和温度变化值。基本方法可以分为两类。一类称为混合法,即预先将气体加热,让它流过量 热器时受冷却（达到与量热器热平衡）,由量热器测定气体的放热量。另一类称为定流法, 即让气体流过量热器时被加热,由量热器测定气体的吸热量,因此,除了要准确测定气体在 量热器人口和出口的温度之外,还必须仔细消除量热器热损失的影响或确定它的修正值, 才能准确地测定气体的吸热量或放热量.本实验采用定流法测定空气的平均定压比热容。一、实验原理 气体的定压比热容定义为(2-1)c 凹P &丿p1在没有对外界作功的气体的等压流动过程

2、中，dh = 1 dQ ,mp则气体的定压比热容可以表示为(2-2)当气体在此等压过程中由温度-加热至温度t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热 容值可以由下式确定：c卜二红 pmti m(t2 -1)kJ/(kgC)(2-3)式中,m 气体的质量流量kg/s；Qp 气体在等压流动过程中的吸热量,kJ/s低压气体的定压比热容通常用温度的多项式表示， 例如下面空气的定压比热容的实验 关系式：c = 1.02319T.76019X 10-4T+4.02402X 10-7T2P4.87268X I0-10T3kJ/ （kgK）式中T为绝对温度,K。该式用于250600 K,平均偏差为0.03%,最

3、大偏差为0.28%。在离开室温不很远的温度范圈内, 空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性 的, 即可近似表示为2-4)2-5)c 二 a + btp由-加热到t2的平均定压比热容则表示为112 (a + bt)dtt2 pm t1tt2 - t1i大气是含有水蒸气的湿空气，当湿空气气流由温度-加热到t2时,其中水蒸气的吸热量 可用下式计算：=m J t2wt(1.844 + 0.00048861)dtkJ/s(2-6)=mw 1.844(t2 -11)+ 0.0002443(t2 -12)式中,m为气流中的水蒸气质量，kg/s。于是，于空气的平均定压比热容由下式确定:WQQ - Qc

4、4 二一巳一二 P w(2-7)pm t1 m(t2 11) m(t2 11) 式中Q p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) , 不可避免地因热辐射而有一部分散 失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同 ,散热 量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为-和加热后温度仍为t2的条件下，当采用不同 的质量流量和加热量进行重复测定时,每次的散热量当是一样的。于是,可在测定结果中消 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m2,加热器的加热量分别 为Q和Q2,辐射散热量为AQ,则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：Q

5、1 二 Qp1 + Qw1 +AQ 二 m1cpm (t2 - t1) + Qw1 + AQQ1 二 Qp2 + Qw2 +AQ 二 m2Cpm (t2 一 t1) + Qw2 + AQ两式相减消去AQ项，得到2-8)Cpmlt； =守)kJ/(kg图2测定空气定压比热客的实验装置系统1-比热容测定仪；2恒温槽；3调节阀； 4一湿式流量计5稳压气罐;6调节阀；7电流表;8电压表；9一电源稳压器；10调压变压器二、实验设备 实验所用的设备和仪器仪表有比热容测定仪、湿式流量计、恒温槽、稳压气罐、温度 计、电源设备和测量仪表、气源设备 等， 实验装置系统如图 2-1所示， 装 置中采用湿式流量计测定

6、气流流量。流量计出口的恒温槽2用以控制测定 仪器入口气流的温度。装置可以采用 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。气流流量用调节阀3调整。比热容测定仪 (图24-2)由内壁镀银的真空杜瓦瓶1、温度计4和5(铂 电阻温度计或精度较高的水银温度 计)、电加热器6和铜网10组成。气体 自进口管2引人， 温度计4测量其初始 温度,通过螺旋管进入双层夹套管。气体先流过管壁7和8之间的夹层， 再流过8和9之间的夹层而进入电加热器部位加热。气体 在双层夹套管中迁回,可以使电加热器散失的热量仍为气体所吸收。离开电加热器的气体 经铜网10均流均温, 温度计5测量加热终了温

7、度, 后由管3引出。三、实验方法及数据整理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W气流吸热量)Q 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m、电加热器不投入，摘下边量计出口与 恒温槽连接的橡皮管，把气流流量调节到实验流量宿附近,测定流量计出口的气流温度t (由流量计上的温度计测量)和相对湿度卩。根据t与卩值由湿空气的恰-湿图确定含湿量 d g/kg,并计算出水蒸气的容积成分r ：wd /622r =w 1 + d/622于是,气流中水蒸气的分压力为(2-9)p = r (B +) xw w 13.595750.062N/m2

8、式中B大气压力,mmHg h流量计出口气流的表 压力,mmHg,由湿式流量计上 的压差计测量。接上橡皮管,.开始加热。当 实验工况稳定后测定流量计每通 过Vm3(例如0.013)血。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：m 二 Pw(V 丘) kg/s(2-11)w R T wo 式中Rw,=461.5J/ (kgK)。干空气的质量流量计算如下：P(V/ T )k /m =kg/sRT o 式中p干空气的分压力：Ah105p = (1 - r )(B +一) xN/m2 (2-13)w 13.595750.062R=287J/ (kgK)2电加热器的加热量Q p1

9、UIQp 1000kJ/s图2-2 2比热容测定仪结构原理图 1一社瓦瓶$2进气管i3排气管,4、5 -温度计,&电加热器；7、8,双 层夹喜背壁$10铜网式中U电加热器的端电压，V；I加热电流A3气流温度气流在加热前的温度q和加热后的温度t2由比热容测定仪上的温度计测量。 实验时，根据选定的气流初始温度-和加热温度t2的变化范围及变化间隔,-用恒温槽调节,t2 由电加热器调节。实验操作应注意如下事项：1电加热器不应在没有气流通过比热容测定仪时投入加热。2. 加热和冷却要缓慢,防止比热容测定仪因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。特别 是停止实验时,应先停加热后停气流,并且在停止加热器加热后仍应维持小气流继续运行 一段时间。3. 实验测定时,必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。根据式（2-8）计算得到的全部实验结果以如下形式表示出:1. 列表表示平均比热容与温度的关系；2用作图法或最小二乘法确霉式。（2-5）中的常数a和b值，用方程式表示空气的平 均定压比热容与温度的关系。1. 用实验结果说明电加热器辐射热损失的影响，2. 分析引起实验误差的因素有哪一些，3在实验装置中，把湿式流量计连接位置改在稳压气罐之前，或恒温槽之后，或比热测定仪 的排气管上， 是否合理?试分析之。