实验一 空气定压比热容测定

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 ,h (1) ()c,pp,T dQp在没有对外界作功的气体定压流动过程中，, 此时气体的定压比热容可表示dh,M 为 1,Qc,() (2) ppM,T 当气体在此定压过程中由温度t被加热至t时，气体在此温度范围内的平均定压比热12 容可由下式确定 Qt2p (kJ/kg?) (3) c,pmt1M(t,t)21 式中，M —气体的质量流量，kg/s; Q—气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。 p 大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t被加热至t时，其中的水蒸汽也要吸12 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 ,,,472163(kJ/kgK) c,1.02319,1.76019，10T，4.02402，10T,4.87268，10Tp 式中T为绝对温度，单位为K。该式可用于250,600K范围的空气，平均偏差为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 (4) c,A，Btp 由t加热到t的平均定压比热容则为 12 tA，Btt，t2t122 (5) c,dt,A，B,A，Btpmtm,1t12t,t21 这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度t = ( t+ t ) / 2时的定压比热容。m 1 2 因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度t 下测出其定压比热容c，然后根据最m i p m i 小二乘法原理，确定 2tct,ct,,,,mipmimipmimi (6) A,22(t),nt,,mimi tc,ntc,,,mipmimipmi (7) B,22(t),nt,,mimi 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(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。 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 和湿球温度t。 a 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(加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q =K 12 Δt /τ进行估算，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 )。 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 (?)与出口温度 t (?); 1 2 (3)当时大气压力B (mmHg) 和流量计出口处的表压力Δh (mmHO); 2 (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干球温度 t和湿球温度 t，在干湿球温度计上读出空气 a w 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 d/622r, w1，d/622 2.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R(Ω)，则可mA得电加热器单位时间放出的热量 2,3 kJ/s Q,(U,I,0.001RI)，10mA 3.干空气流量为 pVgM,gRTga ,(1,r)(B，,h/13.6)，133.32，0.01/w kg/s ,287(t，273.15)a ,34.645，10(1,r)(B，,h/13.6)w,,(t，273.15)a 4.水蒸汽流量为 pVwM,wRTwa rBh，,，，(/13.6)133.320.01/,w, kg/s t，461.5(273.15)a ,3rBh，，,2.88910(/13.6)w,t，(273.15),a 5.水蒸汽吸热量为 t2Q,M(1.844，0.0004886t)dtww,t1 kJ/s 22,,,M1.844(t,t)，0.0002443(t,t)w2121 6.干空气吸热量为 Q,Q,Q pw 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 ,焓湿图得 d=6.3克/公斤干空气(相对湿度=94%) 查 6.3/622r,,0.010027w1，6.3/622 41.84,3，Q,,9.9938，1034.1868，10千卡/秒 ,34.6447，10(1,0.010027)(748，16/13.6),6， G,,175.14，10g69.96(8，273.15) 公斤/秒 ,32.8889，10，0.010027(748，16/13.6),6， G,,1.1033，10w69.96(8，273.15) 公斤/秒 ,62,3，Q,1.1033，10[0.4404(240.3,8)，0.00005835(240.3,8),0.1166，10w千 卡/秒 ,3,39.9938，10,0.1166，10t2C,,0.24280m,6t1175.14，10(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，则由t1到 t2的平均比热为: ()t2a，btdt,t，t21tt2C,,a，b102 mt,tt211tt，t212C0m2t因此，若以 为横坐标， 为纵坐标(如图三)，则可根据不同的温度1 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 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ct的坐标图上，用(6)和(7)式确定A、B，确定平均定 pm —— m 压比热容与平均温度的关系式(5)和定压比热容与温度的关系式(4)。 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, 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,