試驗15__氣體定壓比熱測定

1、實驗15氣體定壓比熱測定、實驗?zāi)康? 了解氣體比熱測定裝置的基本原理和裝置結(jié)構(gòu)。.熟悉本實驗中溫度、壓力、熱量、流量的測量方法。.掌握由測量數(shù)據(jù)計算定壓比熱的方法。.分析本實驗中誤差產(chǎn)生的原因及減小誤差的可能途徑。、實驗原理根據(jù)定壓比熱的概念，氣體在t C時的定壓比熱表示為cpdq dt(1)當(dāng)式（1）的溫度間隔 出為無限小時，Cp即為某一溫度t時氣體的真實定壓比熱（由于氣體的定壓比熱隨溫度的升高而增大，所以在給出定壓比熱的數(shù)值時，必須指明是哪個溫度下的定壓比熱）。如果已得出Cp=f（t ）的函數(shù)關(guān)系，溫度由tl至t2的過程中所需要的熱量即 可按下式求得：2q = cpdt21 (a bt c

2、t2 J | |)dt上式采用逐項積分來求熱量十分復(fù)雜。在本實驗的溫度測量范圍內(nèi)（不高于 空氣的定壓比熱與溫度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性，即可表示為：Cp = a bt300 C),則溫度由ti至t2的過程中所需要的熱量可表示為:t2q = （a +bt dt由ti加熱到t2的平均定壓比熱容則可表示為:t2t2t a bt dttit2 -t1二a bU 2(5)實驗中，通過實驗裝置是濕空氣，當(dāng)濕空氣氣流由溫度熱量可用式（4）計算，其中a =1.833, b =0.0003111,t2Qw =mw1.833 0.0003111t dtt1t1加熱到t2時,其中水蒸氣的吸 則水蒸氣的吸熱量為：=mw

3、 -1.833(t2 11 )+0.0001556(t22 -t12kJ/s(6)式中：mw氣流中水蒸氣質(zhì)量,kg/so則干空氣的平均定壓比熱容由下式確定:t2 pm t1QpQp -Qw(m -mw) t2 -t1(m-mw) t2式中：Qp為濕空氣氣流的吸熱量。實驗裝置中采用電加熱的方法加熱氣流，由于存在熱輻射，不可避免地有一部分熱量散失于環(huán)境，其大小取決于儀器的溫度狀況。只要加熱器的溫度狀況相同，散熱量也相同。因 此，在保持氣流加熱前、后的溫度仍為tl和t2的前提下，當(dāng)采用不同的質(zhì)量流量和加熱量進(jìn)行重復(fù)測定時，每次的散熱量是相同的。 于是，可在測定結(jié)果中消除這項散熱量的影響。設(shè) 兩次測定

4、時的氣體質(zhì)量流量分別為mi和m2,加熱器的加熱量分別為 Qi和Q2 ,輻射散熱量為iQ ,則達(dá)到穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱平衡關(guān)系：Qi =Qpi Qwi lQ =(mi -mwi)Cpm t? -ti - Qwi lQQ2 -Qp2 Qw2 -Q =(m2 _ mw2 )Cpm I t2 _ ti Qw2 FQ 兩式相減消去 AQ項，得到：cpmt2ti=Qi -Q - Qwi -Qw2。儂 C) mi -m2 - mwimw2t2 -ti(8)、實驗裝置實驗所用的設(shè)備和儀器儀表由風(fēng)機、 流量計、比熱儀本體、電功率調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)共四部分組成，實驗裝置系統(tǒng)如圖i所示。裝置中采用濕式流量計 2測定

5、氣流流量，采用小型鼓風(fēng) 機7作為氣源設(shè)備，氣流流量用節(jié)流閥i調(diào)整，電加熱量使用調(diào)壓變壓器 5進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用 功率表4測量。圖i測定空氣定壓比熱容的實驗裝置i-節(jié)流閥；2-流量計；3-比熱儀本體；4-功率表；5-調(diào)壓變壓器；6-穩(wěn)壓器；7-風(fēng)機比熱容測定儀本體（圖 2）由內(nèi)壁鍍銀的多層杜瓦瓶2、溫度計i和8 （鉗電阻溫度計或精度較高的水銀溫度計）、電加熱器3、均流網(wǎng)4、絕緣墊5、旋流片6和混流網(wǎng)7組成。氣體自進(jìn)口管引入，溫度計測量空氣進(jìn)口初始溫度,離開電加熱器的氣體經(jīng)均流網(wǎng)4均流均溫，溫度計測量出口溫度。該比熱儀可測300 c以下氣體的定壓比熱。四、實驗數(shù)據(jù)處理方法實驗中需要測定干空氣的質(zhì)量流量

6、m、水蒸氣的質(zhì)量流量mw、電加熱器的加熱量（即氣流吸熱量）Qp 和氣流溫度等數(shù)據(jù)，測定方法如下：1 .干空氣的質(zhì)量流量 m和水蒸氣的質(zhì)量流量 mw首先，在不啟動電加熱器的情況下，通過節(jié)流閥把氣流流量調(diào)節(jié)到實驗流量值附近，測定流量計出口的氣流溫度t0 （由流量計上的溫度計測量）和相對濕度中。根據(jù)t0與中值，由濕空氣的燃濕圖確定含濕量,算出水蒸氣的容積成分 yw :d/622yw 二1 d/622(9)圖2比熱容測定儀結(jié)構(gòu)原理圖1、8-溫度計；2-多層杜瓦瓶；3-電加熱器；4-均流網(wǎng)；5-絕緣墊；6-旋流片；7-混流網(wǎng)于是，氣流中水蒸氣的分壓力為pw = yw p式中：p流量計中濕空氣的絕對壓力,

7、Pa：p =10B 9.81. h式中：B當(dāng)?shù)卮髿鈮?，kPa;由大氣壓力計讀取。此一流量計上U型管壓力計讀數(shù)，mm水柱；調(diào)節(jié)變壓器到適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，開始加熱。當(dāng)實驗工況穩(wěn)定后，測定流量計每通過單位體積氣體所需要的時間 T以及其它數(shù)據(jù)。水蒸氣的質(zhì)量流量計算如下：mw 二 kg/sRwTo式中：Rw 水蒸氣的氣體常數(shù)：Rw =461 J/（kg K）To 絕對溫度,Ko干空氣的質(zhì)量流量計算如下:mg=kg/s(14)R 干空氣的氣體常數(shù)：R =287 J/（kg K）(15).電加熱器的加熱量 Qp電熱器加熱量可由功率表讀出，功率表的讀數(shù)方法詳見說明書。Qp=3.6Qp kJ/h（16）pp式中：

8、Qp 功率表讀數(shù)， W;.氣流溫度氣流在加熱前的溫度tl為大氣溫度，用室內(nèi)溫度計測量； 加熱后的溫度t2由比熱容測定 儀上的溫度計測量。五、實驗步驟.啟動風(fēng)機，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測量流量計出口空氣的干球溫度t0和濕球溫度tw。.啟動調(diào)壓變壓器，調(diào)節(jié)到合適的電壓，使出口溫度計讀數(shù)升高到預(yù)計溫度。（可根據(jù)下式預(yù)先估計所需電功率：Qp=12&/f ,式中：W為電功率（W）, &為進(jìn)出口溫差（C）,7為每流過10升空氣所需的時間（s）。.待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內(nèi)無變化或有微小起伏即可視為穩(wěn)定），讀出下列數(shù)據(jù)：1） 10升氣體通過流量計所需時間T（S）；2）比熱儀進(jìn)口溫

9、度t1 （C）和出口溫度t2 （C）；3）大氣壓力計讀數(shù) B （kPa）,流量計中氣體表壓 Ah （mmH2O）;4）電熱器的功率Qp （W）。.根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度t0和濕球溫度tw確定空氣的相對濕度 中，根據(jù)中和干球溫度從濕空氣的烙濕圖（工程熱力學(xué)附圖）中查出含濕量d （g/kg干空氣）。. 每小時通過實驗裝置空氣流量：3(17)V =36/ . m3/h將各量代入式（14）可得出干空氣質(zhì)量流量的計算式:mg_ 1 Vw 1000B 9.81. h 36/ .-287 t0 273.15kg/h(18).水蒸氣的流量:將各量代入式（12）可得出水蒸氣質(zhì)量流量的計算式:kg/h(19

10、)Vw 1000B 9.81 h 36/ .mw 二461.5 t0 273.15六、計算實例某一穩(wěn)定工況實測參數(shù)如下:t0 =8 C, tw =7.8 C, tf = 8 C, B =99.727kPa, 3 = 8 C , t2 = 240.3 C , T =69.96s/10L,h = 16mmH2O 柱，Qp = 41.842W,由 t0 , tw 查烙濕圖得 邛=94%, d = 6.3g/kg 干空氣。計算如下:.水蒸氣的容積成分：代入式（9）,得 yw = 6.3/622 =0.0100271 6.3/622.電加熱器單位時間放出的熱量：代入式（16）,得 Q，=3.6 MQp

11、=3.6父41.842 =150.632 kJ/h.干空氣質(zhì)量流量：代入式（18）,得mg=0.63048 kg/h1 -0.0100271000 99.727 9.8116 36/ 69.96287 8 273.15.水蒸氣質(zhì)量流量：代入式（19）,得mw0.010027 1000 99.727 9.8136/ 69.96461.5 8 273.15= 0.0039755kg/h.水蒸氣吸收的熱量為:Qw =0.0039755 1.833 240.3 81.556 10工 240.32 82 ） = 1.728 kJ/h則干空氣的平均定壓比熱容為:cpm240.38150.632 1.728

12、0.63048 240.3 8= 1.0167 kJ/h七、實驗報告. 簡述實驗原理和儀器構(gòu)成原理。.列表給出所有原始數(shù)據(jù)記錄。.列表給出實驗結(jié)果（數(shù)據(jù)處理，要附有例證）八、思考題1. 在本實驗中，如何實現(xiàn)絕熱？.氣體被加熱后，要經(jīng)過均流、旋流和混流后才測量氣體的出口溫度，為什么？簡述均流網(wǎng)、旋流片和混流網(wǎng)的作用。.盡管在本實驗裝置中采用了良好的絕熱措施，但散熱是不可避免的。 不難理解，在這套裝置中散熱主要是由于杜瓦瓶與環(huán)境的輻射造成的。你能否提供一種實驗方法（仍利用現(xiàn)有設(shè)備）來消除散熱給實驗帶來的誤差？.在本實驗的溫度測量范圍內(nèi)（不高于 300C）,空氣的定壓比熱與溫度的關(guān)系可近似 認(rèn)為是線

13、性，現(xiàn)在需要確定空氣在室溫到300c的定壓比熱的非線性程度，請問可以用怎樣的實驗手段實現(xiàn)？九、注意事項.在空氣未流通的情況下，電加熱器切勿工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀。.輸入電加熱器電壓不得超過 220V,氣體出口溫度最高不得超過300Co.加熱和冷卻要緩慢進(jìn)行，防止溫度計和比熱儀本體因溫度驟升驟降而破損；加熱時要先啟動風(fēng)機，再緩慢提高加熱器功率， 停止試驗時應(yīng)先切斷電加熱器電源，讓風(fēng)機繼續(xù)運行15分鐘左右（溫度較低時，時間可適當(dāng)縮短）。實驗18空氣絕熱指數(shù)測定實驗、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)測量空氣絕熱指數(shù)的方法；. 培養(yǎng)運用熱力學(xué)基本理論處理實際問題的能力；.進(jìn)一步加深對剛性容器充氣、放氣現(xiàn)象的

14、認(rèn)識，結(jié)合能量方程式和理想氣體狀態(tài)方程 式及過程方程式，求解空氣絕熱指數(shù)k。實驗原理在熱力學(xué)中，氣體的定壓比熱容 Cp和定容比熱容Cv之比被定義為該氣體的絕熱指數(shù),并以k表示，即k=Cp/G。本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣絕熱指 數(shù)k。該實驗過程的p-v圖，如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程；BC為定容加熱過程。(1)圖1（4）Pa、Pb、pc ,且將其代入（4）式，即AB為絕熱過程，PaV；=PbV，BC為定容過程，Vb =VcAC為等溫過程，PaVa = PcVc將（2）式兩邊k次方，得（PaVa KPcVPa Pb PbPc比較（1）、（3）兩式，可

15、得將上式兩邊取對數(shù)，可得k ln（ Pa/Pb） ln（ Pa/Pc）因此，只要測出 A、B、C三個狀態(tài)下的壓力可求得空氣的絕熱指數(shù) k。三、實驗裝置本實驗的實驗裝置如圖 2所示。實驗時如圖（3）,通過充氣閥對剛性容器進(jìn)行充氣，至狀態(tài)A,由U型管差壓計測得狀態(tài)A的表壓hA （mmH2O）,我們選取容器內(nèi)一部分氣體作為研究對象，其體積為Va,壓力為Pa,溫度為Ta,假設(shè)通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓平衡，恰好此時的氣體膨脹 至整個容器（體積為 Vb）,立即關(guān)閉排氣閥，膨脹過程結(jié)束。因為pB = p0 （大氣壓力），并且此過程進(jìn)行得十分迅速，可忽略過程的熱交換，因此可認(rèn)為此過程為定量氣體的絕熱膨

16、脹 過程，即由狀態(tài) A（Pa、Va、Ta）絕熱膨脹至狀態(tài)B（ Pb、Vb、Tb）。（注意Vb等于容器體積，Va為一小于容器體積的假象體積）。處于狀態(tài)B的氣體，由于其溫度低于環(huán)境溫度，則 剛性容器內(nèi)的氣體通過容器壁與環(huán)境交換熱量，當(dāng)容器內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài) C （pc、Vc、Tc）。若忽略剛性容器的體積變化，此過程可認(rèn)為是定容 加熱過程。此時容器內(nèi)氣體的壓力可由U型差壓計測得hc （ mmHzO）。至此，被選為研究對象的氣體，從 A經(jīng)過絕熱膨脹過程至 B,又經(jīng)過定容加熱過程至 C,且狀態(tài)A、C所處的 溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。1U型管差壓計；一防塵罩

17、；3揶氣閥；4-剛性容器；5充F閥圖2實驗設(shè)備示意圖狀態(tài)從狀態(tài)B狀態(tài)匚圖3氣體熱力過程示意圖四、實驗步驟.對照實物熟悉實驗設(shè)備，了解實驗原理。.由于對裝置的氣密性要求較高，因此首先應(yīng)檢查裝置的氣密性。具體方法是通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態(tài)A,使hA=200 （mmHzO）左右，過幾分鐘后觀察水柱的變化，若沒有變化，說明氣密性滿足要求；若有變化，則說明裝置漏氣。此步驟一定 要認(rèn)真進(jìn)行，否則將給實驗結(jié)果帶來較大的誤差。同時讀出hA的值。.右手轉(zhuǎn)動排氣閥，在氣流流出的聲音“啪”消失的同時關(guān)上排氣閥（實驗開始前要多練習(xí)幾次）。.待U型管差壓計的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出he （大約需5分鐘左右的時間）。.重復(fù)

18、上述步驟，多做幾遍，將實驗中采集的數(shù)據(jù)填在實驗數(shù)據(jù)表格中，并求k值。五、計算方法如果將前述的式（4）直接用于實驗計算的話，比較繁瑣。因此，針對目前的實驗條件，現(xiàn)將式（4）進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。設(shè)U型管差壓計的封液（水）的重度為丫 =9.81X103 （N/m3）,實驗時大氣壓力則為po= 104（mmH2。）。因此，狀態(tài) A的壓力可表示為 da= Po + hA,狀態(tài)B的壓力可表示為 pB= Po,狀態(tài)點C的壓力可表不為pC = p0 + he。將其代入式（4）得1n PohAP0InPAPoheIn 11hA_.pohA -he ”In 1+_ePo +he /(5)(6)(4)實驗中由于剛性容器的限制，一般取hA=200 （mmHzO）,且hehA,因此有he+ Po& Po,hA / Po |_| 1 , (hA -he)/( Po +hA)|_| 1。所以，按照近似的方法，式(5)可簡化為.hA / PohAk 二二(hA - he)/( Po he)hA -he這即為利用本實驗裝置測定空氣絕熱指數(shù)k的簡化（近似）計算公式。六、實驗數(shù)據(jù)處理方法室溫to=