工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)一二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及p-v-T關(guān)系測(cè)定實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釩O2臨界狀態(tài)的觀測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)。增加對(duì)課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。掌握CO2的p-v-T關(guān)系的測(cè)定方法，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧。學(xué)會(huì)活塞式壓力計(jì)，恒溫器等熱工儀器的正確使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理在準(zhǔn)平衡狀態(tài)下，氣體的絕對(duì)壓力P、比容v和絕對(duì)溫度T之間存在某種確定關(guān)系，即狀態(tài)方程：F(p,v,T)=0理想氣體的狀態(tài)方程具有最簡(jiǎn)單的形式：pv=RT實(shí)際氣體的狀態(tài)方程比較復(fù)雜，目前尚不能將各種氣體的狀態(tài)方程用一個(gè)統(tǒng)一的形式表示出來(lái)，雖然已經(jīng)有了許多在某種條件下能較好反映P、v、T之間關(guān)系的實(shí)際氣體的狀態(tài)方程。因此，具體測(cè)定某種氣體的P、v、T關(guān)系，并將實(shí)測(cè)結(jié)果表示在坐標(biāo)圖上形成狀態(tài)圖，乃是一種重要而有效的研究氣體工質(zhì)熱力性質(zhì)的方法。在平面的狀態(tài)圖上只能表達(dá)兩個(gè)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，故具體測(cè)定時(shí)有必要保持某一個(gè)狀態(tài)參數(shù)為定值，本實(shí)驗(yàn)就是在保持絕對(duì)溫度T不變的條件下進(jìn)行的。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定CO2的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度(t=20°C)、臨界溫度(t=31.1°C)和高于臨界溫度(t=35C)的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)曲線及理論計(jì)算值相比較，并分析其差異原因。觀測(cè)臨界狀態(tài)臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。氣液整體相變現(xiàn)象。測(cè)定CO2的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范德瓦爾方程的理論值相比教，簡(jiǎn)述其差異原因。 °四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體及其防護(hù)罩等三大部分組成(如圖一所示)。試驗(yàn)臺(tái)本體如圖二所示。其中1—高壓容器；2—玻璃杯；3—壓力機(jī)；4一水銀；5一密封填料；6一填料壓蓋；7一恒溫水套；8一承壓汞容器；9—CO2空間；10—溫度計(jì)。、對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)P、v、T之間有：F(p,v,T)=0或T=f(p,v) (1)本實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)式(1)，采用定溫方法來(lái)測(cè)定CO2的p-v-T關(guān)系，從而找出CO2的p-v-T關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，由壓力臺(tái)送來(lái)的壓力由壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部，迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了co2氣體的承壓玻璃管，co2被壓縮，其壓力和容器通過(guò)壓力臺(tái)上的活塞桿的進(jìn)、退來(lái)調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來(lái)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧化碳的壓力，由裝在壓力臺(tái)上的壓力表讀出(如要提高精度，可由加在活塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正)。溫度由插在恒溫水套中的溫度計(jì)讀出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來(lái)測(cè)量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、截面不變等條件來(lái)?yè)Q算得出。圖一試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖 圖二試驗(yàn)臺(tái)本體

五、實(shí)驗(yàn)步驟按圖一裝好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并開啟實(shí)驗(yàn)本體上的日光燈。恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：把水注入恒溫器內(nèi)，注至離蓋30?50mm。檢查并接通電路，開動(dòng)電動(dòng)泵，使水循環(huán)對(duì)流。在溫度控制器AL808E的控制面板上通過(guò)上下鍵設(shè)定好實(shí)驗(yàn)用的溫度。此時(shí)控制面板上視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時(shí)，恒溫器指示燈是亮的，當(dāng)指示燈時(shí)亮?xí)r滅閃動(dòng)時(shí)，說(shuō)明溫度已達(dá)到所需要恒溫。觀察玻璃水套上的溫度計(jì)，若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計(jì)及電接點(diǎn)溫度計(jì)標(biāo)定的溫度一致時(shí)(或基本一致)，則可(近似)認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CO2的溫度處于所標(biāo)定的溫度。當(dāng)所需要改變實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，重復(fù)(2)?(4)即可。加壓前的準(zhǔn)備：因?yàn)閴毫ε_(tái)的油缸容量比容器容量小，需要多次從油杯里抽油，再向主容器充油，才能在壓力表顯示壓力讀數(shù)。壓力臺(tái)抽油、充油的操作過(guò)程非常重要，若操作失誤，不但加不上壓力，還會(huì)損壞試驗(yàn)設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：關(guān)壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門，開啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥。搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時(shí)，壓力臺(tái)油缸中抽滿了油。先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門。搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。特別應(yīng)注意以下情況，如螺桿已推進(jìn)到極限位置，而壓力尚未達(dá)到所需值，必須再一次抽油加壓，此時(shí)要嚴(yán)格按以下程序操作，先關(guān)油路控制閥；再開油杯進(jìn)油閥，使壓力表壓力降至0;關(guān)壓力表控閥，倒退螺桿抽油至極限位置；然后關(guān)油杯進(jìn)油閥，開壓力表控制閥，推進(jìn)螺桿逐漸加壓直到剛才所建立的油壓時(shí)才能開油路控制閥(在此以前油路控制閥決不能開!)，進(jìn)一步加壓。再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。作好實(shí)驗(yàn)的原始記錄：設(shè)備數(shù)據(jù)記錄：儀器、儀表名稱、型號(hào)、規(guī)格、量程、精度。常規(guī)數(shù)據(jù)記錄：室溫、大氣壓、實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況等。測(cè)定承壓玻璃管內(nèi)CO2質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積(A)又不易測(cè)準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)中采用間接辦法來(lái)確定CO2的比容，認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系。具體方法如下：已知CO2液體在20°C，9.8MPa時(shí)的比容V(20°C，9.8Mpa)=0.00117M3?kg。實(shí)際測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)在20C，9.8Mpa時(shí)的CO2液柱高度Ah0(m)。(注意玻璃管水套上刻度的標(biāo)記方法)c)W(20C，9.8Mpa)=竺oa=0.00117m3/kgm=K(kg/m2)=K(kg/m2)00.00117其中：K——即為玻璃管內(nèi)CO2的質(zhì)面比常數(shù)。所以，任意溫度、壓力下CO2的比容為：“A“Ah Ahm/A K(m3/kg)式中，△h=h-h0h——任意溫度、壓力下水銀柱高度。h0——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。測(cè)定低于臨界溫度t=20°C時(shí)的定溫線。將恒溫器調(diào)定在t=20C，并保持恒溫。壓力從4.41Mpa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來(lái)后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿，以保證定溫條件。否則，將來(lái)不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取h值，直至壓力p=9.8MPa。注意加壓后CO2的變化，特別是注意飽和壓力和飽和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。測(cè)定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。按上述方法和步驟測(cè)出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界比容vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。 ° °觀察臨界現(xiàn)象。臨界溫度指氣體能通過(guò)加壓壓縮成液態(tài)的最高溫度，當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，無(wú)論加多大的壓力也不能使氣體液化。理論上CO2的臨界溫度是31.1C，故實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度在此附近時(shí)，通過(guò)不斷地加壓能看到某一壓力(理論上是7.52MPa，實(shí)驗(yàn)誤差等影響可能是在其附近)看到水銀柱上面出現(xiàn)少許白霧(液化)隨后加壓白霧消失，無(wú)論再怎么加壓也不會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度低于31.1C時(shí)，一直加壓會(huì)出現(xiàn)少許液體，這是氣液共存現(xiàn)象。當(dāng)溫度高于31.1C時(shí)，無(wú)論怎么加壓也不會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象，當(dāng)然如果此時(shí)忽然卸壓會(huì)出現(xiàn)少許液化，這是因?yàn)橥蝗唤祲?，絕熱降溫造成的。測(cè)定高于臨界溫度t=35C時(shí)的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。六、 注意事項(xiàng)除t=20C時(shí)，須加壓到絕對(duì)壓力10MPa(表壓9.9MPa)夕卜，其余各等溫線均在5~9MP間測(cè)出h值，表壓不得超過(guò)10MPa，溫度不應(yīng)超過(guò)60Co一般壓力間隔可取0.2?0.5MPa，接近飽和狀態(tài)和臨界狀態(tài)時(shí)壓力間隔適當(dāng)取小些。加壓過(guò)程應(yīng)足夠緩慢以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)平衡過(guò)程，卸壓時(shí)應(yīng)逐漸旋轉(zhuǎn)壓力泵手柄，決不可直接打開油杯閥卸壓！實(shí)驗(yàn)完畢將儀器設(shè)備擦凈。將原始記錄交指導(dǎo)教師簽字后方可離開實(shí)驗(yàn)室。遇到疑難或異常情況應(yīng)及時(shí)詢問(wèn)指導(dǎo)教師，不得擅自違章處理。七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理和分析按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在p-v坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等溫線與圖三所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，并分析它們之間的差異及原因。CO2等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄 表1t=20Ct=31.1C(臨界)t=35C(Mpa)△hv=Ah/K現(xiàn)象(Mpa)△hv=Ah/K現(xiàn)象(Mpa)△h￥=△h/K現(xiàn)象4.將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的臨界比容vc與理論計(jì)算值一并填入表2,并分析它們之間的差異及其產(chǎn)生誤差的原因。 °臨界比容叮m3/Kg] 表2標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)值0.00216圖三標(biāo)準(zhǔn)曲線實(shí)驗(yàn)二中溫輻射時(shí)的物體黑度的測(cè)試指導(dǎo)書一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠帽容^法，定性地測(cè)量中溫輻射時(shí)物體黑度￡。二、 原理概述由n個(gè)物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法可求物體i的純換熱量QnetjQ=Q-Q=a￡IJXdA-￡EAnet,iabs,ie,iiajj,ijibi式中：Qneti—i面的凈輻射換熱量；Qabsi—i面從其他表面的吸熱量；Q：：—-i面本身的輻射熱量；￡i——i面的黑度；xj,i—j面對(duì)i面的角系數(shù)；J.—-j面有效的輻射力；Ebi—i面的黑體輻射力；ai—-i面的吸收率；Ai—i面的面積。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備情況，可以認(rèn)為：1、 熱源1、傳導(dǎo)圓筒2為黑體。2、 熱源、傳導(dǎo)圓筒2、待測(cè)物體（受體）3表面上的溫度均勻（圖1）。圖1輻射換熱簡(jiǎn)圖1—熱源2—傳導(dǎo)圓筒3一待測(cè)物體因此，公式（1）可寫成：Qnet,3如3（Eb1氣兒寸％人⑵乂?）一￡‘氣A因?yàn)锳1=A3；a3=￡3；X32=X12又根據(jù)角系數(shù)的互換性A2X23=A3X32，則待測(cè)物體單位面積上的凈輻射換熱量為： , , , ,q3=Qnet,3/A3=￡3（Eb,1X1,3+Eb,2X1,2）-￡3Eb,3=￡3（Eb,1X1,3+電2七一乩） （2）由于受體3與環(huán)境主要以自然對(duì)流方式換熱，則：

q3=h（t3—以 （3）式中：h——待測(cè)物體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；t3——待測(cè)物體（受體）溫度；tf——環(huán)境溫度由（2）、（3）式得：h(t—t)（4）￡3二氣iXI,+"之乂1,2一（4）當(dāng)熱源1當(dāng)熱源1和傳導(dǎo)圓筒2的表面溫度一致時(shí)，Eb1=Eb2而且熱源1、傳導(dǎo)圓筒2和待測(cè)物體3組成封閉系統(tǒng)，則：x1,3+x1,2=i由此，（4）'式可寫成:h(t—h(t—t)Eb"E：h(t—t)a(T]4—T：)(5)式中。稱為斯蒂芬——玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67X10-8w/m2k4。b對(duì)不同待測(cè)物體（受體）a、b的黑度￡為：h(T—T)h(T—T)aa(T41a—T43a）；b設(shè)h=ah，b則：Ea二T_3a一—T cT4—LbT43bEb T3b當(dāng)為黑體時(shí)，E二」—￡—Tfb^1T fT]，(6)T.4—T41a 3a式可寫成：1b—T二aT3b—TfT4—1aT34a三、實(shí)驗(yàn)裝置h(T—T)

a(T4—T4)1b 3b(6)(7)實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示:圖2實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖9、導(dǎo)軌支架10、熱源及中間體電壓表3、數(shù)顯溫度計(jì)4、接線柱5、導(dǎo)軌6、熱源7、傳導(dǎo)體89、導(dǎo)軌支架10、熱源及中間體電壓表11、接線柱12、調(diào)壓旋鈕13、測(cè)溫接線柱（紅為+）14、電源開關(guān)熱源腔體具有一個(gè)測(cè)溫電偶，傳導(dǎo)腔體有二個(gè)熱電偶，受體有一個(gè)熱電偶，它們都可過(guò)琴鍵轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)切換。四、實(shí)驗(yàn)方法和步驟本實(shí)驗(yàn)儀器用比較法定性地測(cè)定物體的黑度，具體方法是通過(guò)對(duì)三組加熱器電壓的調(diào)整（熱源一組，傳導(dǎo)體二組），使熱源和傳導(dǎo)體的測(cè)量點(diǎn)恒定在同一溫度上，然后分別將“待測(cè)”（受體為待測(cè)物體，具有原來(lái)的表面狀態(tài)）和“黑體”（受體仍為待測(cè)物體，但表面薰黑）兩種狀態(tài)的受體在恒溫條件下，測(cè)出受到輻射后的溫度，就可按公式計(jì)算出待測(cè)物體的黑度。具體步驟如下：1、 熱源腔體和受體腔體（使用具有原來(lái)表面狀態(tài)的物體作為受體）靠緊傳導(dǎo)體。2、 接通電源，調(diào)整熱源、傳導(dǎo)左、傳導(dǎo)右的調(diào)溫旋鈕，使熱源溫度在50°C至150°C范圍內(nèi)某一溫度，受熱約40分鐘左右，通過(guò)測(cè)溫儀表測(cè)試熱源、傳導(dǎo)體的溫度，并根據(jù)測(cè)得的溫度微調(diào)相應(yīng)的電壓旋鈕，使三點(diǎn)溫度盡量一致。3、 系統(tǒng)進(jìn)入恒溫后（各測(cè)溫點(diǎn)基本接近，且在五分鐘內(nèi)各點(diǎn)溫度波動(dòng)小于3C），開始測(cè)試受體溫度，當(dāng)受體溫度五分鐘內(nèi)的變化小于3°C時(shí)，記下一組數(shù)據(jù)。“待測(cè)”受體實(shí)驗(yàn)結(jié)束。4、取下受體，換為黑體，然后重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，測(cè)得第二組數(shù)據(jù)。將兩組數(shù)據(jù)代入公式即可得出待測(cè)物體的黑度8受。五、注意事項(xiàng) 乂1、 熱源及傳導(dǎo)的溫度不可超過(guò)160C。2、 每次做原始狀態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)，建議