工程熱力學(xué)實驗報告

實驗一：噴管中氣體流動特性實驗一、實驗?zāi)康?.通過演示漸縮、縮放形噴管，觀察氣流隨背壓變化而引起的壓力和流量變化，繪制噴管各截面壓力—軸向位移曲線和流量—背壓曲線。2通過觀察漸縮和縮放噴管中膨脹不足和過度膨脹現(xiàn)象，進(jìn)一部了解工作條件對噴管流動過程的影響。3學(xué)習(xí)熱工儀表的使用方法。二、實驗原理本實驗裝置利用真空泵吸氣，造成噴管內(nèi)各個截面及其背壓都具有一定的真空度，實現(xiàn)空氣在噴管中流動。通過改變背壓，引起噴管中氣流的壓力和流量發(fā)生變化，用函數(shù)記錄儀繪制出實驗曲線，借以達(dá)到直觀的效果。三、實驗步驟1通過漸縮噴管試驗臺，繪制壓力—位移曲線及流量—背壓曲線。（1）打開真空泵閥門，打開冷卻水，轉(zhuǎn)動手輪，使測壓針位于噴管進(jìn)口位置，開啟真空泵。（2）通過真空泵閥門調(diào)調(diào)節(jié)背壓（該值由背壓真空表讀出），使其大于、等于及小于臨界壓力。（3）轉(zhuǎn)動手輪，在不同工況下將探針從噴管進(jìn)口逐步移到噴管之外一段距離，依次記錄數(shù)據(jù)。2．在縮放噴管試驗臺上，重復(fù)上述步驟。（1）調(diào)節(jié)背壓，使其大于、等于及小于設(shè)計值。（2）轉(zhuǎn)動手輪，在不同工況下將探針從噴管進(jìn)口逐步移到噴管之外一段距離，依次記錄數(shù)據(jù)。在這組數(shù)據(jù)中，可以看到氣流在管內(nèi)充分膨脹、膨脹不足以及膨脹過度的現(xiàn)象。而且壓力發(fā)生突變的位置隨背壓的提高向最小截面移動。（3）重復(fù)1中（4）步驟，可得不同工況下縮放噴管的流量曲線。四、實驗數(shù)據(jù)漸縮噴管實驗數(shù)據(jù)因條件限制，實驗中未調(diào)節(jié)背壓Pb=0.07MpaX(MM)51015202530354045Px(Mpa)0.10240.08430.07940.07330.07130.06930.07030.06930.0688縮放噴管實驗數(shù)據(jù)X(MM)51015202530354045Px(Mpa)0.0420.0380.0310.0380.0510.0520.0530.0530.058

實驗二：空氣定壓比熱容測定實驗一．實驗?zāi)康?了解空氣定壓比熱容裝置的工作原理2.掌握由基本數(shù)據(jù)計算出定壓比熱容值和求得定壓比熱容計算公式的方法3熟悉本實驗中測溫、測壓、測相對濕度、以及測流量的方法。4分析本實驗產(chǎn)生的原因及減少誤差的可能途徑。二.實驗裝置和原理本裝置由風(fēng)機(jī)、流量計、比熱儀主體、調(diào)壓器及功率表等四部分組成，如圖2-1所示。比熱儀主體如圖2-2所示：1—多層杜瓦瓶，2—電加熱器，3—均流網(wǎng)，4—絕緣墊，5—旋流片，6—混流網(wǎng)，7—出口溫度計。實驗時，被測空氣由風(fēng)機(jī)經(jīng)流量計送入比熱儀主體，經(jīng)加熱、均流、旋流、混流后流出。在此過程中，分別測定氣體在流量計出口處的干、濕球溫度（ta,tv）（可利用大氣干濕球溫度代替）；氣體流經(jīng)比熱儀主體的進(jìn)出口溫度（t1,t2）；氣體的體積流量（V）；電熱器的輸入功率（W）；以及實驗時相應(yīng)的大氣壓力（Pb）和流量計出口處表壓力（pg）。有了這些數(shù)據(jù)，并查用相應(yīng)的物性參數(shù)，即可計算出被測氣體的定壓比熱容（cP）。氣體的流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電熱器的功率來調(diào)節(jié)。圖2-1比熱儀全套裝置圖三.實驗步驟和數(shù)據(jù)處理1.接通電源及測量儀表，開動風(fēng)機(jī)，開啟加熱器，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。3.逐漸提高調(diào)壓器電壓，即提高加熱器功率，使出口溫度升高至預(yù)計溫度?？梢愿鶕?jù)下式預(yù)先估計所需電功率：Ｗ12 .式中：W為功率表讀數(shù)（W）；t為比熱儀進(jìn)出口溫度差（℃）；為每流過10升空氣所需時間（s）]。圖2-2比熱儀主體4.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），測量和讀出下列數(shù)據(jù)：每10升氣體通過流量計所需時間（，s）；比熱儀進(jìn)口溫度（t1）和出口溫度（t2）；當(dāng)時相應(yīng)的大氣壓（pb）；流量計出口處的表壓(pg，由mmH2O換算成pa)；干球溫度t1、濕球溫度tw、相對濕度加熱功率，即功率表讀數(shù)（W）；5.根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度和濕球溫度，從濕空氣的焓濕圖查出含濕量（d，g/kgDA），并根據(jù)下式計算出水蒸氣的摩爾成分：=7.97×10-3則干空氣的摩爾成分為:ya=1-yv6.根據(jù)電加熱器消耗的電功率，可算得加熱器單位時間放出的熱量：=25.71;19.51;14.67;11.497.干空氣質(zhì)量流量為：==2.97×10-4kg/s8.水蒸氣質(zhì)量流量為： =1.48×10-6kg/s9.水蒸氣定壓比熱容的經(jīng)驗公式為：cp,v=1844+0.4886tv=2013.83;2007.48;2001,67;1997.86J/（kg.K）水蒸氣吸收的熱量為：Qv=qm=0.2199;0.1812;0.14059;0.1228J/s10.干空氣的定壓比熱容為：＝=1150.47;1056.49;984.31;913.44J/(kgK)11空氣的定壓比熱容為=waCa+wvcv=1157.37；1064.10；12.比熱隨溫度的變化關(guān)系假定在0—150℃之間，空氣的真實定壓比熱與溫度之間近似地有線性關(guān)系：則由t1到t2的平均比熱為：因此，若以為橫座標(biāo)，Cpm︱為縱座標(biāo)（圖2-3），則可根據(jù)不同溫度范圍內(nèi)的平均比熱確定截距a和斜率b，從而得出比熱隨溫度變化的計算式。四．注意事項1.切勿在無氣流通過的情況下使電熱器投入工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀主體。2.輸入電熱器的電壓不得超過220伏，氣流出口最高溫度不得超過300。3.加熱和冷卻要緩慢進(jìn)行，防止溫度計和比熱儀主體因溫度驟升和驟降而破裂。4.停止實驗時，應(yīng)先切斷電熱器。讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運行十五分鐘左右（溫度較低時可適當(dāng)縮短）5.流量計內(nèi)應(yīng)確保有適量的水五．實驗數(shù)據(jù)環(huán)境條件twtP2℃13.5℃102.7KPa實驗數(shù)據(jù)：TPτTW11℃49Pa43.31s74.6℃25.71W61.6℃19.51W49.7℃14.67W41.9℃11.49W比定壓熱容隨溫度的關(guān)系

實驗三：真空條件下水蒸氣飽和蒸汽壓及汽化潛熱的測定實驗一．實驗?zāi)康?.通過觀察飽和蒸汽溫度和壓力的關(guān)系，加深對飽和狀態(tài)的理解。2.繪制飽和蒸汽P—T關(guān)系曲線。掌握溫度計、壓力表、調(diào)壓器和大氣壓力計的使用方法。3.觀察金屬表面的沸騰現(xiàn)象。二．實驗裝置實驗裝置如圖5-1所示。三．實驗方法與步驟1接通電源。2先將調(diào)壓器輸出電壓調(diào)至180V左右，待蒸汽壓力升至一定值時，再將電壓降至30—50伏保溫，待工況穩(wěn)定后，記錄水蒸氣的壓力及溫度。3改變電壓，重復(fù)上述實驗，要求表壓在0—1Mpa范圍內(nèi)要求實驗不少于6次，且實驗點盡量分布均勻。4實驗結(jié)束后，將調(diào)壓器指針旋回零位，并切斷電源。5記錄室溫和大氣壓力。四．實驗結(jié)果整理1根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，在座標(biāo)紙上繪制p—T實驗曲線。2將實驗結(jié)果與教材相對照，驗證飽和蒸汽的p—T關(guān)系。五．注意事項1.實驗裝置通電后必須專人看管2.裝置最高使用壓力為1Mpa（表壓），不可超壓工作。3．加熱過程中，箱體上方的金屬管溫度很高，嚴(yán)禁觸碰。六．實驗數(shù)據(jù)溫度壓力t/℃p/MPa950.0845331000.1013251100.1432431200.1984831300.2700181400.3611901500.475711600.617661700.79147p—T實驗數(shù)據(jù)表p—T實驗曲線p—T實驗對數(shù)曲線

實驗四：二氧化碳p-v-T關(guān)系的觀察和測定一．實驗?zāi)康?、觀察二氧化碳相變過程中的凝結(jié)（或汽化）現(xiàn)象。2、測定臨界參數(shù)，并觀察臨界狀態(tài)附近氣液兩相界限模糊現(xiàn)象。3、觀察超臨界壓力下加熱和冷卻時氣液兩相連續(xù)過渡現(xiàn)象。4、用定溫法測定二氧化碳的p―v―T關(guān)系（在p―v圖上畫出定溫線）。二．實驗原理簡單可壓縮系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，狀態(tài)參數(shù)壓力、溫度和比容之間有確定關(guān)系，可表示為F（p，v，T）=0或v=f（p，T）圖4－1二氧化碳p―v―T關(guān)系曲線維持溫度不變，測定比容與壓力的對應(yīng)數(shù)值，就可得到等溫線的數(shù)據(jù)。在不同溫度下對二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行壓縮，將此過程畫在p—v圖上，可得到如圖4－1所示的二氧化碳p―v―T關(guān)系曲線。當(dāng)溫度低于臨界溫度tc時，該二氧化碳實際氣體的等溫線有氣液相變的直線段。隨著溫度的升高，相變過程的直線段逐漸縮短。當(dāng)溫度增加到臨界溫度時，飽和液體和飽和氣體之間的界限已完全消失，呈現(xiàn)出模糊狀態(tài)，稱為臨界狀態(tài)。二氧化碳的臨界壓力pc為7.38MPa，臨界溫度tc為31.1℃。在p―v圖上，臨界溫度等溫線在臨界點上既是駐點，又是拐點。臨界溫度以上的等溫線也具有拐點，直到48.1℃才成為均勻的曲線。三．實驗步驟1、開動恒溫水浴的水泵，使室溫下的水循環(huán)，記錄水套內(nèi)溫度計的數(shù)值（取水套內(nèi)兩只溫度計讀數(shù)的平均值）。2、關(guān)閉活塞式壓力泵兩端的閥門，開啟中間的液壓油存儲腔閥門，轉(zhuǎn)動手輪移除活塞使液壓油進(jìn)入活塞，到底后關(guān)閉存儲腔閥門，開啟兩端閥門建立壓力，如果一次行程無法建立所需壓力，可重復(fù)以上步驟繼續(xù)建立壓力。3、當(dāng)壓力接近臨界壓力時，緩緩轉(zhuǎn)動手輪以提高油壓，記錄在該溫度下的若干不同壓力值p及對應(yīng)的二氧化碳體積V。壓力間隔一般可取0.5Mpa，在接近飽和狀態(tài)時壓力間隔應(yīng)取0.05Mpa。同時，注意觀察承壓管內(nèi)水銀柱上方有二氧化碳液體出現(xiàn)的起始點及二氧化碳?xì)怏w全部變成液體的起始點，并記錄對應(yīng)的壓力值p及體積V。3、打開恒溫水浴的加熱器開關(guān)，將恒溫水浴的電接點溫度計調(diào)定高于室溫但低于臨界溫度的某一值，待水加熱后，記錄水套上溫度計的數(shù)值，重復(fù)進(jìn)行3步驟。4、將恒溫水浴的電接點溫度計調(diào)為臨界溫度值（31.1℃）。待水加熱后，緩緩轉(zhuǎn)動手輪以提高油壓，記錄在該溫度下的若干不同壓力值p及對應(yīng)的二氧化碳體積V。在臨界狀態(tài)附近壓力間隔應(yīng)小些，可取0.05Mpa。同時，注意觀察臨界狀態(tài)附近氣液兩相界限模糊現(xiàn)象，并記錄此時壓力值pc及對應(yīng)的二氧化碳體積V。5、將恒溫水浴的電接點溫度計調(diào)定高于臨界溫度的某一值。待水加熱后，記錄水套內(nèi)溫度計的數(shù)值，緩緩轉(zhuǎn)動手輪以提高油壓，記錄在該溫度下的若干不同壓力值p及對應(yīng)的二氧化碳體積V。會發(fā)現(xiàn)，壓力再高，二氧化碳?xì)怏w也不會液化。6、若時間允許，可再調(diào)高水浴溫度，重復(fù)進(jìn)行5步驟。可通過降壓過程觀察汽化現(xiàn)象。四、實驗數(shù)據(jù)的整理1、計算毛細(xì)管中二氧化碳的質(zhì)量m。在已測得的溫度低于臨界溫度的數(shù)據(jù)中，找出一組液態(tài)二氧化碳的數(shù)據(jù)，其溫度為t0，壓力為p0，體積為V0。再在有關(guān)資料上查找出在相同溫度、壓力下二氧化碳液體的比容v0的數(shù)據(jù)，則二氧化碳的質(zhì)量m=V0/v0。壓力（MPa）水銀液面高度（mm）CO2液面高度（mm）液態(tài)CO2體積（5.85355335205.5331316155.4285280516.7°C時液態(tài)CO查表P=5.85MPa，t=16.7°C，v0=0.001223V=L*A=0.02*A（其中A是水銀室的橫截面積,實驗器材上未標(biāo)明，估算為3.14*10m=V/v2、用表格方式列出實驗所得的二氧化碳p―v―T關(guān)系的數(shù)據(jù)。3、在p―v圖上畫出測定的一組或幾組等溫線，并標(biāo)明臨界狀態(tài)點。P（MPa）液面高度（mm）比體積（m3/kg）3960.0183843.51420.02719341780.0340874.52130.040789552380.0455775.52620.05017363180.0608976.253380.0647276.53390.06491856.753400.0651173410.065301522.8攝氏度下二氧化碳p―v―T關(guān)系P（MPa）液面高度（mm）比體積（m3/kg）3720.0191523.51210.03218641630.0433584.51920.05107252150.057195.52370.06304262550.067836.252650.070496.52720.0723526.752800.0744872880.07660831.1攝氏度下二氧化碳p―v―T關(guān)系不同溫度下二氧化碳p―v―T關(guān)系六．實驗結(jié)論與思考1．比較實驗等溫線和標(biāo)準(zhǔn)等溫線可得，兩圖總體上比較相近，曲線的形狀和趨勢相似，這說明實驗結(jié)果與實際相符，實驗比較成功。

2．實驗結(jié)果存在著一定誤差，其原因主要有以下方面：未等恒溫槽溫度穩(wěn)定下來就開始實驗；活塞螺桿搖動過快，使CO2溫度發(fā)生變化，未等系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定就讀數(shù)。加壓或降壓過程要緩慢進(jìn)行，以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。3．實驗結(jié)果存在誤差，也有可能時壓力表靈敏性較差，存在較大的系統(tǒng)誤差；實驗數(shù)據(jù)不夠多，特別是等溫線拐點處數(shù)據(jù)不夠密集，造成曲線不準(zhǔn)確；超臨界等溫線取的溫度不夠高，導(dǎo)致部分超臨界等溫線與露點線重合。

4．通過這次實驗，我們對臨界現(xiàn)象有了直觀的了解，觀察到了臨界乳光現(xiàn)象、汽液兩相突變現(xiàn)象。5．處于臨界點時，二氧化碳出現(xiàn)汽液兩相模糊不清現(xiàn)象，首先在壓力等于臨界壓力附近，突然降至二氧化碳狀態(tài)點由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi)二氧化碳出現(xiàn)了明顯的液面，在膨脹之后，突然壓縮二氧化碳時，這個液面又立即消失了，這就是臨界點附近飽和汽液模糊不清的現(xiàn)象。

實驗五：空氣絕熱指數(shù)測定實驗一．實驗?zāi)康?、測定空氣的絕熱指數(shù)k及空氣的定壓比熱容Cp及定容比熱容Cv。2、熟悉以絕熱膨脹、定容加熱基本熱力過程為工作原理的測定絕熱指數(shù)實驗方法。二．實驗裝置及測試原理空氣絕熱指數(shù)也叫作氣體的比熱容比，在熱力學(xué)過程中是一個重要的參量，很多空氣中的絕熱過程都與比熱容比有關(guān)，本裝置就是用于測定比熱容比的。氣囊氣囊有機(jī)玻璃容器閥門2U型壓力計閥門3閥門1圖6-1實驗裝置示意圖實驗時利用氣囊往有機(jī)玻璃容器內(nèi)充氣，通過U型壓力計測出容器內(nèi)的壓力P1；壓力穩(wěn)定后，突然打開閥門并迅速關(guān)閉，在此過程中，空氣絕熱膨脹，在U型壓力計上顯示出膨脹后容器內(nèi)的空氣壓力P2；然后，持續(xù)一小時左右，使容器中的空氣與實驗環(huán)境的空氣進(jìn)行熱交換，最后達(dá)到熱平衡，即容器中的空氣溫度與環(huán)境溫度相等，此時，U型壓力計顯示出溫度相等后，容器中空氣壓力P3。根據(jù)過程方程：p狀態(tài)方程：pp其中：v所以：pk=因為：c所以：c

三．實驗方法及實驗步驟1、測試前的準(zhǔn)備（1）在所有閥門開啟的情況下（即容器與大氣相通），用醫(yī)用注射器將蒸餾水注入U型壓力計至一定高度。水柱內(nèi)不能含有氣泡，如有氣泡，要設(shè)法排除。（2）調(diào)整裝置