工程热力学实验指导书全解.docx
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工程热力学实验指导书全解
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
（1）
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为
（2）
当气体在此定压过程中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定
（kJ/kg℃）（3）
式中，M—气体的质量流量，kg/s;
Qp—气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。
大气是含有水蒸汽的湿空气。
当湿空气由温度t1被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，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
（kJ/kgK）
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）
由t1加热到t2的平均定压比热容则为
（5）
这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度tm=（t1+t2）/2时的定压比热容。
因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度tmi下测出其定压比热容cpmi，然后根据最小二乘法原理，确定
（6）
（7）
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ta和湿球温度tw。
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=K12Δt/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t1（℃）与出口温度t2（℃）；
（3）当时大气压力B（mmHg）和流量计出口处的表压力Δh（mmH2O）；
（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ta和湿球温度tw，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度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rw
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RmA（Ω），则可得电加热器单位时间放出的热量
kJ/s
3.干空气流量为
kg/s
4.水蒸汽流量为
kg/s
5.水蒸汽吸热量为
kJ/s
6.干空气吸热量为
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
查焓湿图得d=6.3克/公斤干空气（相对湿度
=94%）
千卡/秒
公斤/秒
公斤/秒
千卡/秒
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：
因此，若以
为横坐标，
为纵坐标（如图三），则可根据不同的温度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。
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cpm——tm的坐标图上，用（6）和（7）式确定A、B，确定平均定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？
实验二二氧化碳p―v―T关系测定及临界状态观察
一、实验目的
1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1、测定CO2的p-v-t关系。
在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
2、测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。
3、观测临界状态
（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。
（2）气液整体相变现象。
（3）测定CO2的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。
三、实验设备及原理
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。
图一试验台系统图
图二试验台本体
试验台本体如图二所示。
其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO2空间；10—温度计。
、
对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、v、t之间有：
F（p,v,t）=0
或t=f（p,v）
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。
实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。
温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。
温度由插在恒温水套中的温度计读出。
比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，至离盖30～50mm。
检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。
（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。
（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。
（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复
（2）～（4）即可。
注：
当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。
压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。
所以，务必认真掌握，其步骤如下：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。
（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。
这时，压力台油缸中抽满了油。
（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。
若均已调定后，即可进行实验。
4、作好实验的原始记录：
（1）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容
与其高度是一种线性关系。
具体方法如下：
a）已知CO2液体在20℃，9.8MPa时的比容
（20℃，9.8Mpa）=0.00117M3·㎏。
b）实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）∵
（20℃，9.8Mpa）=
∴
其中：
K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=20℃时的等温线。
（1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。
（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。
（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
（5）测定t=25℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界参数，并观察临界现象。
（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容
c，并将数据填入表1。
（2）观察临界现象。
a）整体相变现象
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
b）汽、液两相模糊不清的现象
处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。
如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。
下面就来用实验证明这个结论。
因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。
现在，我们按绝热过程来进行。
首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。
这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。
这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。
既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。
可以这样说：
临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。
这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
五、实验结果处理和分析
1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。
2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。
CO2等温实验原始记录表1
t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
p
（Mpa）
Δh
v=
Δh/K
现象
p
（Mpa）
Δh
v=
Δh/K
现象
p
（Mpa）
Δh
v=
Δh/K
现象
进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟
图三标准曲线
4、将实验测定的临界比容
c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。
临界比容Vc[m3/Kg]表2
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8（RTc/Pc）
0.00216
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