工热热力学实验报告记录1.docx
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工热热力学实验报告记录1
工热热力学实验报告记录1
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工程热力学实验报告
学院
年级专业
学生姓名
学号
2016年12月21日
实验一：
气体定压比热的测定
一、实验目的和要求
1.了解气体比热测定装置的基本原理和构思。
2.熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。
3.掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。
4.分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验内容
通过测定空气的温度、压力流量，掌握计算热量的方法，从而求得比热值和求得比热公式的方法。
三、数据记录
实验组别
当地大气压（mmHg）
空气干球温度（C）
空气湿球温度（C）
出口温度（C）
入口温度（C）
时间
（s）
功率（W）
毕托管液柱高度差（mm）
1
766.34
16.5
13
50
16.5
24
10
31
2
62.5
16.5
25
20
31
3
90
16.5
25.6
30
31
四、实验方法、步骤及测试数据处理
1.接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。
2.摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。
测出流量计出口空气的干球温度（t0）。
3.将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。
逐渐提高电热器功率，使出口温度升高至预计温度。
可以根据下式预先估计所需电功率：
式中：
W为电热器输入电功率（瓦）；
Δt为进出口温度差（℃）；
τ为每流过10升空气所需的时间（秒）。
估算过程：
W=m×Cp×（T2-T1）=ρ×V×Cp×（T2-T1）
=ρ×（10/1000τ）×Cp×Δt=1.169×（10/1000τ）×1.004×Δt
=11.7/1000×Δt/τ（kW）=11.7Δt/τ（w）
式中ρ—kg/m3;Cp—kJ/kg·k;
4.待出口温度稳定后（出口温度在10分钟之内无变化或有微小起伏，即可视为稳定），读出下列数据，每10升空气通过流量计所需时间（τ,秒）；比热仪进口温度——即流量计的出口温度（t1,℃）和出口温度（t2℃）；当时相应的大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh，毫米水柱）；电热器的输入功率（W，瓦）。
5.根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量（d,克/公斤干空气），并根据下式计算出水蒸气的容积成分：
推导：
对于理想气体混合物，摩尔比等于体积比，由分压力定律可知，理想气体摩尔比等于压力比，因此体积比等于压力比。
根据含湿量定义d=mv/ma=nvMv/naMa=0.622（vv/va）。
因此：
rw=va/v=vv/（vv+va）=1/（1+0.622/d）=d/0.622/（1+d/0.622）
6.根据电热器消耗的电功率，可算出电热器单位时间放出的热量：
（kcal/s）[1w=1J/s=1/1000kJ/s=1/4186.6kcal/s]
7.干空气流量（质量流量）为：
（kg/s）
8.水蒸气流量为：
（kg/s）
9.水蒸气吸收的热量：
（kcal）
10.干空气的定压比热为：
kcal/（kg·℃）
11.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2），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2比热随温度的变化关系
五、实验注意事项
1.切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。
2.输入电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，防止温度计和比热仪主体因温度骤增骤降而破裂。
停止试验时，应切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。
实验二二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定
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、实验内容和要求
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
、
、
等临界参数，并将实验所得的
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、实验主要仪器设备和材料
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3所示）。
图3试验台系统图
图4试验台本体
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：
或
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定CO2的
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、实验方法、步骤及结构测试
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：
已知CO2液体在20℃，9.8MPa时的比容
（20℃，9.8Mpa）。
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）
∵
（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）
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
℃时的等温线。
（1）将恒温器调定在
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
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像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
℃时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
五、实验报告要求
1、按表1的数据，在图5的P－v坐标系中画出三条等温线。
2、将实验测得的等温线与图5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6给出的
曲线相比较。
表1CO2等温实验原始记录
20℃
31.1℃（临界）
℃
P
（Mpa）
现象
P
（Mpa）
现象
P
（Mpa）
现象
3.20
358
气态
3.30
358
气态
3.60
308
气态
3.55
308
气态
4.05
258
气态
4.10
258
气态
4.70
208
气态
4.70
208
气态
5.55
158
气态
5.50
158
气态
6.50
108
固液共存
6.50
108
固液共存
进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟
10min
10min
10min
图5标准曲线
图6
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。
表2临界比容Vc[m3/Kg]
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
RT/Pc
0.00216
0.00247
0.00701
0.00263
实验三：
可视性饱和蒸汽压力和温度关系
一、实验目的
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽P-t关系图表的编制方法。
3、观察小容积的泡态沸腾现象。
二、实验内容和要求
1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。
2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽P-t关系图表的编制方法。
3、观察小容积的泡态沸腾现象。
一、实验主要仪器设备和材料
本实验使用可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验仪（m型）。
实验装置主要由加热密封容器（产生饱和蒸汽）、电接点压力表（0.1~0~1.5Mpa）、调压器（0~220V）、电压表（图中未示出）、水银温度计（0~220℃）、测温度（管底注入少量机油，用来传递和均解剖学温度）和透明玻璃窗等组成（参见图），采用电接点压力表的目的，在于使用于能限制压力的意外升高，起到安全保护作用。
图6实验装置图
二、实验方法、步骤及结构测试
1、熟悉实验装置的工作原理、性能和使用方法。
2、将调压器指针置于零位，然后接通电源。
3、将电接点压力表的上限压力指针拔到稍高于最高试验压力（例如：
0.8Mpa）的位置。
4、将调压器输出电压调至200~220V，待蒸汽压力升至接近于第一个设定压力值时，将电压降至20—50V左右（参考值）。
由于热惯性，压力将会继续上升，待压力达到设定值时，再适当调整电压（提高或降低），使工况稳定（压力和温度基本保持不变）。
此时，立即记录下蒸汽的压力和温度。
重复上述实验，在0~0.8Mpa（表压）范围内，取不少于6个压力值，顺序分别进行测试。
实验点应尽可能分布均匀。
5、实验完毕后，将调压器指针旋回零位，并断开电源。
6、记录实验环境的温度和大气压力。
[注]：
1）本设备也可采用逐点自控制压力的方法进行测试，在控制的压力值下，没定相对应的饱和温度。
但利用电接点控制，接点时接时离，温度不易稳定，且有损设备的使用寿命，所以不推荐使用。
2）本装置允许使用压力为0.8Mpa（表压），不可超压操作。
三、实验报告要求
1、记录与计算
实验序数
饱和压力[Mpa]
饱和温度[℃]
误差
备注
压力表读值P
大气压力B
绝对压力P=P+B
温度计读值t
标准值t
1
0.150
0.102
0.252
110
111.4
1.4
1.26%
2
0.27
0.102
0.372
130
129.9
0.1
0.007%
3
0.38
0.102
0.482
140
141.8
1.8
1.27%
4
0.50
0.102
0.602
150
151.8
1.8
1.18%
5
0.66
0.102
0.762
160
162.6
2.6
1.59%
6
0.76
0.102
0.862
165
168.3
3.3
1.96%
2、绘制P-t关系曲线
将实验结果点在坐标中，请除特殊偏离点，绘制曲线
3、整理成经验公式
将实验点绘制在双对数坐标中，实验曲线将基本呈一直线，所以饱和水蒸汽压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：
实验注意事项：
1）测试时，建议以从低到高的顺序进行测试。
2）实验时，不必硬性规定各测试点的数值，可以根据试验情况，在适当地稳定工况下，测读出数据来。
六、思考题
1.在实际问题中，物体振动过程并不是理想绝热过程，这时测得的值比实际值大还是小？
为什么？
答：
加压或降压过程缓慢进行，保证实验能够在定温的条件下进行；否则，会导致实验不平衡，进而导致实验数据读数不准确，影响实验结果。
2.模块二实验中为什么要保持加压（或降压）过程缓慢进行？
答：
理想气体热力参数——比热、压力温度等满足理想气体状态方程Pv=nRT，而理想气体状态方程用于实际气体有偏差，所以应该对其进行修正，提出范德瓦尔方程
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