工程热力学实验指导书.docx
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工程热力学实验指导书
工程热力学
实验指导书
土木工程学院
2009年5月19日
一、气体定压比热测量实验…………………………………………………………
二、二氧化碳临界状态观测及关系测定实验………………………………
实验一气体定压比热测量实验
一、实验目的和要求
、了解气体比热测定装置的基本设备与测量原理。
、熟悉本实验中的温度测量、压力测量、热量测量、流量测量的方法。
、掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。
、分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验装置和原理
实验装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成，如图所示，比热仪主体如图所示。
图实验装置
图比热仪主体
实验时，被测空气由风机经湿式气体流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。
在此过程中，分别测定：
室温；空气在流量计进口处的干、湿球温度（，）；气体经比热仪主体的出口温度（）；每流过10L空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（）；以及实验时相应的大气压（）和流量计出口处的表压（Δ）。
有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热（）。
气体的流量由调节阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。
本比热仪可测℃以下的定压比热。
三、实验内容
开启风机，调节流量，使它保持在额定值附近。
调节电热器的输入功率，根据测得的室温；空气在流量计进口处的干、湿球温度（，）；气体经比热仪主体的出口温度（）；每流过10L空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（）；以及实验时相应的大气压（）和流量计出口处的表压（Δ）等数据，并查用相应的物性参数，计算出被测气体的定压比热（）。
四、实验步骤和数据处理
、接通电源及测量仪表，将型管（测量压力）安装好，将出口温度计插入混流网的凹槽中。
、开动风机，旋转调节阀，读出每10L空气通过流量计所需时间（τ，秒），使流量保持在额定值附近。
、调节电热器功率至某值[可以根据下式预先估计所需电功率：
，式中：
为电热器输入电功率（）；Δ为进出口温度差（℃）——可假设从℃加热到℃，取个间隔，预估出Δ]；τ为每流过10L空气所需的时间（）]，连续加热进入设备的空气，记录加热后的出口温度。
、需要记载的数据：
室温；比热仪进口干、湿球温度——即流量计的进口温度（，，℃）；连续变化的出口温度（，℃）；当时相应的大气压力（，）和流量计出口处的表压（Δ，）；电热器的输入功率（，）。
、根据流量计进口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿量（，（）），并根据下式计算出水蒸气的容积成分：
、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（）：
、干空气质量流量（）为：
、水蒸气流量（）为：
、水蒸气吸收的热量（）：
、干空气的定压比热（（·℃））为：
、计算举例
假定某一稳定工况的实测参数如下：
℃；
℃；
℃；
；
℃；
τ10L；
Δ；
；
查干湿图得（）（
）并计算其他参数如下：
（·℃）
、比热随温度的变化关系
假定在～℃之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，则由到的平均比热为：
因此，若以
为横坐标，
为纵坐标，则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距和斜率，从而得出比热随温度变化的计算式，并绘制变化关系图，如图所示。
图比热随温度的变化
五、实验注意事项
、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。
、输入电热器的电压不得超过。
气体出口最高温度不得超过℃。
、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关系测定实验
一、实验目的和要求
、了解临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
、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。
、掌握的关系的测定方法，学会用测定实际气体状态变化规律的方法。
、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验装置和原理
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，如图所示。
图试验台系统图图试验台本体
试验台本体如图所示。
其中—高压容器；—玻璃杯；—压力机；—水银；—密封填料；—填料压盖；—恒温水套；—承压汞容器；—空间；—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、、之间有：
或
（）
本实验就是根据式（），采用定温方法来测定的关系，从而找出的关系。
实验中，由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了气体的承压玻璃管，被压缩，其压力和容器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。
实验工质的压力，由装在压力台上的压力表读出（如要提高精度，可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。
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柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。
在准平衡状态下，气体的绝对压力、比容和绝对温度之间存在某种确定关系，即状态方程
理想气体的状态方程具有最简单的形式：
实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映、、之间关系的实际气体的状态方程。
因此，具体测定某种气体的、、关系，并将实测结果表示在坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。
在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度不变的条件下进行的。
三、实验内容
、测定的关系。
在坐标系中绘出低于临界温度（℃）、临界温度（℃）和高于临界温度（℃）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。
、测定在低于临界温度（℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图中的曲线比较。
、观测临界状态
（）临界状态附近气液两相模糊的现象。
（）气液整体相变现象。
（）测定的、、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较，简述其差异原因。
四、实验步骤和数据处理
、按图装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。
、恒温器准备及温度调节：
（）把水注入恒温器内，注至离盖～。
检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。
（）在温度控制器的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。
（）此时控制面板上视水温情况，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。
（）观察玻璃水套上的温度计，若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的的温度处于所标定的温度。
（）当所需要改变实验温度时，重复（）～（）即可。
、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：
（）关闭进入本体油路的阀门，开启压力台上油杯的进油阀。
（）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。
（）先关闭油杯阀门，然后开启进入本体油路的两个阀门。
（）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。
特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关本体油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关油杯进油阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀（在此以前油路控制阀决不能开！
），进一步加压。
（）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。
、作好实验的原始记录：
（）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
（）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（）测定承压玻璃管内质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定的比容，认为的比容与其高度是一种线性关系。
具体方法如下：
）已知液体在℃，时的比容（℃，）0.00117m3㎏。
）实际测定实验台在℃，时的液柱高度Δ（）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
）由于：
（℃，）
所以：
其中：
——即为玻璃管内的质面比常数。
所以，任意温度、压力下的比容为：
式中：
——任意温度、压力下水银高度
——承压玻璃管内径顶端高度。
（注意：
此值不能遗忘）
、测定低于临界温度℃时的定温线。
（）将恒温器调定在℃，并保持恒温。
（）压力从开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（）按照适当的压力间隔取值，直至压力。
（）注意加压后的变化，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。
、测定临界参数，并观察临界现象。
（）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和临界比容，并将数据填入表。
（）观察临界现象。
临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度，当温度高于临界温度时，无论加多大的压力也不能使气体液化。
理论上的临界温度是31.1℃，故实验时温度在此附近时，通过不断地加压能看到某一压力（理论上是，实验误差等影响可能是在其附近）看到水银柱上面出现少许白雾（液化）随后加压白雾消失，无论再怎么加压也不会出现液化现象。
当实验温度低于31.1℃时，一直加压会出现少许液体，这是气液共存现象。
当温度高于℃时，无论怎么加压也不会出现液化现象，当然如果此时忽然卸压会出现少许液化，这是因为突然降压，绝热降温造成的。
、测定高于临界温度℃时的定温线。
将数据填入原始记录表。
表等温实验原始记录
℃
℃（临界）
℃
（）
Δ
Δ
现象
（）
Δ
Δ
现象
（）
Δ
Δ
现象
进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟
、按表的数据，如图在坐标系中画出三条等温线。
、将实验测得的等温线与图所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图给出的曲线相比较。
（）
、将实验测定的临界比容与理论计算值一并填入表，并分析它们之间的差异及其产生误差的原因。
表临界比容
标准值
实验值
图标准曲线
图曲线
五、实验注意事项
、除℃时，须加压到绝对压力（表压）外，其余各等温线均在间测出值，表压不得超过，温度不应超过℃。
、一般压力间隔可取，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。
、加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压。
、实
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