工程热力学实验指导书讲解.docx

1、工程热力学实验指导书讲解实验一 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

2、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250600K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

3、比热容等于平均温度t m = ( t 1 + t 2 ) / 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t m i下测出其定压比热容c p m i ，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

4、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t a和湿球温度t w。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 =K 12 t /进行估算，式中Q为加热功率，W；t为比热容仪本体进出口温度差，；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

5、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（s）；(2)比热容仪进口温度 t 1 （）与出口温度 t 2 （）；(3)当时大气压力B （mmHg） 和流量计出口处的表压力h （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 t a和湿球温度 t w，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d (g水蒸汽 /

6、kg干空气)，计算出水蒸汽的容积成分r w 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()，则可得电加热器单位时间放出的热量 kJ/s3.干空气流量为 kg/s4.水蒸汽流量为 kg/s5.水蒸汽吸热量为 kJ/s6.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； =69.96 秒/10升； h=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/

7、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0300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c pm t m 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

8、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pvT关系测

9、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

10、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；9CO2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,

11、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

12、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3050mm。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

13、：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

14、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h0（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/

15、kg） 式中，h=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

16、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

17、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

18、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1t=20t=31.1（临界）t=50p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/K现象p(Mpa)hv=h/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Vcm3/Kg 表2标准值实验值Vc=RTc/PcVc=3/8(RTc/Pc）0.00216