气体定压比热实验台.doc

气体定压比热测定仪一、 气体定压比热容测定实验1.1 实验目的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。1.2实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有： 和 （2-2）定压时 （2-3）此式直接由的定义导出，故适用于一切工质。在没有对外界作功的气体的等压流动过程中： （2-）则气体的定压比热容可以表示为： kJ/kg （2-5）式中：气体的质量流量，kg/s；气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为： （2-6）式中、等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的实验关系式：kJ/kgK式中：绝对温度，K。该式适用于250600K，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。由于比热随温度的升高而增大，所以在给出比热的数值时，必须同时指明是那个温度下的比热。根据定压比热的定义，气体在时的定压比热等于气体自温度升高到时所需热量除以，即：当温度间隔为无限小时，即为某一温度时气体的真实比热。如果已得出的函数关系，温度由至的过程中所需要的热量即可按下式求得：用逐项积分来求热量十分繁复。但在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，即可近似表示为： （2-7）则温度由至的过程中所需要的热量可表示为： （2-8）由加热到的平均定压比热容则可表示为： （2-9）大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式（2-8）计算，其中，则水蒸气的吸热量为： = kJ/s （2-10）式中：气流中水蒸气质量，kg/s。则干空气的平均定压比热容由下式确定： （2-11）式中：为湿空气气流的吸热量。 仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热），不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同，散热量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为和加热后温度仍为的条件下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量当是一样的。于是，可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为和，加热器的加热量分别为和，辐射散热量为，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系两式相减消去项，得到 kJ/kg （2-12）1.3实验设备图2.1测定空气定压比热容的实验装置系统1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；4-瓦特表；5-调压变压器；6-稳压器；7-风机实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计，比热仪本体、电工率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图2.1所示。图2.2 比热容测定仪结构原理图1-进口温度计；2-多层杜瓦瓶；3-电加热器；4-均流网；5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网；8-出口温度计装置中采用湿式流量计测定气流流量。流量计出口的恒温槽2用以控制测定仪器出口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备，并用钟罩型气罐5维持供气压力稳定。气流流量用调节阀3调整。比热容测定仪本体（图2.2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝缘垫5，旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引入，进口温度计4测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。1.4实验方法及数据处理实验中需要测定干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、电加热器的加热量（即气流吸热量）和气流温度等数据，测定方法如下：1.干空气的质量流量和水蒸气的质量流量 电加热器不投入，摘下流量计出口与恒温槽连接的橡皮管，把气流流量调节到实验流量值附近，测定流量计出口的气流温度（由流量计上的温度计测量）和相对湿度。根据与值由湿空气的焓-湿图确定含湿量g/kg，并计算出水蒸气的容积成分 （2-13）于是，气流中水蒸气的分压力为 N/m2 （2-14）式中：流量计中湿空气的绝对压力（Pa）： （2-15）式中：当地大气压，kPa；由数字式压力计读出。流量计上压力表（U型管）读数，mmH2O柱；接上橡皮管，开始加热。当实验工况稳定后测定流量计每通过（m3）（例如0.01m3）气体所花的时间（s），以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下： kg/s （2-16）式中：水蒸气的气体常数： J/（kgK） （2-17） 绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下： kg/s （2-18）干空气的气体常数： J/（kgK） （2-19）2.电加热器的加热量电热器消耗功率可由瓦特表读出：瓦特表读书方法见瓦特表说明书 （kJ/h） （2-20）式中：瓦特表读数，W； 3.气流温度 气流在加热前的温度和加热后的温度由比热容测定仪上的温度计测量。实验时，根据选定的气流初始温度和加热温度的变化范围及变化间隔，用恒温槽调节，由电加热器调节。1.5实验步骤 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.取下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，测出流量计出口空气的干球温度和湿球温度。3.将温度计插回流量计，逐渐提高电压，使出口温度计读数升高到预计温度。（可根据下式预先估计所需电功率：,式中：为电功率（W），为进出口温差（），为每流过10升空气所需的时间（s）。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：a） 10升气体通过流量计所需时间（s）；b） 比热仪进口温度（）；出口温度（）；c） 大气压力计读数（kPa），流量计中气体表压（mmH2O）；d） 电热器的功率（W）。5.根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度确定空气的相对湿度，根据和干球温度从湿空气的焓-湿图（工程热力学附图）中查出含湿量（g/kg干空气）。 6.每小时通过实验装置空气流量： （m3/h） （2-21）式中：每10升空气流过所需时间，s；将各量代入式（2-18）并统一单位可以得出干空气质量流量的计算式： kg/h （2-22）7.水蒸气的流量： 将各量代入式（2-16）并统一单位可以得出水蒸气质量流量的计算式： kg/h （2-23）1.6计算实例 某一稳定工况实测参数如下： 8, 7.8, 8, 99.727kPa, 8, 240.3,69.96s/10l，16mmH2O柱，=41.842W，由，查焓-湿图得94%，6.3g/kg干空气。 计算：1.水蒸气的容积成分：代入式（2-13） =0.010027 2.电加热器单位时间放出的热量：代入式（2-20） kJ/h3.干空气质量流量：代入式（2-22） kg/h 4.水蒸气质量流量：代入式（2-23） kg/h 5.水蒸气吸收的热量为：1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为： kJ/h1.6实验注意事项a） 电热器不应在无气流通过情况下投入工作，以免引起局部过热而损害比