气体定压比热容实验.doc

教学实验 2006气体定压比热容实验指导书哈尔滨努谢尔特教学实验设备有限公司电话手机：013936441288网址： Email：所谓比热容是指单位物理量的物体温度升高1度所需的热量，简称比热。根据选用计量物量的单位不同，有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。通常用质量千克作为计量物量的单位，得到的是质量比热，它的单位是千焦/千克开（kJ/kgK）。用符号表示，则 或 kJ/kgK （1）标准状态下1米3气体温度升高1度所需的热量称作容积比热，单位是千焦/米3开（kJ/m3K）用符号表示。气体的定压比热容是计算在定压变化过程中气体吸入（或放出）的热量的一个重要参数，所以气体定压比热容的测定实验是工程热力学基本实验之一，计算中用到比热及混合气体（湿空气）方面的基本知识。本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，有利于培养分析问题和解决问题的能力。一、实验目的了解气体比热测定装置的基本原理和构思。熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。二、实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有： 和 （2）定压时 （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： （）则气体的定压比热容可以表示为： kJ/kg （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： （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： （7）则温度由至的过程中所需要的热量可表示为： （8）由加热到的平均定压比热容则可表示为： （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（8）计算，其中，则水蒸气的吸热量为： = kJ/s （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： （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 （12）三、实验设备实验所用的设备和仪器仪表由无油气泵、气体饱和加湿器、湿式气体流量计、流量调节阀、U型压力计、温度测量仪表、比热仪本体、电功率调节及测量系统组成。实验装置系统如图1所示。图1测定空气定压比热容的实验装置系统装置中采用湿式气体流量计测定气体流量。流量计上装有温度计及压力计测量空气参数。装置可以采用小型单级无油气泵作为气源设备，并用气体饱和加湿器把气体加湿至饱和状态，其目的一保证湿式气体流量计中水位保持稳定，二是使含湿量的测量及计算简化。气流流量用调节阀调整。比热容测定仪本体由内壁镀银的多层杜瓦瓶、出口温度计（铂电阻温度计）电加热器和均流网，绝缘垫和混流网组成。气体自进口管引入，进口初始温度由湿式气体流量计上的温度计测量，离开电加热器的气体经均流网均流均温，由出口温度计测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300以下气体的定压比热。四、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 电加热器不加热，连接好橡皮管，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），根据气流温度查出饱和水蒸汽分压力。压力流量计上压力表（U型管）读数，mmH2O柱；当地大气压，kPa；由数字式压力计读出。流量计中湿空气的绝对压力（Pa）： （15）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。所加热的空气已加湿至饱和，故水蒸气的质量流量计算如下： kg/s （16）饱和水蒸汽分压力 Pa测试过程中实施气体流量计所流过的体积- L(升)式中：水蒸气的气体常数： J/（kgK） （17） 绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下：干空气的气体常数： J/（kgK） （19）2、电加热器的加热量电热器消耗功率可由功率表读出： （kJ/h） （20）式中：功率表读数，W； 3、气流温度 气流在加热前的温度等于湿式气体流量计测量的温度，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，由电加热器调节。五、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、连接好橡皮管，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（）。3、将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，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：10升气体通过流量计所需时间（s）；比热仪进口温度（）；出口温度（）；大气压力计读数（kPa），流量计中气体表压（mmH2O）；电热器的功率（W）。5、改变工况，改变加热量或改变流量，待出口温度稳定后，记录相关数据，共测5组数据。六、数据处理（一）、计算计算干空气的平均定压比热容1、根据流量计出口空气的温度从饱和蒸汽压力表中查出对应的饱和水蒸气分压力。 2、每小时通过实验装置空气流量： （m3/h） （21）式中：每10升空气流过所需时间，s；3、计算干空气质量流量： kg/h （22）4、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 （23）5、计算水蒸气吸热量 = kJ/h 6、计算电加热器的热量 （kJ/h） 7、计算干空气的平均定压比热容为： kJ/kg （二）、比热随温度变化关系：假定在0-300之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：则由到的平均定压比热为： kJ/kg若以（t1+t2）/2为横坐标，为纵坐标（图3），则可根据不同温度范围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3空气定压比热容与温度的关系曲线根据测得数据，做出平均比热与温度之间的关系曲线，并拟合出关系式。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