圆球导热系数、中温法向实验指导书、气体定压比热、空气绝热指数

1、实验气体定压比热测定、实验目的1. 了解气体比热测定装置的基本原理和装置结构。2. 熟悉本实验中温度、压力、热量、流量的测量方法。3. 掌握由测量数据计算定压比热的方法。4. 分析本实验中误差产生的原因及减小误差的可能途径。、实验原理c - dqc pdt当式（1）的温度间隔dt为无限小时,根据定压比热的概念，气体在t C时的定压比热表示为（1）Cp即为某一温度t时气体的真实定压比热（由于气体的定压比热随温度的升高而增大， 所以在给出定压比热的数值时，必须指明是哪个温度下的定压比热） 如果已得出Cp二f t的函数关系，温度由h至t2的过程中所需要的热量即可按下式求得:(2)2 2 2q = 1

2、 cpd 1 (a bt ct ”|)dt上式采用逐项积分来求热量十分复杂。在本实验的温度测量范围内（不高于 压比热与温度的关系可近似认为是线性，即可表示为：Cpbt则温度由匕至t2的过程中所需要的热量可表示为：七2q a bt dt由1加热到t2的平均定压比热容则可表示为:Cp2 t1t2匕 a bt dtt2 'tjt1 t2300C),空气的定(3)(4)(5)实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度t,加热到t2时，其中水蒸气的吸热量可用式（4）计算，其中a =1.833 , b =0.0003111，则水蒸气的吸热量为：=叫 1.833 t2 -匕0.0001556

3、t22 -铲 kJ/s（6）式中：mw 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：cpmt2tiQp Qp _Qw(m mJ t2 -匕 (mmw) t? -匕 式中：Qp为湿空气气流的吸热量。实验装置中采用电加热的方法加热气流，由于存在热辐射，不可避免地有一部分热量散失于环 境，其大小取决于仪器的温度状况。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、后的温度仍为 ti和t2的前提下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量是相同的。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mi和m2，加热器的加热量分

4、别为 Q和Q2，辐射散热量为 Q，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:C pm t.kJ/(kg -C)Q1 - Q2- Qw1 - Qw2 Im,叫mwmw2t? - J三、实验装置实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图1所示。装置中采用湿式流量计 2测定气流流量，采用小型鼓风机7作为气源设备，气流流量用节流阀 1调整，电加热量使用调压变压器 5进行调节，并用功率表 4测量。图1测定空气定压比热容的实验装置1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；4-功率表；5-调压变压器；6-稳压器；7-风机比热容测定

5、仪本体（图 2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶 2、温度计1和8 （铂电阻温度计或精度较 高的水银温度计）、电加热器3、均流网4、绝缘垫5、旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引图2比热容测定仪结构原理图1、8-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-混流网入，温度计1测量空气进口初始温度，离开电加热器 的气体经均流网4均流均温，温度计8测量出口温度。 该比热仪可测300 C以下气体的定压比热。四、实验数据处理方法实验中需要测定干空气的质量流量 m、水蒸气的 质量流量mw、电加热器的加热量（即气流吸热量）Qp 和气流温度等数据，测定方法如下：1 干空气的质量流量

6、m和水蒸气的质量流量 mw 首先，在不启动电加热器的情况下，通过节流阀 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tc'（由流量计上的温度计测量）和相对湿 度：o根据to与值，由湿空气的焓湿图确定含湿量， 并计算出水蒸气的容积成分 yw :(9)(10)Pa：(11)d/622yw =1 +d/622于是，气流中水蒸气的分压力为Pw 二 yw p式中：p 流量计中湿空气的绝对压力，p =10B 9.81 ：h式中：B 当地大气压，kPa;由大气压力计读取。h 流量计上U型管压力计读数，mm水柱；调节变压器到适当的输出电压，开始加热。当实验工况稳定后，测定流量计每通过单位

7、体积气 体所需要的时间.以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下：mu = Pw（V /）kg/s（ 12）RwTo式中：Rw 水蒸气的气体常数：Rw =461 J/（kg K）（ 13）To 绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下：Pg （V/T ）mg-kg/s（ 14）R 干空气的气体常数： R=287 J/（kg K）（ 15）2电加热器的加热量 Qp'电热器加热量可由功率表读出，功率表的读数方法详见说明书。(16)Qp'=3.6Qp kJ/h式中：Qp 功率表读数， W ；3 气流温度气流在加热前的温度 1为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度t2由比热容测定仪上的

8、温度计测量。五、实验步骤1. 启动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测量流量计出口空气的干球温度to和湿球温度tw。2. 启动调压变压器，调节到合适的电压，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：Qp=12攻住，式中：W为电功率（W）,加为进出口温差（C） , E为每流过10升空气所需的时间（s）。3. 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：1）10升气体通过流量计所需时间t （ s）；2）比热仪进口温度t1 （C）和出口温度t2 （C）;3）大气压力计读数 B （kPa）,流量计中气体表压 心h （mmH2O）

9、;4）电热器的功率Qp （W）。4. 根据流量计出口空气的干球温度to和湿球温度tw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d （g/kg干空气）。5. 每小时通过实验装置空气流量：3V =36/ m /h（17）将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式：ywpOOOB+g&MFd/i） kg/h287 to 273.156. 水蒸气的流量：将各量代入式（12）可得出水蒸气质量流量的计算式:（19）m _ yw 1000B 9.8“h.kg/h461.5 to 273.15六、计算实例某一稳定工况实测参数如下:to = 8C, tw =

10、 7.8 C, tf = 8C, B = 99.727kPa, h = 8 C, t? = 240.3 C, . = 69.96s/10L，: h =16mmH2O 柱，Qp = 41.842W，由 t。, tw 查焓湿图得-:=94%, d = 6.3g/kg 干空气。计算如下：1. 水蒸气的容积成分：代入式（9），得 yw = 6.3/622=0.0100271+6.3/6222. 电加热器单位时间放出的热量：代入式（16）,得 Q； =3.6 MQp =3.6乂41.842 =150.632 kJ/h3. 干空气质量流量：代入式（18），得=0.63048 kg/h 1 -0.01002

11、71000 99.727 9.8116 36/ 69.96287 8 273.154. 水蒸气质量流量：代入式（19）,得mw0.010027 1000 99.727 9.81 36/ 69.96461.5 8 273.15二 0.0039755kg/h5. 水蒸气吸收的热量为：Qw10° 240.3?-82=1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为:240.3150.632 -1.7280.63048 240.3 -8=1.0167 kJ/h七、实验报告1. 简述实验原理和仪器构成原理。2. 列表给出所有原始数据记录。3. 列表给出实验结果（数据处理，要附有例证）八、思考题1

12、. 在本实验中，如何实现绝热？2. 气体被加热后，要经过均流、旋流和混流后才测量气体的出口温度，为什么？简述均流网、旋流片和混流网的作用。3. 尽管在本实验装置中采用了良好的绝热措施，但散热是不可避免的。不难理解，在这套装置中散热主要是由于杜瓦瓶与环境的辐射造成的。你能否提供一种实验方法（仍利用现有设备）来消除散热给实验带来的误差？4. 在本实验的温度测量范围内（不高于300C）,空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性，现在需要确定空气在室温到300 C的定压比热的非线性程度，请问可以用怎样的实验手段实现？九、注意事项1. 在空气未流通的情况下，电加热器切勿工作，以免引起局部过热而损坏比热

13、仪。2. 输入电加热器电压不得超过 220V，气体出口温度最高不得超过300 C。3. 加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪本体因温度骤升骤降而破损；加热时要先启动风机，再缓慢提高加热器功率，停止试验时应先切断电加热器电源，让风机继续运行15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。实验圆球法测定粒状材料导热系数一、实验目的1. 掌握在稳态条件下，用圆球法测粒状材料导热系数的基本原理和方法以及实验装置的结构；2. 加深对傅立叶定律的理解，巩固所学热传导的理论；3. 学会使用电位差计。二、实验原理两个直径不同的薄壁空心圆球，同心放置，两球之间充满一定密度、需要测定的粒状材料，内 球的内部装有一

14、个电加热器，通电加热时，其产生的热量Q将沿着圆球表面的法线方向通过颗粒状材料向外传递。假定内球壁面温度为 匕，外球壁面温度为t2,球面各点温度均匀， 且匕 t2,当加热时间足够长、 温度不随时间变化时，说明装置已达到稳定状态，根据球坐标下的稳定导热傅立叶定律有：q Adt 4 n2dt（1）drdr对于大多数材料来说，在一狭窄的温度范围内（约几十度）可以认为导热系数随温度t作直线变化，即： - '0（1 bt）（2）式中：'0 在0C时材料的导热系数；W/ m :Cb比例常数。将式（2）代入式（1）,得：2 dtQ 二0（1 bt）4 n（3）dr分离变数后积分：t -t21

15、C24认r当 r , t 时，1 -t：Q C24如1当 r = r2, t =t2 时，t2 bt； C24 n>o r2从上两式消去 C得：（tl _t2）1 b（tl也）-（-_-），可得到球体处于稳定导热时，傅立IL 24no ri 2叶定律的积分形式:2 n ar(tl t2)1 di -1 d2(5)d2,热流Q及球内外表面温度 匕、t2即可得到 右。即打S1 di-1d2)式中：t1 +t2t1 +t2ar 虫。1 22 M；o(1btar) , tar122 22时t2）从式（4）可看出，只需测出球内外径若要求解温度系数 b,可采用调节加热功率的方法，在另一个加热工况下测

16、定打、t2,求得另个 tar,利用式(2 )有 ar?<o(1bta“),ar2二o（1btar2）可得比例常数b的表达式:(6)d1为80 mm，外球直径，当全体系达到稳定后,然后再通过外球表面传给周围ta"-' ar1 tar2 j / ar2三、实验装置如图示：装置的主体由两个壁很薄的空心同心铜质球组成，内球直径d2为160mm,内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（粒状物体）由电加热器产生的热量 Q将全部通过中间粒状物质面传给外球表面,的空气。图1圆球法导热系数测量装置结构示意图图上内球表面装有三个热电偶，对应测温点匕t6分别为三个热电偶测外球表面的温度。四

17、、实验步骤1. 将电位差计、电流表、电压表，按图接好。2. 检查无误后，闭合电路加热，并调整到所需功率，每隔5分钟记录一次，待全体系达到稳定后，即内外球表面的温度不再改变时，取得后三次数据的平均值进行计算。3. 改变加热电压，重复上述试验。五、实验报告1. 简述球体法的实验原理，你认为达到该原理所要求的条件最关键部分是什么？2. 简述实验装置的结构原理（包括实验装置系统图）。3. 给出所有测量仪表的原始数据记录，记下各个仪表的精度等级。4. 计算材料的导热系数，整理实验结果。表1实验数据记录表次 数加热功率mVCmVCmVCCmVCmVCmVCCU/VI/A123456六、思考题1. 查阅文献

18、，了解绝热材料导热系数的数量级。2. 能否用这个装置测量金属、液体或者气体的导热系数?3. 能否用这个装置测量自然对流换热系数？4. 若实验装置做成两个内外方箱子是否可行？为什么？5. 为什么要待稳定后的数据才能用？6. 你对该装置及试验方法有何评价，谈谈你的改进设想。附表 镍铬镍硅热电偶分度表温度C热电动势(mV) (JJG 351-84)参考端温度为 0 C012345678900.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7

19、980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.272.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.18

20、33.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.8781204.9194.9605.0015.0425.0835.1245.1645.2055.2465.2871305.3275.3685.4095.4505.4905.5

21、315.5715.6125.6525.6931405.7335.7745.8145.8555.8955.9365.9766.0166.0576.0971506.1376.1776.2186.2586.2986.3386.3786.4196.4596.4991606.5396.5796.6196.6596.6996.7396.7796.8196.8596.8991706.9396.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.2991807.3387.3787.4187.4587.4987.5387.5787.6187.6587.6971907.7377.777

22、7.8177.8577.8977.9377.9778.0178.0578.0972008.1378.1778.2168.2568.2968.3368.3768.4168.4568.4972108.5378.5778.6178.6578.6978.7378.7778.8178.8578.8982208.9388.9789.0189.0589.0999.1399.1799.2209.2609.3002309.3419.3819.4219.4629.5029.5439.5839.6249.6649.7052409.7459.7869.8269.8679.9079.9489.98910.02910.0

23、7010.11125010.15110.19210.23310.27410.31510.35510.39610.43710.47810.51926010.56010.60010.64110.88210.72310.76410.80510.84810.88710.92827010.96911.01011.05111.093,11.13411.17511.21611.25711.29811.33928011.38111.42211.46311.50411.54511.58711.62811.66911.71111.75229011.79311.83511.87611.91811.95912.000

24、12.04212.08312.12512.16630012.20712.24912.29012.33212.37312.41512.45612.49812.53912.581实验 中温法向发射率测定实验、实验目的1. 了解测量物体表面法向辐射率的基本原理，加深对法向辐射的理解;2. 巩固热电偶测温的应用技术；3. 熟悉仪器及操作步骤，测定典型辐射表面的法向辐射率。、实验原理将热源和传导体加热到一定温度，热源法向辐射的热量被受体吸收，使受体升温，通过与热源、传导体和受体相连接的热电偶测量得到被测点的温度，再利用温度与发射率之间的关系式（1），可（源卫）lTo（T测源-T受）计算出辐射率：(1)式

25、中：° 相对黑体的黑度，可假设为 1 ；T受 受体与环境的温差；To 黑体与环境的温差；To 相对黑体的绝对温度；受一待测物体（受体）的黑度；T源一受体为相对黑体时热源的绝对温度；T测源一受体为被测物体时热源的绝对温度;T受一待测物体（受体）的绝对温度。公式的推导如下：待测物体（受体） <黑体圆筒 <热源由n个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体i的纯换热量:nQneti 二 Qabsi Qei 二d,FKek '(dk)idFk - ；iE“Fik 土(2)式中：Qneti i面的净辐射换热量；Qei i面本身的辐射热量；（dk）i k面对i面的角

26、系数;Eefk k面的有效辐射力；di i面的吸收率；根据本实验的设备情况，可作如下假设:Qabsi i面从其他表面的吸热量;；i i面的黑度；Ebi i面的辐射力；Fi i面面积1）热源1、传导圆筒2为黑体。2）热源1、传导圆筒2、待测物体（受体）3表面上的温度均匀。据此，公式（2）可写为因为h -F3 ,qsa3 = 5 ,1,2 = 2,3，又根据角系数的互换性F22,3 = F33,2，可得到:<P:亍二 3厲1 1,3 Eb2 倬）- 3Eb3 二；3（耳！,3 ' E&2 !,2 - Eb3 ）卜3由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，因此qa(ta -tf

27、)(4)式中:由（ 3 ）、（4）式可得:a(t3 -tf)Eb1 1,3' Eb2 1,2 Eb3当热源1和黑体筒2的表面温度一致时,Eb1 =Eb2，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，有（1,31,2）=1，由此（5）式可写成:_ a(t3 _tf)Eb1 - Eb3a(t3 -tf)Cb(T14 -T34)(6)a 换热系数；t3 待测物体（受体）温度；tf 环境温度。式中Cb为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值为 5.7 10-W/m2 K4。对不同待测物体（受体）a、b的黑度；，有十洱f,0T1,a -T3Jab (T3,b Tf )】八；b4L 设 aa-(T1,b -Ta,b)=

28、ab，有a_Ta,a -Tf44T1,b -Ta,b(7)；bT3,b -Tf44T1,a -Ta,a当b为黑体时，b "时，（7）式可写成：；a3,a -TfT1；皿T3,b -'TfT；a J；三、实验装置采用一个热电偶测量热源腔体的温度，传导体较大，采用三个热电偶测温，受体采用一个热电偶，将热电偶的测量值通过A-D转换，直接转变为温度值，并显示在仪器上。可以通过琴键开关切换观察5个温度测量值。图1中温法向发射率测定实验系统四、实验步骤1. 将热源腔体和受体腔对正，靠近黑体圆筒，但不要接触（保持有1 mm左右的距离）。2. 接通电源开关，此时信号灯亮，表示热源传导体（黑体

29、圆筒）的加热正常。用热源电压调节器调节热源加热器，使热源电压表的读数在5060V之间；用传导体电压调节器调节传导体加热器，使传导体电压表的读数在 110120V之间，待温度基本稳定后（一般约需20分钟）， 按下测温开关逐点检测，反复调节上述电压调节器旋钮，使热源和传导体的温度尽量接近。3. 在热源和传导体的温度基本接近后，即可进行测量。间隔10分钟，对热源、传导体和待测物体（受体）的温度进行巡回测量，并将各次读数记录下来。4. 当各测点的温度前后差值小于3C时，再巡回测量三组数据即可结束第一个实验。5. 保持热源和传导体的温度不变，用松脂、蜡烛或墨汁将被测物体（受体）熏黑，稳定30分钟后，按步

30、骤3,重复测量三组数据，结束第二个实验。6. 关闭电源开关，停止加热。热源传导体（黑体圆筒）受体导轨数显温度计传导体（1）电压表 传导体（2）电压表测温开关热源电压表数显开关 电位电源开关热源电压调节器传导体（1）电压调节器传导体（2）电压调节器图2中温法向发射率测定实验装置结构五、实验数据记录序号热源温 度C传导体温度C受体（紫铜）温度C室温C12123平均温度C序号热源温 度C传导体温度C受体（紫铜熏黑）温度C12123平均温度C六、实验报告1. 简述实验原理和仪器结构原理。2. 列表测量得到的所有原始数据。3. 计算受体的法向辐射率。4. 实验中你所遇到的最明显的问题是什么？你对该仪器的

31、可靠性有何评价？5. 实验测得的辐射率是什么温度下的数值？如何利用该仪器测定不同温度下的法向辐射实验空气绝热指数测定实验'、实验目的1. 学习测量空气绝热指数的方法；2. 培养运用热力学基本理论处理实际问题的能力；3. 进一步加深对刚性容器充气、放气现象的认识，结合能量方程式和理想气体状态方程式及过程方程式，求解空气绝热指数k。实验原理在热力学中，气体的定压比热容Cp和定容比热容Cv之比被定义为该气体的绝热指数,并以k表示，即k =cp /cv。本实验利用定量气体在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数k。该实验过程的AB为绝热过程，BC为定容过程,P-v图，如图1所

32、示。图中AB为绝热膨胀过程；BC为定容加热过程。kkPaVa PbV bVb =Vc(1)AC为等温过程, 将（2）式两边k（PaVa ）比较（1）、（ 3）pA VA PcVc k次方，得 =（PcVc）k 两式，可得(2)(3)kkPa _ Pc即 _( Pa)kPaPb ' Pb Pc图1)将上式两边取对数，可得k _ ln（ Pa / Pb ）ln( Pa / Pc )(4)因此，只要测出 A、B、C三个状态下的压力pA、Pb、Pc ,且将其代入（4）式，即可求得空气的绝热指数三、实验装置本实验的实验装置如图 2所示。实验时如图（3），通过充气阀对刚性容器进行充气，至状态 A，

33、由U型管差压计测得 状态A的表压hA（mmH20）,我们选取容器内一部分气体作为研究对象，其体积为Va,压力为Pa，温度为Ta,假设通过排气阀放气，使其压力与大气压平衡，恰好此时的气体膨胀 至整个容器（体积为 Vb）,立即关闭排气阀，膨胀过程结束。因为Pb = Po （大气压力），并且此过程进行得十分迅速，可忽略过程的热交换，因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀 过程，即由状态 A（ Pa、Va、Ta）绝热膨胀至状态 B（ Pb、Vb、Tb）。（注意Vb等于容器体 积，Va为一小于容器体积的假象体积）。处于状态B的气体，由于其温度低于环境温度，则 刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量，当容器内的气体温度与环境温度相等时，系统处于新的平衡状态 C （ Pc、Vc、Tc）。若忽略刚性容器的体积变化，此过程可认为是定容 加热过程。此时容器内气体的压力可由U型差压计测得he （mmHzO）。至此，被选为研究对象的气体，从 A经过绝热膨胀过程至 B，又经过定容加热过程至 C，且状态A、C所处的 温度同为环境温度，实现了图1中所示的过程。图2 实验设备示意图*皿几绝热膨胀i