圆球导热系数、中温法向实验指导书、气体定压比热、空气绝热指数样本

实验气体定压比热测定

一、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玉比热的方法。

4.分析本实验中误差产生的原因及减小误差的可能途径。

二、实验原理

根据定压比热的概念，气体在时的定压比热表示为

当式（1）的温度间隔力为无限小时，7即为某一温度，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，因此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）。如果已得出的函数关系，温度由乙至的过程

中所需要的热量即可按下式求得：

4=[cd/=（（〃+历+<?/+…辿（2）

上式采用逐项积分来求热量十分复杂。在木实验的温度测量范围内（不高于

300V）,空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性，即可表示为：

cp=a+bt（3）

则温度由A至〃的过程中所需要的热量可表示为:

q-(a+bt)dt(4)

由加热到/2的平均定压比热容则可表示为:

(5)

实验中，经过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度乙加热到4时，其中水蒸气

的吸热量可用式（4）计算，其中a=1.833,/7=0.0003111,则水蒸气的吸热量为:

Q*=/%J：(1.833+0.000311k)d/

2

=[1.833(r2-r,)+0.0001556(//-r,)]kJ/s(6)

式中：ww----气流中水蒸气质量，kg/so

则干空气的平均定压比热容由下式确定：

CH=___义_____=___°；一°”___(7)

词"(m-叫,)&f)(w-ww)(r2-r,)

式中：Q；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，山于存在热辐射，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、后的温度仍为乙和G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叫和吗，加热器的加热量分别

为2和Q,辐射散热量为仅2,则达到稳定状况后能够得到如下的热平衡关系：

Q\=Q,A+Q”I+A。=(Wi-Wui(4一/J+QH+ZQ

Q2=+&2+AQ=(〃4一)1&—J+Qw2+kQ

两式相减消去AQ项，得到：

Ml(小(一。叫一一〃⑷小一+〃口储二)仁卜一八))、kJ/(kg/C)(8)

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

上节流阀；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

比热容测定仪本体（图2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、温度计1和8（粕电阻温

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。气体自进口管引入，温度计1测量空气进匚初始温度，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300C以下气体的定压比

热。

四、实验数据处理方法

实脸中需要测定干空气的质量流量，八水

蒸气的质量流量飞、电加热器的加热量（即

气流吸热量）0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

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-

首先，在不启动电加热器的情况下，经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1(由流量计上的温度计测量)和相对湿度0。根据外

与。值，由湿空气的焙湿图确定含湿量，并计算出水蒸气的容积成分打：

(9)

wI+J/622

于是，气流中水蒸气的分压力为

儿=居〃(10)

式中：〃---流量计中湿空气的绝对压力，Pa:

〃=108+9.81M(11)

式中：B一当地大气压，kPa;由大气压力计读取。

M一流量计上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，测定流量计每经过

单位体积气体所需要的时间r以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下:

〃「受kg/s(12)

式中：人——水蒸气的气体常数：%=461J/(kg.K)(13)

”----绝对温度，Ko

干空气的质量流量计算如下:

P(V/r)v；

%=%skg/s(14)

R---干空气的气体常数：R=287J/(kgK)(15)

2.电加热器的加热量QJ

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。

2，'=3.6QpkJ/h(1G)

式中：Qp---功率表读数，W:

3.气流温度

气流在加热前的温度乙为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度G由比热容

测定仪上的温度计测量。

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2和湿球温度九。

2.启动调压变压器，调节到介适的电压，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：2=124",式中：V为电功率（W）,4为进出

口温差（℃）,7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：

I）10升气体经过流量计所需时间7（S）；

2）比热仪进口温度G（℃）和出口温度t.A℃）；

3）大气压力计读数夕（kPa）,流量计中气体表压M（mmHQ）;

4）电热器的功率Q,（W）o

4.根据流量计出口空气的干球温度4和湿球温度L确定空气的相对湿度。，根据。

和干球温度从湿空气的焰湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d（g/kg干空

气）。

5.每小时经过实验装置空气流量：

V=36/rmVh(17)

将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式:

(l-y)(1000B+9.81AA)x(36/T)

wkg/h(18)

287(%+273.15)

6.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:

.y(100Qg+9.81A//)x(36/r)

wkg/h(19)

461.5(z0+273.15)

六、计算实例

某一稳定工况实测参数如下:

r0=8℃,/w=7.8℃,/,=8℃,B=99.727kPa,r.=8℃,t2=240.3℃,r=

69.96s/10L,A/i=16rninH20柱，=41.842W,由九，九查焰湿图得°=94%,d=

6.3g/kg干空气。计算如下:

I.水蒸气的容积成分：

代入式（9）,得）,=6.3/622=o010027

1+6.3/622

2.电加热器单位时间放出的热量：

代入式（16）,得°；=3.6xQp=3.6x41.842=150.632kj/h

3.干空气质量流量：

代入式（18）,得

(1-0.010027)x(1(100x99.727+9.81)x16x36/69.96

叫=0.63048kg/h

287(8+273.15)

4.水蒸气质量流量：

代入式（19）,得

0.010027(1000x99.727+9.81)x36/69.96

=0.0039755kg/h

461.5(8+273.15)

5.水蒸气吸收的热量为:

=0.0039755[1.833(240.3-8)+1.556x104(240.32-82)]=1.728kj/h

则干空气的平均定压比热容为:

150.632-1.728

.240.3=1.0167kj/h

pen|«0.63048(2403-8)

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

I.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300℃）,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℃的定压比热的非线性程度,

请问能够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T作，以免引起局部过热而损坏比热仪°

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℃o

3.加热和冷却要缓慢进行，防止温度计利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

I.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。

一、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，内球的内部装有一个电加热器，通电加热时，其产生的热量。将沿着圆球

表面的法线方向经过颗粒状材料向外传递。

假定内球壁面温度为3外球壁面温度为b球面各点温度均匀，且G＞必当加

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=-AA—=-24nr2—（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）能够认为导热系数4

随温度「作直线变化，即：

丸=4（1+4）（2）

式中：乙在0℃时材料的导热系数；W/（m4C）

1）一比例常数。

将式（2）代入式（1）,得：

。=一4）（1+4）4九，/（3）

分离变数后积分：，+"2=鸟,+。

24叫/

当r=q,/=乙时，r,+^^=—^—+C

24M田

当厂=心，，=，,时，t,+^t;=-^-—+C

'-2"4叫弓

从上两式消去。得：亿一,）h+仇空）］=鸟己-‘），可得到球体处于稳定导热时,

傅立叶定律的积分形式：

0二2叽（4-2）（4）

1/4-心

即a=Q（LMT4）（5）

ar2叫TJ

式中：4,=4［1+8空］=儿（1+/兀），Q二空

从式（4）可看出，只需测出球内外径4、出热流。及球内外表面温度t2

即可得到九。

若要求解温度系数“可采用调节加热功率的方法，在另一个加热工况下测定小

M求得另一个如，利用式（2）有加=4（1+%）,4“2=%（1+%）可得比例常数。的

表示式:

br4rl,4-](6)

%一(，ar1•%)/Zar2

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d为80mm,

外球直径d为160mln,内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（粒状物体），当

全体系达到稳定后，由电加热器产生的热量。将全部经过中间粒状物质面传给外球表

面，然后再经过外球表面传给周围的空气。

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G〜七分别为三个热电偶测外球表面

的温度。

四、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

加热功率

次4h4f6'mH

数/

mV*CmV♦cmV℃CmV℃mVCmVC℃u

/V/A

1

2

3

4

5

6

六、思考题

1.查阅文献，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。

附表银格一银硅热电偶分度表

热电动势(mV)(JJG351-84)参考端温度为0C

温度t

0123456789

00.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357

100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758

200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162

301.2031.2441.2351.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570

401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981

502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.272.3122.3532.394

602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809

702.8502.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.1833.224

803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639

903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.054

1004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.467

1104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.878

1204.9194.9605.0915.0425.0835.1245.1645.2055.2465.287

1305.3275.3685.4)95.4505.4905.5315.5715.6125.6525.693

1405.7335.7745.8145.8555.8955.9365.9766.0166.0576.097

1506.1376.1776.2186.2586.2986.3386.3786.4196.4596.499

1606.5396.5796.6196.6596.6996.7396.7796.8196.8596.899

1706.9396.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.299

1807.3387.3787.4187.4587.4987.5387.5787.6187.6587.697

1907.7377.7777.8177.8577.8977.9377.9778.0178.0578.097

2008.1378.1778.2168.2568.2968.3368.3768.4168.4568.497

2108.5378.5778.6178.6578.6978.7378.7778.8178.8578.898

2208.9388.9789.0189.0589.0999.1399.1799.2209.2609.300

2309.3419.3819.4219.4629.5029.5439.5839.6249.6649.705

2409.7459.7869.8269.8679.9079.9489.98910.02910.07010.111

25010.15110.19210.23310.27410.31510.3551039610.43710.47810.519

26010.56010.60010.64110.88210.72310.76410.80510.84810.88710.928

27010.96911.01011.05111.09311.13411.17511.21611.25711.29811.339

28011.38111.42211.46311.50411.54511.58711.62811.66911.71111.752

29011.79311.83511.87611.91811.95912.00012.04212.08312.12512.166

30012.20712.24912.29012.33212.37312.41512.45612.49812.53912.581

实验中温法向发射率测定实验

一、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。

二、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,

经过与热源、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）,可计算出辐射率：

七二△〃（£-甯）

（1）

-—砥（期海-笈）

式中：

/一相对黑体的黑度，可假设为1；狈一待测物体（受体）的黑度；

△Q—受体与环境的温差；心一受体为相对黑体时热源的绝对温度；

△（一黑体与环境的温差；G懈一受体为被测物体时热源的绝对温度;

”一相对黑体的绝对温度；待测物体（受体）的绝对温度。

公式的推导如卜.：

0Qi

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，能够求物体，的纯换热量：

-Qci=d*［尸一0fbM（2）

式中：Qx—i面的净辐射换热量；e^i-i面从其它表面的吸热量；

Qi—i面本身的辐射热量；鸟T面的黑度；

/（d。一女面对i面的角系数；

与族一A面的有效辐射力；凡一i面的辐射力；

4—i面的吸收率;6-i面面积

根据本实验的设备情况，可作如下假设：

I）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

2山=+%”.）-%居

因为七=八，%=.%2=侬，又根据角系数的互换性7>2.3=7心，可得到：

%=智=£式0丸3+「2%）-?线3=/（5M,3+区2心一品）（3）

A

由于受体3与环境主要以自然对流方式换热，因此

%=4“3-。）（4）

式中：“一换热系数；〃一待测物体（受体）温度；"一环境温度。

山（3）、（4）式可得：一的丁?「

线也3+耳242-%

（5）

当热源1和黑体筒2的表面温度一致时，&=线2，并考虑到体系1、2、3为封

闭系统，有（心+九）=1,由此（5）式可写成:

E（6）

3品-/外叶-媪）

式中巧为斯蒂芬-玻尔兹蛀常数，其值为5.7xlOTW/m2.K\对不同待测物体（受体）a、

「的黑度有簧羌'"筮是设—有

q-4琮-笈

(7)

小-工兄-珠

当b为黑体时，时，（7）式可写成：冗=冬［.害至

小-T瑶-笈

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，将热电偶的测量值经过A-D转换，直接转变为温度值，并显示在仪

器上。能够经过号键开关切换观察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壬，靠近黑体圆筒，但不要接触（保持有1mm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50〜60V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110〜120V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，重复调节上述电压

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3℃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。

图2中温法向发射率测定实验装置结构

五、实验数据记录

热源温传导体温度℃受体（紫铜）温度室温

序号

度℃12℃

1

2

3

平均温度C

热源温传导体温度℃受体（紫铜熏黑）温度

序号

度。C12℃

1

2

3

平均温度C

六、实验报告

I.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髭的问题是什么？你对该仪器的可靠性有何评价？

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

一、实验目的

I.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，求解空气绝热指数人

二、实验原理

在热力学中，气体的定压比热容金和定容比热容q之比被定义为该气体的

绝热指数，并以k表示，即4=7七。

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0该实验过程的0，图，如图1所示。图中AB为绝热膨胀过程;

BC为定容加热过程。

AB为绝热过程，〃八吸=(1)

BC为定容过程，4=匕

AC为等温过程，〃,\匕=&匕

将(2)式两边4次方，得

("MP=(4%)*

比较(1)、(3)两式，可得

送=住,即区=遇人尸

PAPBPBPC

将上式两边取对数，可得图1

_ln(p/p)

zAB(4)

ln(pA/pc)

因此，只要测出A、B、C三个状态下的压力以/%、Pc，且将其代入

(4)式，即可求得空气的绝热指数2。

三、实验装置

本实验的实验装置如图2所示。

实验时如图（3）,经过充气阀对刚性容器进行充气，至状态A,由U型管

差压计测得状态A的表压加（mmHQ）,我们选取容器内一部分气体作为研究对

象，其体积为匕，压力为R,温度为几假设经过排气阀放气，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I）,立即关闭排气阀，

膨胀过程结束。因为‘%=%（大气压力），而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（自、匕、乃绝热膨胀至状态B（m、h幻。（注意『等于容器体积，匕

为一小于容器体积的假象体积）。处于状态8的气体，由于其温度低于环境温度,

则刚性容器内的气体经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（a、以为，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f型差压计测

得篮（nunHQ）。至此，被选为研究对象的气体，从A经过绝热膨胀过程至B,乂

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。

空

气f

绝

热t

指

数

1-U型管差压计।2一防尘罩।3一捧气闭；4一刚性容器：5一充气闭

图2实验设备不意图

研「一

究