實驗15-氣體定壓比熱測定

實驗15氣體定壓比熱測定一、實驗目的1.了解氣體比熱測定裝置的基本原理和裝置結構。2.熟悉本實驗中溫度、壓力、熱量、流量的測量方法。3.掌握由測量數(shù)據(jù)計算定壓比熱的方法。4.分析本實驗中誤差產生的原因及減小誤差的可能途徑。二、實驗原理根據(jù)定壓比熱的概念，氣體在t℃時的定壓比熱表示為cdq（1）dtp當式（1）的溫度間隔dt為無限小時，c即為某一溫度t時氣體的真實定壓比熱（由于p氣體的定壓比熱隨溫度的升高而增大，所以在給出定壓比熱的數(shù)值時，必須指明是哪個溫度tt下的定壓比熱）。如果已得出cft的函數(shù)關系，溫度由至的過程中所需要的熱量即p12可按下式求得：q2cdt2(abtct)dt（2）211p上式采用逐項積分來求熱量十分復雜。在本實驗的溫度測量范圍內（不高于300℃），空氣的定壓比熱溫與度的關系可近似認為是線性，即可表示為：cabtp（3）則溫度由t至t的過程中所需要的熱量可表示為：1q2abtdtt（4）2t1由加熱到的平均定壓比熱容則可表示為：t1t2tabtdt2tt（5）cab12tt2pt1tt2121實驗中，通過實驗裝置是濕空氣，當濕空氣氣流由溫度加熱到時，其中水蒸氣的吸t1t2熱量可用式（4）計算，其中a1.833，b0.0003111，則水蒸氣的吸熱量為：mwtt1.8330.0003111dtQ2wt1tt0.0001556kJ/sm1.833tt21（6）（7）2w212式中：m——氣流中水蒸w則干空氣的平均定壓比熱容由下式確定：氣質量，kg/s。QQQmmtt1c)2wtpp2pmt(mmtt)(1w21w式中：為濕空氣氣流的吸熱量。Qp實驗裝置中采用電加熱的方法加熱氣流，由于存在熱輻射，不可避免地有一部分熱量散失于環(huán)境，其大小取決于儀器的溫度狀況。只要加熱器的溫度狀況相同，散熱量也相同。因此，在保持氣流加熱前、后的溫度仍為t和t的前提下，當采用不同的質量流量和加熱量進12行重復測定時，每次的散熱量是相同的。于是，可在測定結果中消除這項散熱量的影響。設兩次測定時的氣體質量流量分別為m和m，加熱器的加熱量分別為Q和Q，輻射散熱量1212為Q，則達到穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱平衡關系：QQQQ(mm)cttQQpm1p1w11w121w1QQQQ(mm)cttQQ2p2w22w2pm21w2兩式相減消去Q項，得到：QQQQc12w1w21kJ/(kg℃)（8）t2pmtmmmm1tt12w1w22三、實驗裝置實驗所用的設備和儀器儀表由風機、流量計、比熱儀本體、電功率調節(jié)測量系統(tǒng)共四部分組成，實驗裝置系機7作為氣源設備，氣流流量用功率表4測量。統(tǒng)如圖1所示。裝置中采用濕式流量計2測定氣流流量，采用小型鼓風并用節(jié)流閥1調整，電加熱量使用調壓變壓器5進行調節(jié)，圖1測定空氣定壓比熱容的實驗裝置1-節(jié)流閥；2-流量計；3-比熱儀本體；4-功率表；5-調壓變壓器；6-穩(wěn)壓器；7-風機比熱容測定儀本體（圖2）由內壁鍍銀的多層杜瓦瓶2、溫度計1和8（鉑電阻溫度計或精度較高的水銀溫度計）、電加熱器3、均流網(wǎng)4、絕緣墊5、旋流片6和混流網(wǎng)7組成。1測量空氣進口初始溫度，4均流均溫，溫度計氣體自進口管引入，溫度計離開電加熱器的氣體經均流網(wǎng)8測量出口溫度。該比熱儀可測300℃以下氣體的定壓比熱。四、實驗數(shù)據(jù)處理方法實驗中需要測定干空氣的質量流量、水蒸氣的mQp質量流量、電加熱器的加熱量（即氣流吸熱量）w和氣流溫度等數(shù)據(jù)，測定方法如下：m1.干空氣的質量流量和水蒸氣的質量流量mmw首先，在不啟動電加熱器的情況下，通過節(jié)流閥把氣流流量調節(jié)到實驗流量值附近，測定流量計出口的氣流溫度（由流量計上的溫度計測量）和相對濕t00并計算出水蒸氣的容積成分：度。根據(jù)與值，由濕空氣的焓濕圖確定含濕量，tywd/622y1d/622w（9）于是，氣流中水蒸氣的分壓力為圖2比熱容測定儀結構原理圖pyp（10）1、8-溫度計；2-多層杜瓦瓶；3-電加熱器；4-均流網(wǎng)；5-絕緣墊；6-旋流片；7-混流網(wǎng)ww式中：p——流量計中濕空氣的絕對壓力，Pa：p10B9.81h（11）式中：—當?shù)貧獯髩?，kPa；由氣大壓力計讀取。Bh—流量計上讀數(shù)，mm水柱；變壓器到適當?shù)妮敵鲭妷?，開始加熱。工況穩(wěn)定后，測定流量計每通過單位所需要的時間以及其它數(shù)據(jù)。水蒸氣的質量流量計算如下：U型管壓力計調節(jié)當實驗體積氣體mp(V/)kg/s（12）wwRTw0式中：wR——水蒸氣的氣體常數(shù)：wR461J/(kgK)（13）——絕對溫度，K。T0干空氣的質量流量計算如下：mpV/kg/s（14）（15）ggRT0R——干空氣的氣體常數(shù)：R287J/(kgK)2.電加熱器的加熱量Q'p電熱器加熱量可由功率表讀出，功率表的讀數(shù)方法詳見說明書。Q'3.6QkJ/h（16）pp式中：Q——功率表讀數(shù)，W；p3.氣流溫度氣流在加熱前的溫度t為大氣溫度，用室內溫度計測量；加熱后的溫度t由比熱容測定12儀上的溫度計測量。五、實驗步驟1.啟動風機，調節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測量流量計出口空氣的干球溫度t和濕球溫度t。0w2.啟動調壓變壓器，調節(jié)到合適的電壓，使出口溫度計讀數(shù)升高到預計溫度。（可根據(jù)Q12t，式中：預先估計所需電功率：p下式WW），t為進出口溫為電功率（差（℃），為每流過10升空氣所需的時間（s）。3.待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內無變化或有微小起伏即可視為穩(wěn)定），讀出下列數(shù)據(jù)：1)10升氣體通過流量計所需時間τ（s）；2)比熱儀進口溫度t1（℃）和出口溫度t2（℃）；3)大氣壓力計讀數(shù)B（kPa），流量計中氣體表壓h（mmH2O）；4)電熱器的功率Qp（W）。4.根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度t和濕球溫度t確定空氣的相對濕度，根據(jù)和干0w查出含濕量d（g/kg干空氣）球溫度從濕空氣的焓濕圖（工程熱力學附圖）中。5.每小時通過實驗裝置空氣流量：V36/m3/h（17）（18）將各量代入式（14）可得出干空氣質量流量的計式算：1y1000B9.81h36/kg/hmgw287t273.1506.水蒸氣的流量：將各量代入式（12）可得出水蒸氣質量流量的計式算：kg/hy1000B9.81h36/mw（19）w461.5t273.150六、計算實例某一穩(wěn)定工況實測參數(shù)如下：t＝8℃，t＝7.8℃，t＝8℃，B＝99.727kPa，t＝8℃，t＝240.3℃，＝69.96s/10L，0wf126.3g/kg。計干空氣h＝16mmH2O柱，Q＝41.842W，由t，t查焓濕圖得＝94%，d＝p0w算如下：1.水蒸氣的容積成分：6.3/62216.3/622代入式（9），得yw=0.0100272.電加熱器單位時間放出的熱量：代入式（16），得Q3.6p3.641.842150.632kJ/hQp3.干空氣質量流量：代入式（18），得10.010027100099.7279.811636/69.962878273.15mg0.63048kg/h4.水蒸氣質量流量：代入式（19），得0.010027100099.7279.8136/69.96mw0.0039755kg/h461.58273.155.水蒸氣吸收的熱量為：Q0.00397551.833240.381.556104240.32821.728kJ/hw則干空氣的平均定壓比熱容為：150.6321.728240.30.63048240.38cpm81.0167kJ/h七、實驗報告1.簡述實驗原理和儀器構成原理。2.列表給出所有原始數(shù)據(jù)記錄。3.列表給出實驗結果（數(shù)據(jù)處理，要附有例證）。八、思考題1.在本實驗中，如何實現(xiàn)絕熱？2.氣體被加熱后，要經過均流、旋流和混流后才測量氣體的出口溫度，為什么？簡述均流網(wǎng)、旋流片和混流網(wǎng)的作用。3.盡管在本實驗裝置中采用了良好的絕熱措施，但散熱是不可避免的。不難理解，在這套裝置中散熱主要是由于杜瓦瓶與環(huán)境的輻射造成的。你能否提供一種實驗方法（仍利用現(xiàn)有設備）來消除散熱給實驗帶來的誤差？4.在本實驗的溫度測量范圍內（不高于300℃），空氣的定壓比熱與溫度的關系可近似認為是線性，現(xiàn)在需要確定空氣在室溫到300℃的定壓比熱的非線性程度，請問可以用怎樣的實驗手段實現(xiàn)？九、注意事項1.在空氣未流通的情況下，電加熱器切勿工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀。2.輸入電加熱器電壓不得超過220V，氣體出口溫度最高不得超過300℃。3.加熱和冷卻要緩慢進行，防止溫度計和比熱儀本體因溫度驟升驟降而破損；加熱時要先啟動風機，再緩慢提高加熱器功率，停止試驗時應先切斷電加熱器電源，讓風機繼續(xù)運行15分鐘左右（溫度較低時，時間可適當縮短）。

實驗18空氣絕熱指數(shù)測定實驗一、實驗目的1.學習測量空氣絕熱指數(shù)的方法；2.培養(yǎng)運用熱力學基本理論處理實際問題的能力；3.進一步加深對剛性容器充氣、放氣現(xiàn)象的認識，結合能量方程式和理想氣體狀態(tài)方程式及過程方程式，求解空氣絕熱指數(shù)k。二、實驗原理在熱力學中，氣體的定壓比熱容c和定容比熱容c之比被定義為該氣體的絕熱指數(shù)，pv并以k表示，即kc/c。pv本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣絕熱指數(shù)k。該實驗過程的p-v圖，如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程；BC為定容加熱過程。AB為絕熱過程，pVkpVBB（1）（2）（3）kAABC為定容過程，VVpBCA(p,V,T)AC為等溫過程，pVpVAAAAACC將（2）式兩邊k次方，得(pV)k(pV)kC(p,V,T)AACCCCC比較（1）、（3）兩式，可得B(p,V,T)pkpk，即ppA(pA)kBBBACpppABBCV將上式兩邊取對數(shù)，可得圖1kln(p/p)AB（4）ln(p/p)AC因此，只要測出A、B、C三個狀態(tài)下的壓力p、p、p，且將其代入（4）式，即ABC可求得空氣的絕熱指數(shù)k。三、實驗裝置本實驗的實驗裝置如圖2所示。實驗時如圖（3），通過充氣閥對剛性容器進行充氣，至狀態(tài)A，由U型管差壓計測得狀態(tài)A的表壓hA（mmH2O），我們選取容器內一部分氣體作為研究對象，其體積為VA，壓力為pA，溫度為TA，假設通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓平衡，恰好此時的氣體膨脹至整個容器（體積為VB），立即關閉排氣閥，膨脹過程結束。因為p=p（大氣壓力），并B0且此過程進行得十分迅速，可忽略過程的熱交換，因此可認為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態(tài)A（pA、VA、TA）絕熱膨脹至狀態(tài)B（pB、VB、TB）。（注意VB等于容器體積，VA為一小于容器體積的假象體積）。處于狀態(tài)B的氣體，由于其溫度低于環(huán)境溫度，則剛性容器內的氣體通過容器壁與環(huán)境交換熱量，當容器內的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)C（pC、VC、TC）。若忽略剛性容器的體積變化，此過程可認為是定容加熱過程。此時容器內氣體的壓力可由U型差壓計測得hC（mmH2O）。至此，被選為研究對象的氣體，從A經過絕熱膨脹過程至B，又經過定容加熱過程至C，且狀態(tài)A、C所處的溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。圖2實驗設備示意圖圖3氣體熱力過程示意圖四、實驗步驟1.對照實物熟悉實驗設備，了解實驗原理。2.由于對裝置的氣密性要求較高，因此首先應檢查裝置的氣密性。具體方法是通過充氣閥對剛性容器充氣至狀態(tài)A，使h=200（mmHO）左右，過幾分鐘后觀察水柱的A2變化，若沒有變化，說明氣密性滿足要求；若有變化，則說明裝置漏氣。此步驟一定要認真進，行否則將給實驗結果帶來較大的誤差。同時讀出的值。hA3.右手轉動排氣閥，在氣流流出的聲音“啪”消失的同時關上排幾次）。4.待U型管差壓計的讀數(shù)穩(wěn)定后，讀出氣閥（實驗開始前要多練習h（大約需C5分鐘左右的時間）。5.重復上述步驟，多做幾遍，將實驗中采集的數(shù)據(jù)填在實驗數(shù)據(jù)表格中，并求k值。五、計算方法如果將前述的式（4）直接用于實驗計算的話，比較繁瑣。因此，針對目前的實驗條件（4）進行適當?shù)暮喕?。設U型管差壓計的封液（水）的重度為γ＝9.81×10p0≈10(mmH2O)。因此，狀態(tài)A的壓力可表示為pA＝p0+hA，狀態(tài)B的壓力可表示為pB，