工程热力学实验指导书全解.docx
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工程热力学实验指导书全解
实验一空气定压比热容测定
一、实验目的
1.增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，了解气体比热容测定的基
本原理和构思。
2.
掌握由实验数据计算出比热容数值和比
学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，热容关系式的方法。
3.学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。
二、实验原理
由热力学可知，气体定压比热容的定义式为
（1）
ch
cp=（订）卩
式中T为绝对温度，单位为K。
该式可用于250〜600K范围的空气，平均偏差为0.03%,最
大偏差为0.28%。
在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的，即
可近似的表示为
由t1加热到t2的平均定压比热容则为
t2/2A+Bt亠A丄cb+t?
A丄〜上、
Cpm鮎=[—dt=AB—---ABtm（5）
t1t^t12
这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度tm=（t1+t2）/2时的定压比热容。
因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度tmi下测出其定压比热容Cpmi，然后根据最小二乘法原理，确定
从而便可得到比热容的实验关系式。
三、实验设备
图1实验装置图
1.整个实验装置由风机、流量计、测试比热容仪器本体、电功率调节系统及测量系统共四部分组成，如图1所示。
2.比热容仪器本体由图2所示。
3.空气（或其它气体）由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、混流、
测温后流出。
气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电加热器的电压调节。
4.该比热容仪可测量300C以下气体的定压比热容。
冷空气
图2比热容仪本体图
四、实验步骤
1.按图1所示接好电源线和测量仪表。
经指导教师认可后接通电源，将选择所需的出口
温度计插入混流网的凹槽中。
2.小心取下流量计上的温度计。
开动风机，调节流阀，使流量保持在预定值附近，测出流量计出口处的干球温度ta和湿球温度tw。
3•将温度计放回原位。
调节流量，使它保持在预定值附近。
调节电压，开始加热（加热
功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q=K12△t/t进行估算,
式中Q为加热功率，W△t为比热容仪本体进出口温度差，C；t为每流过10升空气所需
要的时间，s;K为设备修正系数）。
4.待出口温度稳定后（出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定），即
可采集实验数据。
需采集的数据有：
（1）每10升气体通过流量计时所需的时间T（S）；
（2）比热容仪进口温度ti（C）与出口温度t2（C）；
（3）当时大气压力B（mmH）和流量计出口处的表压力△h（mm2O）;
（4）电加热器的电压U（V）和电流1（A）;
5.改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤4。
在允许的时间内可多做
几次实验。
将上述实验数据填入所列的原始数据表中。
五、计算公式
1.根据流量计出口处空气的干球温度ta和湿球温度tw，在干湿球温度计上读出空气
的相对湿度0,再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d（g水蒸汽/kg干空气），计算
出水蒸汽的容积成分rw
d/622
5一1+d/622
2.电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电流表的内耗。
如电压表
和电流表采用图1所示的接法，则应扣除电流表的内耗。
设电流表的内阻为RMQ），则可
得电加热器单位时间放出的热量
Q=（UI-0.001RnAI2）10”kJ/s
3.干空气流量为
PgV
RgTa
（1—rw）（B+也h/13.6）汇133.32汉0.01/ek/s287（ta273.15）
4.64510°（1—rw）（B4/13.6）
P（ta+273.15）
4.水蒸汽流量为
二PwV
RwTa
rw（B：
h/13.6）133.320.01/
=kg/s
461.5（ta273.15）
2.88910”rw（B：
h/13.6）
P（ta+273.15）
5.水蒸汽吸热量为
t2
Qw二Mw（1.8440.0004886t）dt
11kJ/s
=Mw1.844（t27）0.0002443（t；-t；”
6.干空气吸热量为
Qg=Q_Qw
7.计算举例
假定某一稳定工况的实测参数如下：
t0=8C;tw=7.5C;B=748.0毫米汞柱
t1=8C；t2=240.3C；t=69.96秒/10升;
△h=16毫米水柱；W=41.84瓦
查焓湿图得d=6.3克/公斤干空气（相对湿度：
=94%）
（abt）dt
-2
七、实验报告要求
1.简述实验原理，简介实验装置和测量系统并画出简图。
2.实验原始数据记录表，计算过程及计算结果。
3•将实验结果表示在cpm—tm的坐标图上，用（6）和（7）式确定AB,确定平均定压比热容与平均温度的关系式（5）和定压比热容与温度的关系式（4）。
4.对实验结果进行分析和讨论。
八、注意事项
1.切勿在无气流通过的情况下使加热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热容仪本体。
2.输入加热器的电压不得超过220伏，气体出口最高温度不得超过300C。
3.加热和冷却要缓慢进行，防止比热容仪本体和温度计因温度骤升或骤降而损坏。
4.停止实验时，应先切断电加热器，让风机继续工作十五分钟左右。
九、思考题
1.如何在实验方法上考虑消除电加热器热损失的影响？
2.用你的实验结果说明加热器的热损失对实验结果的影响怎样？
3.测定湿空气的干、湿球温度时，为什么要在湿式流量计的出口处而不在大气中测量？
4.在本装置中，如把湿式流量计连接位置改在比热容仪器的出口处，是否合理？
实验二二氧化碳p—v—T关系测定及临界状态观察
一、实验目的
1、了解C02临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3、掌握C02的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4、学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1、测定C02的p-v-t关系。
在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20C）、临界温度（t=31.1C）和高于临界温度（t=50C）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计
算值相比较，并分析其差异原因。
2、测定C02在低于临界温度（t=20C、27C）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。
3、观测临界状态
（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。
（2）气液整体相变现象。
（3）测定C02的pc、vc、tc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。
三、实验设备及原理
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。
图一试验台系统图
压力油琥璃杯水钱
图二试验台本体
试验台本体如图二所示。
其中1—咼压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—
密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—C02空间；10—温度计。
、
对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、v、t之间有：
F（p,v,t）=O
或t=f（p,v）
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定C02的p-v-t关系，从而找出C02的p-v-t关系。
实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了C02气体的承压玻璃管容器，C02被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的
进、退来调节。
温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力台上的压力表读出。
温度由插在恒温水套中的温度计读出。
比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，至离盖30〜50mm检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。
（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。
（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。
（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的C02的温度处于设定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复
（2）〜（4）即可。
注：
当初使水温高于实验设定温度时，应加冰进行调节。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。
压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。
所以，务必认真掌握，其步骤如下：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。
（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。
这时，压力台油缸中抽满了油。
（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。
若均已调定后，即可进行实验。
4、作好实验的原始记录：
（1）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）测定承压玻璃管内C02质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准,
因而实验中采用间接办法来确定C02的比容，认为C02的比容与其高度是一种线性关
系。
具体方法如下：
a）已知C02液体在20C,9.8MPa时的比容'（20C,9.8Mpa）=0.00117M3・kg。
b）实际测定实验台在20C,9.8Mpa时的C02液柱高度△h0（n）（注意玻璃管水套上刻度的标记方法
也二0.00117m3/kg
c）•••'（20C,9.8Mpa）=m
其中：
K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
AhAh
v==—
m/AK（m3/kg）
式中，△h=h-h0
h――任意温度、压力下水银柱高度。
h0――承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=20C时的等温线。
（1）将恒温器调定在t=20C,并保持恒温。
（2）压力从4.41Mpa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。
（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液
化、汽化等现象。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
（5）测定t=25C、27C时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界参数，并观察临界现象。
（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容c,并将数据填入表1。
（2）观察临界现象。
a）整体相变现象
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
b）汽、液两相模糊不清的现象
处于临界点的C02具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时C02是气态还是液态。
如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。
下面就来用实验证明这个结论。
因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使C02压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。
现在，我们按绝热过程来进行。
首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压C02状态点由等温线沿绝
热线降到液区，管内C02出现明显的液面。
这就是说，如果这时管内的C02是气体的话,那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩C02时，这个液面又立即消失了。
这就告诉我们，这时C02液体离气区也是非常接近
的，可以说是接近气态的液体。
既然，此时的C02既接近气态，又接近液态，所以能处
于临界点附近。
可以这样说：
临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。
这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50C时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
五、实验结果处理和分析
1、按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。
2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。
C02等温实验原始记录表1
t=20C
t=31TC（临界）
t=50C
p（Mpa）
△h
v=
△h/K
现象
p（Mpa）
△h
v=
△h/K
现象
p（Mpa）
△h
v=
△h/K
现象
进行等温线实验所需时间
分钟
分钟
分钟
Ml二
7.6*
J0.301OJOD?
1G
:
id：
2.00CiO.O：
9
o.oinn.o:
[r3/K^]
图三
标准曲线
4、将实验测定的临界比容■c与理论计算值一并填入表2,并分析它们之间的差异及其原因。
临界比容Vc[m3/Kg]表2
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8（RTc/Pc）
0.00216
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