工程热力学实验指导书全解.docx

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1、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.加强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联络实际，了解气体比热容测定的基本原理和构思。2.学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，把握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。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()pphcT?=?1在没有对外界作功的气体定压流动经过中，pdQdhM=,此时气体的定压比热容可表示为ppTQMc)(1?=2当气体在此定压经过中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定)(1221ttMQcpttpm-=(k

2、J/kg)(3)式中，M气体的质量流量，kg/s;Qp气体在定压流动经过中吸收的热量，kJ/s。大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t1被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。假如计算干空气的比热容，必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。低压气体的比热容通常用温度的多项式表示，例如空气比热容的实验关系式为3162741087268.41002402.41076019.102319.1TTTcp-?-?+?-=(kJ/kgK)式中T为绝对温度，单位为K。该式可用于250600K范围的空气，平均偏差为0.03%，最大偏差为

3、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以为是线性的，即可近似的表示为BtAcp+=4由t1加热到t2的平均定压比热容则为mttttpmBtAttBAdtttBtAc+=+=-+=?221122121(5)这讲明，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。因而，能够对某一气体在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-=222)(mimimipmimipmimitnttctctA6-=22)(mimipmimipmimitntctnctB7进而便可得到比热容的实验关系式。三、实验设备图1实验装

4、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300下面气体的定压比热容。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。经指导老师认可后接通电源，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

5、回原位。调节流量，使它保持在预定值附近。调节电压，开场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，可根据关系式Q=K12t/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，；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，即可收集实验数据。需收集的数据有：(1)每10升气体通过流量计时所需的时间s；(2)比热容仪进口温度t1与出口温度t2；(3)当时大气压力BmmHg和流量计出口处的表压力hmmH2O；(4)电加热器的电压UV和电流I(A)；5.改变电压，使出口温度改变并到达新的预定值，重复步

6、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，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rw622/1622/ddrw+=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RmA()，则可得电加热器单位时间放出的热量3210)001.0(-?-?=IRIUQmAkJ/s3.干空气流量为)15.273()6.13/)(1(1064

7、5.4)15.273(287/01.032.133)6.13/)(1(3+?+-?=+?+-=-awawagggthBrthBrTRVpMkg/s4.水蒸汽流量为3(/13.6)133.320.01/461.5(273.15)2.88910(/13.6)(273.15)wwwawawapVMRTrBhtrBht-=+?=+?+?=+kg/s5.水蒸汽吸热量为)(0002443.0)(844.1)0004886.0844.1(21221221ttttMdttMQwttww-+-=+=?kJ/s6.干空气吸热量为wQQQ-=g7.计算举例假定某一稳定工况的实测参数如下：t0=8；tw=7.5；B=

8、748.0毫米汞柱t1=8；t2=240.3；=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%010027.0622/3.61622/3.6=+=wr33109938.9101868.484.41-?=?=Q千卡/秒631014.175)15.2738(96.69)6.13/16748)(010027.01(106447.4-?=+-?=gG公斤/秒63101033.1)15.2738(96.69)6.13/16748(010027.0108889.2-?=+?=wG公斤/秒326101166.0)83.240(00005835.0

9、)83.240(4404.0101033.1-?=-+-?=wQ千卡/秒2428.0)83.240(1014.175101166.0109938.9633021=-?-?=-ttmC千卡/公斤六、比热随温度的变化关系假定在0300之间，空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系，则由t1到t2的平均比热为：2)(121202121ttbattdtbtaCttttm+=-+=?因而，若以212tt+为横坐标，210ttmC为纵坐标如图三，则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b，进而得出比热随温度变化的计算式。图三七、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。

10、2.实验原始数据记录表，计算经过及计算结果。3.将实验结果表示在cpmtm的坐标图上，用6和7式确定A、B，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300。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、考虑题1.怎样在实验方法上考虑消除电加热器热损失的影响？2.用你的实验结果讲明加热器的热损

11、失对实验结果的影响如何？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，能否合理？实验二二氧化碳pvT关系测定及临界状态观察一、实验目的1、了解CO2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、把握CO2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CO2的p-v-t关系。在p-v坐标系中绘出低于临界温度t=20、临界温

12、度t=31.1和高于临界温度t=50的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比拟，并分析其差异原因。2、测定CO2在低于临界温度t=20、27饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比拟。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CO2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。图二试验台本体试验台本体如图二所示。其中1高压容器；2玻璃杯；3压力机；4水银；5密封填料；6填

13、料压盖；7恒温水套；8承压玻璃杯；9CO2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)=0或t=f(p,v)1本实验就是根据式1，采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，进而找出CO2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CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供应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

14、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3050mm。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，当水温未到达要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，讲明温度已到达所需要恒温。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，则可近似以为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。5、当所需要改变实

15、验温度时，重复24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：由于压力台的油缸容量比容器容量小，需要屡次从油杯里抽油，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、充油的操作经过非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真把握，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再次检查油杯阀门能否关好，压力表

16、及本体油路阀门能否开启。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CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积A又不易测准，因此实验中采用间接办法来确定CO2的比容，以为CO2的比容与其高度是一种线性关系。详细方法如下：a已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容20，9.8Mpa=0.00117M3。b实际测定实验台在20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0m。注意玻璃管水套上刻度的标记方法c20，9.8Mpa=kgmmAh/00117.030=?)/(00117.02

17、0mkgKhAm=?=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：KhAmh?=?=/m3/kg式中，h=h-h0h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=20时的等温线。1将恒温器调定在t=20，并保持恒温。2压力从4.41Mpa开场，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根据适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。4注意加压后CO2的变化，十分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

18、。5测定t=25、27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，所以这时汽液的互相转变不是象临界温度下面时那样逐步积累，需要一定的时间，表现为渐变经过，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式互相转化。b汽、液两相模糊不清的现象处于临界点的CO2具有共同参数p,v,t，因此不能区别此时CO2是气态还是液态。假如讲它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；假如讲它是液体，那么，这

19、个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证实这个结论。由于这时处于临界温度下，假如按等温线经过进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。如今，我们按绝热经过来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近，忽然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。这就是讲，假如这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，能够讲是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，忽然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，能够讲是接近气态的液体。既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。能够这样讲：临界状态究竟怎样，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=50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拟，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曲线相比拟。