工程热力学实验

指导书

哈尔滨理工大学

热能与动力工程实验室

实验一  气体定压比热容测定实验

一．实验目的

1．  了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2．  熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。

3．  掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。

4．  分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二．实验原理

引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有：

                          和                

定压时

                                   

此式直接由的定义导出，故适用于一切工质。

在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：

                                                                  

则气体的定压比热容可以表示为：

                                              kJ/kg?℃              

式中：——气体的质量流量，kg/s；

——气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s。

由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为：

                        

式中、、等是与气体性质有关的常数。在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，假定在0-300℃之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：

则温度由至的过程中所需要的热量可表示为：

                                                   

由加热到的平均定压比热容则可表示为：

 

若以（t₁+t₂）/2为横坐标，为纵坐标（如下图所示），则可根据不同温度范围的平均比热确定截距a和斜率b,从而得出比热随温度变化的计算式。

大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式下式计算：

式中：——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：

               

式中：——为湿空气气流的吸热量。

三.实验设备

1．整个实验装置由风机，流量计，比热仪本体，电功率调节及测量系统共四部分组成，如图一所示。

2．比热仪本体如图二所示。由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝缘垫5，旋流片6和混流网7组成。气体自进口管引入，进口温度计1测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

四．实验方法及数据处理

1．接通电源及测量仪表，选择所需的出口温  度计插入混流网的凹槽中。

2．摘下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测出流量计出口空气的干球温度（t₀）和湿球温度（t_w）。3．将温度计插回流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电压，使出口温度升高至预计温度[可以根据下式预先估计所需电功率：W≈12Δt/τ。式中W为电功率（瓦）；Δt为进出口温度差（℃）；τ为每流过10升空气所需时间（秒）]。

4．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：每10升气体通过流量计所需时间（τ，秒）；比热仪进口温度（t₁, ℃）和出口温度（t₂, ℃）；当时大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh，毫米水柱）；电热器的电压（V，伏）和电流（I，毫安）。

5．据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿量（d，克/公斤 干空气）,并计算出水蒸汽的容积成分。

6．电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和毫安表采用图一所示的接法，则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为R_mA欧，则可得电热器单位时间放出的热量为 。

7．水蒸气和干空气质量流量的计算，可按理想气体处理。

五．注意事项

1．切勿在无空气流通过的情况下使用电加热器工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。

2．电加热器输入电压不得超过220V，气体出口温度不得超过300℃。

3．加热和冷却缓慢进行，以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10至20分钟。

4．实验测定时，必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。

六、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）。

4．与下述经验方程比较

   

其中：T为空气的绝对温度，K。

5．分析造成实验误差的各种原因，提出改进方案；

七、思考题

1．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？

第二篇：气体比热容比的测定实验

气体比热容比C_P/C_V的测定

引言

　    比热容是物性的重要参量，在研究物质结构、确定相变，鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。本实验将介绍一种较新颖的测量气体比热容的方法。

【一】实验目的

测定空气分子的定压比热容与定容比热容之比。

【二】实验仪器

1.DH 4602气体比热气体比热容比测定仪

2.支撑架

3.密玻璃容器

4.气泵

计时器操作

1.打开电源，程序预置周期为T=30（数显），即：小球来回经过光电门的次数为T=2n+1次。

2.据具体要求，若要设置50次，先按“置数”开锁，再按上调（或下调）改变周期T，再按“置数”锁定，此时，即可按执行键开始计时，信号灯不停闪烁，即为计时状态，当物体经过光电门的周期次数达到设定值，数显将显示具体时间，单位“秒”。须再执行“50”周期时，无须重设置，只要按“返回”即可回到上次刚执行的周期数“50”，再按“执行”键，便可以第二次计时。

（当断电再开机时，程序从头预置30次周期，须重复上述步骤）

【三】实验原理

气体的定压比热容C_P与定容比热容C_V之比。在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数，测定的方法有好多种。这里介绍一种较新颖的方法，通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算值。实验基本装置如图10-1所示，振动物体小球的直径比玻璃管直径仅小0.01~0.02mm。它能在此精密的玻璃管中上下移动，在瓶子的壁上有一小口，并插入一根细管，通过它各种气体可以注入到烧瓶中。

钢球A的质量为m，半径为r（直径为d），当瓶子内压力P满足下面条件时钢球A处于力平衡状态。这时，式中P_L为大气压力。为了补偿由于空气阻尼引起振动物体A振幅的衰减，通过C管一直注入一个小气压的气流，在精密玻璃管B的中央开设有一个小孔。当振动物体A处于小孔下方的半个振动周期时，注入气体使容器的内压力增大，引起物体A向上移动，而当物体A处于小孔上方的半个振动周期时，容器内的气体将通过小孔流出，使物体下沉。以后重复上述过程，只要适当控制注入气体的流量，物体A能在玻璃管B的小孔上下作简谐振动，振动周期可利用光电计时装置来测得。

若物体偏离平衡位置一个较小距离x，则容器内的压力变化Δp，物体的运动方程为：

                                      （10-1）                                      

因为物体振动过程相当快，所以可以看作绝热过程，绝热方程

                                          （10-2）

将（10-2）式求导数得出：    

          ，                    （10-3）

将（10-3）式代入（10-1）式得

                        

此式即为熟知的简谐振动方程，它的解为

                       

             　     (10-4)                              

式中各量均可方便测得，因而可算出值。由气体运动论可以知道，值与气体分子的自由度数有关，对单原子气体（如氩）只有三个平均自由度，双原子气体（如氢）除上述3个平均自由度外还有2个转动自由度。对多原子气体，则具有3个转动自由度，比热容比与自由度f的关系为 。  理论上得出：

单原子气体（Ar，He）        f=3        

双原子气体（N₂，H₂，O₂）     f=5        

多原子气体（CO₂，CH₄）      f=6             

且与温度无关。

本实验装置主要系玻璃制成，且对玻璃管的要求特别高，振动物体的直径仅比玻璃管内径小0.01mm左右，因此振动物体表面不允许擦伤。平时它停留在玻璃管的下方（用弹簧托住）。若要将其取出，只需在它振动时，用手指将玻璃管壁上的小孔堵住，稍稍加大气流量物体便会上浮到管子上方开口处，就可以方便地取出，或将此管由瓶上取下，将球倒出来。

振动周期采用可预置测量次数的数字计时仪（分50次，100次二档），采用重复多次测量。

振动物体直径采用螺旋测微计测出，质量用物理天平称量，烧瓶容积由实验室给出，大气压力由气压表自行读出，并换算N/m²。

【四】实验内容及步骤

1．接通电源，调节气泵上气量调节旋钮，使小球在玻璃管中以小孔为中心上下振动。注意，气流过大或过小会造成钢珠不以玻璃管上小孔为中心的上下振动，调节时需要用手当住玻璃管上方，以免气流过大将小球冲出管外造成钢珠或瓶子损坏。

2．打开周期计时装置，次数设置为50次，按下执行按钮后即可自动记录振动50次周期所需的时间。

3．若不计时或不停止计时，可能是光电门位置放置不正确，造成钢珠上下振动时未挡光，或者是外界光线过强，此时须适当挡光。

4．重复以上步骤五次（本实验仪器体积约为200ml）。

5．用螺旋测微计和物理天平分别测出钢珠的直径d和质量m，其中直径重复测量五次。

【五】实验数据与数据处理

1．求钢珠直径及其不确定度：

平均值：　

不确定度：

结果：          

2．在忽略容器体积V、大气压p测量误差的情况下估算空气的比热容及其不确定度

                    

【六】思考题

1．  注入气体量的多少对小球的运动情况有没有影响？

2．  在实际问题中，物体振动过程并不是理想的绝热过程，这时测得的值比实际值大还是小？为什么？