工 程 热 力 学

实 验 指 导 书

许思传

同济大学汽车学院

二○##年三月

实验Ⅰ：喷管中气体流动特性实验... 3

一、实验目的... 3

二、实验原理... 3

三、实验装置... 3

四、实验步骤... 4

实验Ⅱ：空气比定压热容测定实验... 7

一．实验目的... 7

二. 实验装置和原理.. 7

三.实验步骤和数据处理... 8

四．注意事项... 10

实验Ⅲ：真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验... 11

一．实验目的... 11

二．实验装置... 11

三．实验步骤... 12

四．数据记录及计算结果... 13

五、注意事项... 14

实验Ⅳ：二氧化碳p―v―T关系的观察和测定... 15

一．实验目的... 15

二．实验原理... 15

三．实验装置... 17

四．实验步骤... 19

五、实验数据的整理... 19

六、实验报告... 20

七、注意事项... 20

实验Ⅴ：可视性饱和蒸汽温度和压力关系实验... 21

一．实验目的... 21

二．实验装置... 21

三．实验方法与步骤... 21

四．实验结果整理... 22

五．注意事项... 22

实验Ⅵ：空气绝热指数测定实验... 23

一．实验目的... 23

二．实验装置及测试原理... 23

三．实验方法及实验步骤... 24

四、实验数据处理... 24

五．测试结果分析... 25

六．注意事项... 25

实验Ⅰ：喷管中气体流动特性实验

一、实验目的

1.通过演示渐缩、缩放形喷管，观察气流随背压变化而引起的压力和流量变化，绘制喷管各截面压力—轴向位移曲线和流量—背压曲线。

2通过观察渐缩和缩放喷管中膨胀不足和过度膨胀现象，进一部了解工作条件对喷管流动过程的影响。

3学习热工仪表的使用方法。

二、实验原理

本实验装置利用真空泵吸气，造成喷管内各个截面及其背压都具有一定的真空度，实现空气在喷管中流动。

通过改变背压，引起喷管中气流的压力和流量发生变化，用函数记录仪绘制出实验曲线，借以达到直观的效果。

三、实验装置

实验装置如图1-1所示

    喷管各截面的压力和背压，由真空表测定，流量由U型压差计测定。

四、实验步骤

1通过渐缩喷管试验台，绘制压力—位移曲线及流量—背压曲线。

（1）打开真空泵阀门，打开冷却水，转动手轮，使测压针位于喷管进口位置，开启真空泵。

（2）通过真空泵阀门调调节背压（该值由背压真空表读出），使其大于、等于及小于临界压力。

（3）转动手轮，在不同工况下将探针从喷管进口逐步移到喷管之外一段距离，可得如图1-2所示的压力曲线。

这组曲线表明，渐缩喷管内任何截面上的压力都不会低于临界压力。当背压低于临界压力时，气流在喷管外发生突然膨胀，压力降低到背压。

（4）调节背压，使/＝1开始逐渐降低，流量相应自零开始逐渐增大。当/p₁=_r/p₁时，流量达最大值。以后再继续降低时，流量保持不变。这说明气流在喷管中达到了最大流量，见图1-3。

2．在缩放喷管试验台上，同样绘制上述两种曲线。

（1）调节背压，使其大于、等于及小于设计值。

（2）转动手轮，在不同工况下将探针从喷管进口逐步移到喷管之外一段距离，可得如图1-4所示的压力曲线。

在这组曲线中，可以看到气流在管内充分膨胀、膨胀不足以及膨胀过度的现象。而且压力发生突变的位置随背压的提高向最小截面移动。                    

（3）重复1中（4）步骤，可得不同工况下缩放喷管的流量曲线。这里也同样出现最大流量现象，但其最高背压将不同于渐缩喷管的最高背压，见图1-5。

图1-4  缩放喷管压力曲线

五．注意事项

1.在关闭真空泵之前，务必先关闭真空泵阀门，以免冷却水倒灌入真空罐。

实验Ⅱ：空气定压比热容测定实验

一．实验目的

1了解空气定压比热容装置的工作原理

2.掌握由基本数据计算出定压比热容值和求得定压比热容计算公式的方法

3熟悉本实验中测温、测压、测相对湿度、以及测流量的方法。

4分析本实验产生的原因及减少误差的可能途径。

二. 实验装置和原理

本装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器及功率表等四部分组成，如图2-1所示。比热仪主体如图2-2所示：1—多层杜瓦瓶，2—电加热器，3—均流网，4—绝缘垫，5—旋流片，6—混流网，7—出口温度计。

实验时，被测空气由风机经流量计送入比热仪主体，经加热、均流、旋流、混流后流出。在此过程中，分别测定气体在流量计出口处的干、湿球温度（t_a,t_v）（可利用大气干湿球温度代替）；气体流经比热仪主体的进出口温度（t₁,t₂）；气体的体积流量（V）；电热器的输入功率（W）；以及实验时相应的大气压力（P_b）和流量计出口处表压力（p_g）。有了这些数据，并查用相应的物性参数，即可计算出被测气体的定压比热容（c_P）。

气体的流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。

三.实验步骤和数据处理

1.接通电源及测量仪表，开动风机，开启加热器，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。

3.逐渐提高调压器电压，即提高加热器功率，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：Ｗ12      .式中：W为功率表读数（W）；t为比热仪进出口温度差（℃）；为每流过10升空气所需时间（s）]。

 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），测量和读出下列数据：

每10升气体通过流量计所需时间（，s）；

比热仪进口温度（t₁）和出口温度（t₂）；

当时相应的大气压（p_b）；

流量计出口处的表压(p_g，由mmH₂O换算成pa)；

干球温度t₁、湿球温度t_w、相对湿度

加热功率，即功率表读数（W）；

5.根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，g/kgDA），并根据下式计算出水蒸气的摩尔成分：

                 

   则干空气的摩尔成分为:   y_a=1-y_v

6. 根据电加热器消耗的电功率，可算得加热器单位时间放出的热量：

                      W

7.干空气质量流量为：

        kg/s

8.水蒸气质量流量为：

      kg/s

9.水蒸气定压比热容的经验公式为：

        c_p,v=1844+0.4886t_v      J/（kg.K）

水蒸气吸收的热量为：

Q_v=q_m                J/s

10.干空气的定压比热容为：

＝       J/(kg K)

11空气的定压比热容为

       

          =w_ac_a+w_vc_v                       J/（kg.K）

12.比热随温度的变化关系

   假定在0—150℃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 ：

   

因此，若以为横座标，C_pm︱为纵座标（图2-3），则可根据不同温度范围内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。

四．注意事项

1.切勿在无气流通过的情况下使电热器投入工作，以免引起局部过热而损坏比热仪主体。

2.输入电热器的电压不得超过220伏，气流出口最高温度不得超过300。

3.加热和冷却要缓慢进行，防止温度计和比热仪主体因温度骤升和骤降而破裂。

4.停止实验时，应先切断电热器。让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）

5.流量计内应确保有适量的水

实验Ⅲ：真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验

一．实验目的

1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而

树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。

2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽P—T关系图表的编制方法。

3、学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。

4、能观察到小容积和金属表面很光滑（ 汽化核心很小）的饱态沸腾现象。

二．实验装置

实验装置如图3-1所示

图3-1 真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验装置示意图

1、压力表，2、排气阀，3、缓冲器，4、可视玻璃及蒸汽发生器，5、电源开关，6、电功率调节，7、温度计（0～300℃），8、可控数显温度仪，9、电压表

三．实验步骤

1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。

2、将电功率调节器调节至电压表零位，然后接通电源。

3、将调压器输出电压调至200～220V，待蒸汽压力升至一定值时，将电压降至20～50V保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述实验，在0～1Mpa（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。

4、实验完毕后，将调压器旋回零位，并断开电源。

5、记录室温和大气压力。

四．数据记录及计算结果

1．测量的数据列表3-1所示。

表3-1  测量数据表

2、绘制P—t关系曲线：

将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。

图3-2实验结果曲线示意图

3、总结经验公式：

将实验曲线绘制在双对数坐标纸上，则基本呈一直线，故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式：

图3-3经验公式曲线示意图

4、误差分析：

通过比较发现测量比标准值低1%左右，引起误差的原因可能有以下几个方面：

（1） 读数误差。

（2） 测量仪表精度引起的误差。

（3） 利用测量管测温所引起的误差。

五、注意事项

1、实验装置通电后必须有专人看管。

2、实验装置使用压力为1MPa（表压），切不可超压操作。

3、加热过程中，箱体上方的金属管温度很高，严禁触碰。

实验Ⅳ：二氧化碳p―v―T关系的观察和测定

一．实验目的

1、观察二氧化碳相变过程中的凝结（或汽化）现象。

2、测定临界参数，并观察临界状态附近气液两相界限模糊现象。

3、观察超临界压力下加热和冷却时气液两相连续过渡现象。

4、用定温法测定二氧化碳的p―v―T关系（在p―v图上画出定温线）。

二．实验原理

简单可压缩系统处于平衡态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定关系，可表示为

F（p，v，T）= 0 或 v = f（p，T）

图4－1二氧化碳p―v―T关系曲线

维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可得到等温线的数据。在不同温度下对二氧化碳气体进行压缩，将此过程画在p—v图上，可得到如图4－1所示的二氧化碳p―v―T关系曲线。当温度低于临界温度t_c时，该二氧化碳实际气体的等温线有气液相变的直线段。随着温度的升高，相变过程的直线段逐渐缩短。当温度增加到临界温度时，饱和液体和饱和气体之间的界限已完全消失，呈现出模糊状态，称为临界状态。二氧化碳的临界压力p_c为7.38MPa ，临界温度t_c为31.1℃。在p―v图上，临界温度等温线在临界点上既是驻点，又是拐点。临界温度以上的等温线也具有拐点，直到48.1℃才成为均匀的曲线。

三．实验装置

图4－2 实验装置系统

1、压缩室本体 2、活塞式压力计 3、恒温器

图4－3 压缩室本体示意图

1、玻璃毛细管 2、水银室 3、压力油室 4、温度计 5、恒温水套

实验所用的设备和仪器仪表有压缩室本体、恒温器、压力表、温度计和活塞式压力计等。

实验装置系统如图4-2所示。气体的压力由活塞式压力计2的手轮来调节。压缩气体时，缓缓转动手轮以提高油压。气体的温度由恒温器3给水套供水而维持一定，并由水套内的温度计读出。

压缩气体的压缩室本体由一根预先刻度并封有二氧化碳气体的玻璃毛细管和水银室组成，如图4-3所示。玻璃毛细管1插入水银室2中，之后，再打开玻璃管下口。实验时，缓缓恒温水套转动活塞式压力计2的手轮，逐渐增大压力油室3中的油压，使毛细管中的水银面缓缓上升，压缩毛细管内的二氧化碳气体。二氧化碳气体的体积可由毛细管上的刻度读出。

玻璃恒温水套5用以维持毛细管1内气体温度不变的条件，并且可以透过它观察气体的压缩过程。

四．实验步骤

1、开动恒温水浴的水泵，使室温下的水循环，记录水套内温度计的数值（取水套内两只温度计读数的平均值）。

2、关闭活塞式压力泵两端的阀门，开启中间的液压油存储腔阀门，转动手轮移除活塞使液压油进入活塞，到底后关闭存储腔阀门，开启两端阀门建立压力，如果一次行程无法建立所需压力，可重复以上步骤继续建立压力。

3、当压力接近临界压力时，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。压力间隔一般可取0.5Mpa，在接近饱和状态时压力间隔应取0.05Mpa。同时，注意观察承压管内水银柱上方有二氧化碳液体出现的起始点及二氧化碳气体全部变成液体的起始点，并记录对应的压力值p及体积V。

3、打开恒温水浴的加热器开关，将恒温水浴的电接点温度计调定高于室温但低于临界温度的某一值，待水加热后，记录水套上温度计的数值，重复进行3步骤。

4、将恒温水浴的电接点温度计调为临界温度值（31.1℃）。待水加热后，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。在临界状态附近压力间隔应小些，可取0.05 Mpa。同时，注意观察临界状态附近气液两相界限模糊现象，并记录此时压力值p_c及对应的二氧化碳体积V。

5、将恒温水浴的电接点温度计调定高于临界温度的某一值。待水加热后，记录水套内温度计的数值，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。会发现，压力再高，二氧化碳气体也不会液化。

6、若时间允许，可再调高水浴温度，重复进行5步骤。可通过降压过程观察汽化现象。

五、实验数据的整理

1、计算毛细管中二氧化碳的质量m。

在已测得的温度低于临界温度的数据中，找出一组液态二氧化碳的数据，其温度为t₀ ，压力为p₀ ，体积为V₀。再在有关资料上查找出在相同温度、压力下二氧化碳液体的比容v₀的数据（如表4-1），则二氧化碳的质量m= V₀/ v₀ 。

表4-1 二氧化碳液体比容v m³/kg ]的部分数据

2、用表格方式列出实验所得的二氧化碳p―v―T关系的数据。

3、在p―v图上画出测定的一组或几组等温线，并标明临界状态点。

六、实验报告

实验报告至少应包括如下内容：

1、实验目的；

2、实验原理与方法；

3、实验数据及图表；

4、实验结论及讨论。

七、注意事项

1、恒温水流量应足够大，使水套进、出口的水温尽可能接近相同。

2、改变恒温水温度后应稳定足够长的时间，当玻璃水套上的温度计读数与恒温水浴内已标定的两只温度计读数相同时，二氧化碳处于标定温度，然后再开始测量数据。

3、转动活塞式压力计的手轮增大油压时，应使毛细管中的水银面缓缓上升，保持缓慢压缩毛细管内的二氧化碳气体。

4、每次加压后要有足够的时间让二氧化碳平衡，然后再开始测量数据。

5、严格遵守活塞式压力计的操作规程，特别是降低压力时，不应使毛细管内的二氧化碳突然膨胀，以致穿入油室。

思考题：实验中为什么要保持加压（或降压）过程缓慢进行？

实验Ⅴ：可视性饱和蒸汽温度和压力关系实验

一．实验目的

1.通过观察饱和蒸汽温度和压力的关系，加深对饱和状态的理解。

2.绘制饱和蒸汽P—T关系曲线。掌握温度计、压力表、调压器和大气压力计的使用方法。

3.观察金属表面的沸腾现象。

二．实验装置

实验装置如图5-1所示。

三．实验方法与步骤

1接通电源。

2先将调压器输出电压调至180V左右，待蒸汽压力升至一定值时，再将电压降至30—50伏保温，待工况稳定后，记录水蒸气的压力及温度。

3改变电压，重复上述实验，要求表压在0—1Mp_a范围内要求实验不少于6次，且实验点尽量分布均匀。

4实验结束后，将调压器指针旋回零位，并切断电源。

5记录室温和大气压力。

四．实验结果整理

1根据记录的数据，在座标纸上绘制p—T实验曲线。

2将实验结果与教材相对照，验证饱和蒸汽的p—T关系。

五．注意事项

1.实验装置通电后必须专人看管

2.装置最高使用压力为1Mp_a（表压），不可超压工作。

3．加热过程中，箱体上方的金属管温度很高，严禁触碰。

实验Ⅵ：空气绝热指数测定实验

一．实验目的

1、测定空气的绝热指数k及空气的定压比热容Cp 及定容比热容Cv。

2、熟悉以绝热膨胀、定容加热基本热力过程为工作原理的测定绝热指数实验方法。

二．实验装置及测试原理

空气绝热指数也叫作气体的比热容比，在热力学过程中是一个重要的参量，很多空气

中的绝热过程都与比热容比有关，本装置就是用于测定比热容比的。

图6-1 实验装置示意图

实验时利用气囊往有机玻璃容器内充气，通过U型压力计测出容器内的压力P1；压力稳定后，突然打开阀门并迅速关闭，在此过程中，空气绝热膨胀，在U型压力计上显示出膨胀后容器内的空气压力P2；然后，持续一小时左右，使容器中的空气与实验环境的空气进行热交换，最后达到热平衡，即容器中的空气温度与环境温度相等，此时，U型压力计显示出温度相等后，容器中空气压力P3。

根据过程方程：

状态方程：

其中：

 所以：

因为：

     所以：

三．实验方法及实验步骤

1、测试前的准备

（1）在所有阀门开启的情况下（即容器与大气相通），用医用注射器将蒸馏水注入U型

压力计至一定高度。水柱内不能含有气泡，如有气泡，要设法排除。

（2）调整装置的水平位置，使U型压力计两水管中的水柱高在一个水平线。

2、记录U型压力计初始读数h。（即容器与大气相通时，压力计中水柱高度）。

3、关闭阀门2。

4、用气囊往有机玻璃容器内缓慢充气，至一定值时，待压力稳定后，记录此时的水柱

高度差△h1。

5、突然打开阀门2，并迅速关闭。空气绝热膨胀后，在U型管内显示出膨胀后容器内

的气压，记录此时的水柱高度差△h2。

6、持续1～2小时，待容器内空气的温度与测试现场的大气温度一致时，记录此时的水

柱高度差△h3。

7、一般要求重复三次试验，取其结果的平均值作为实验最终结果。

四、实验数据处理

大气压力Pa=         mmH2O

大气温度ta=          ℃

  P1= Pa+ Δh1     mmH2O

  P2= Pa + Δh2     mmH2O

  P1= P a+ Δh3     mmH2O

空气绝热指数：

空气定容比热：

空气定压比热：

五．测试结果分析

1、分析影响测试结果的因素。

2、讨论测试方法存在的问题。

六．注意事项

1、气囊有时有漏气现象，充气后可以将阀3关闭。

2、在试验过程中，测试现场的温度要求基本恒定，不然，很难测出可靠的数据。