气体定压比热容的测定

测定气体定压比热容的基本测量项目,是测量巳知流量的气体的吸热量（或放热量）和温度变化值。基本方法可以分为两类。一类称为混合法,即预先将气体加热,让它流过量热器时受冷却（达到与量热器热平衡）,由量热器测定气体的放热量。另一类称为定流法,即让气体流过量热器时被加热,由量热器测定气体的吸热量,因此,除了要准确测定气体在量热器人口和出口的温度之外,还必须仔细消除量热器热损失的影响或确定它的修正值,才能准确地测定气体的吸热量或放热量.本实验采用定流法测定空气的平均定压比热容。

一、实验原理

气体的定压比热容定义为

                                                  (2-1)

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

                                          (2-2)

当气体在此等压过程中由温度t₁加热至温度t₂时,气体在此温度范围内的平均定压比热容值可以由下式确定：

                  kJ/(kg·℃)                    (2-3)

式中,m —— 气体的质量流量kg/s；

Q_P  —— 气体在等压流动过程中的吸热量,kJ/s

低压气体的定压比热容通常用温度的多项式表示,例如下面空气的定压比热容的实验关系式：

c_P = 1.02319-1.76019×10^-4T+4.02402×l0^-7T²

-4.87268×lO^-10T³                                 kJ/（kg·K）

式中T为绝对温度,K。该式用于250～600 K,平均偏差为0.03%,最大偏差为0.28%。

在离开室温不很远的温度范圈内,空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的,即可近似表示为

                                                   （2-4）

由t₁加热到t₂的平均定压比热容则表示为

                              （2-5）

大气是含有水蒸气的湿空气,当湿空气气流由温度t₁加热到t₂时,其中水蒸气的吸热量可用下式计算：

          kJ/s        （2-6）

式中,m_w为气流中的水蒸气质量，kg/s。于是,于空气的平均定压比热容由下式确定：

                                  （2-7）

式中Q^‘_p为湿空气气流的吸热量。

仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热）,不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同,散热量也相同。因此,在保持气流加热前的温度仍为t₁和加热后温度仍为t₂的条件下,当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时,每次的散热量当是一样的。于是,可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为m₁和m₂，加热器的加热量分别为Q₁和Q₂,辐射散热量为△Q,则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：

     

两式相减消去△Q项,得到

              kJ/（kg·℃）             （2-8）

二、实验设备

实验所用的设备和仪器仪表有比热容测定仪、湿式流量计、恒温槽、稳压气罐、温度计、电源设备和测量仪表、气源设备等,实验装置系统如图2-1所示, 装置中采用湿式流量计测定气流流量。流量计出口的恒温槽2用以控制测定仪器入口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备,并用钟罩型气罐5维持供气压力稳定。气流流量用调节阀3调整。

比热容测定仪(图24-2)由内壁镀银的真空杜瓦瓶1、温度计4和5(铂电阻温度计或精度较高的水银温度计)、电加热器6和铜网10组成。气体自进口管2引人,温度计4测量其初始温度,通过螺旋管进入双层夹套管。气体先流过管壁7和8之间的夹层,再流过8和9之间的夹层而进入电加热器部位加热。气体在双层夹套管中迁回,可以使电加热器散失的热量仍为气体所吸收。离开电加热器的气体经铜网10均流均温,温度计5测量加热终了温度,后由管3引出。

三、实验方法及数据整理

实验中需要测定干空气的质量流量m、水蒸气的质量流量m_w、电加热器的加热量（即气流吸热量）Q^‘_p和气流温度等数据,测定方法如下：

1． 干空气的质量流量m和水蒸气的质量流量m_w、电加热器不投入,摘下边量计出口与恒温槽连接的橡皮管,把气流流量调节到实验流量值附近,测定流量计出口的气流温度t_o（由流量计上的温度计测量）和相对湿度φ_o根据t_o与φ值由湿空气的焓 - 湿图确定含湿量d [g/kg],并计算出水蒸气的容积成分r_w：

                                                (2-9)

于是,气流中水蒸气的分压力为

                N/m²

式中 B一大气压力,mmHg

△h一流量计出口气流的表

压力,mmHg,由湿式流量计上

的压差计测量。

接上橡皮管,.开始加热。当

实验工况稳定后测定流量计每通

过V^’[m³](例如0.01³)血。气

体所花的时间τ[s],以及其它

数据。

水蒸气的质量流量计算如下：

         kg/s  （2-11）

式中R_w,=461.5J/（kg·K）。

干空气的质量流量计算如下：

   kg/s

式中 p —— 干空气的分压力：

  N/m² （2-13） 

            R=287J/（kg·K）

2．电加热器的加热量

         kJ/s

式中U——电加热器的端电压，V；

I——加热电流,A。

3.气流温度气流在加热前的温度t₁和加热后的温度t₂由比热容测定仪上的温度计测量。实验时,根据选定的气流初始温度t₁和加热温度t₂的变化范围及变化间隔,t₁用恒温槽调节,t₂由电加热器调节。

实验操作应注意如下事项：

1．电加热器不应在没有气流通过比热容测定仪时投入加热。

2.加热和冷却要缓慢,防止比热容测定仪因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。特别是停止实验时,应先停加热后停气流,并且在停止加热器加热后仍应维持小气流继续运行一段时间。

3.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。

根据式（2-8）计算得到的全部实验结果以如下形式表示出:

1.列表表示平均比热容与温度的关系；

2.用作图法或最小二乘法确霉式。（2-5）中的常数α和b值,用方程式表示空气的平均定压比热容与温度的关系。

1.用实验结果说明电加热器辐射热损失的影响,

2.分析引起实验误差的因素有哪一些,

3．在实验装置中,把湿式流量计连接位置改在稳压气罐之前,或恒温槽之后,或比热测定仪的排气管上,是否合理?试分析之。

第二篇：空气定压比热的测定

实验四  空气定压比热容的测定

一、实验目的

1. 了解气体比热容测定装置的基本原理和构思（本实验以空气为例）。

2. 熟悉实验中的温度、压力、热量和气体流量的测量方法。

3. 掌握由实验数据计算比热值的方法。

二、实验原理

由热力学可知，在没有对外界作功的气体的定压流动过程中，，则气体的定压比热容可表示为

                                                 （1）

当气体在此定压过程中由温度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

（kJ/kg·℃）                           （2）

式中：q_m——气体的质量流量，kg/s；

  ——气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s；

t₂ ——气体的出口温度，℃；

t₁ ——气体的入口温度，℃

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。如果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。

三、实验设备

1. 整个实验装置由风机、湿式流量计、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。另外还有大气压力计、秒表等。

2. 比热容仪器本体由图2所示。其中1-进口温度计；2-多层杜瓦瓶；3-电热器；4-均流网；5-绝缘体；6-旋流片；7-混流网；8-出口温度计。

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℃以下气体的定压比热容。

图1 实验装置图

图2  比热容仪本体图

四、实验步骤

l. 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，使流量保持在额定值（0.5m³/h）附近，测出流量计出口处的干球温度t_a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。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，可依据关系式进行估算，式中P为加热功率（W）；为比热容仪本体进出口温度差（℃）；为每流过10升空气所需的时间（s）。

4. 待出口温度稳定后（出口温度在3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（s）；

（2） 比热容仪进口温度t₁（℃）与出口温度t₂（℃）；

（3） 当时大气压力B（mmHg）和流量计出口处的表压力（mmH₂O）；

（4） 电加热器的电压U（V）和电流I（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脸。将上述实验数据添入所列的原始数据表中。

五、数据处理

l. 根据流量计出口处空气的干球温度t_a和湿球温度t_w，查出空气的相对湿度，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量（g水蒸汽/kg干空气），计算出水蒸汽的容积成分：

2. 电加热器消耗的功率可由电功率表读出 ，但要考虑表的内耗。设电流表的内阻为（），则可得电加热器单位时间放出的热量：

kJ/s

3. 干空气流量为

kg/s

4水蒸汽流量为

 kg/s

5.水蒸汽吸热量为

 kJ/s

6.干空气吸热量为

7.干空气的定压比热为：

（kJ/kg·℃）                           （2）

六、实验报告要求

1. 概述实验全部内容。

2. 实验原始数据记录表，计算过程及计算结果。

    3. 将实验结果表示在的坐标图（如图3）上，确定截距和斜率，从而得出比热容随温度变化的线性关系式。

图3 的坐标图

4. 对实验结果进行分析和讨论。

七、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。

八、实验原始记录表