圆球导热系数、中温法向实验指导书、气体定压比热、空气绝热指数 - 图文

实验 气体定压比热测定

一、实验目的

1. 了解气体比热测定装置的基本原理和装置结构。 2. 熟悉本实验中温度、压力、热量、流量的测量方法。 3. 掌握由测量数据计算定压比热的方法。

4. 分析本实验中误差产生的原因及减小误差的可能途径。

二、实验原理

根据定压比热的概念，气体在t℃时的定压比热表示为

cp?dq dt （1）

当式（1）的温度间隔dt为无限小时，cp即为某一温度t时气体的真实定压比热（由于气体的定压比热随温度的升高而增大，所以在给出定压比热的数值时，必须指明是哪个温度下的定压比热）。如果已得出cp?f?t?的函数关系，温度由t1至t2的过程中所需要的热量即可按下式求得：

q??cpdt??(a?bt?ct2?)dt

1122 （2）

上式采用逐项积分来求热量十分复杂。在本实验的温度测量范围内（不高于300℃），空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线性，即可表示为：

cp?a?bt

q??t2 （3）

则温度由t1至t2的过程中所需要的热量可表示为：

t1?a?bt?dt

t2 （4）

由t1加热到t2的平均定压比热容则可表示为：

ct2pt1?a?bt?dt?t??a?bt11t2?t1?t2 2 （5）

实验中，通过实验装置是湿空气，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式（4）计算，其中a?1.833，b?0.0003111，则水蒸气的吸热量为：

Qw?mw??1.833?0.0003111t?dt

t1t222?kJ/s 1.833t?t?0.0001556t?t ?mw???2121???? （6）

式中：mw——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：

cpmt2t1?Qp(m?mw)?t2?t1??Q?p?Qw(m?mw)?t2?t1? （7）

式中：Q?p为湿空气气流的吸热量。

实验装置中采用电加热的方法加热气流，由于存在热辐射，不可避免地有一部分热量散失于环

境，其大小取决于仪器的温度状况。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、后的温度仍为t1和t2的前提下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量是相同的。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：

Q1?Qp1?Qw1??Q?(m1?mw1)cpm?t2?t1??Qw1??Q Q2?Qp2?Qw2??Q?(m2?mw2)cpm?t2?t1??Qw2??Q

两式相减消去?Q项，得到：

cpmt2t1??Q1?Q2???Qw1?Qw2??m1?m2?mw1?mw2??t2?t1?kJ/(kg?℃) （8）

三、实验装置

实验所用的设备和仪器仪表由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节测量系统共四部分组成，实验装置系统如图1所示。装置中采用湿式流量计2测定气流流量，采用小型鼓风机7作为气源设备，气流流量用节流阀1调整，电加热量使用调压变压器5进行调节，并用功率表4测量。

图1测定空气定压比热容的实验装置

1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；4-功率表；5-调压变压器；6-稳压器；7-风机

比热容测定仪本体（图2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2、温度计1和8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）、电加热器3、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，温度计1测量空气进口初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，温度计8测量出口温度。该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

四、实验数据处理方法

实验中需要测定干空气的质量流量m、水蒸气的质量流量mw、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mw 首先，在不启动电加热器的情况下，通过节流阀把气流流量调节到实验流量值附近，测定流量计出口?（由流量计上的温度计测量）和相对湿的气流温度t0?与?值，由湿空气的焓湿图确定含湿量，度?。根据t0并计算出水蒸气的容积成分yw：

yw?d/622

1?d/622 （9）

于是，气流中水蒸气的分压力为

pw?ywp

（10）

图2 比热容测定仪结构原理图

1、8-温度计；2-多层杜瓦瓶；3-电加热器； 4-均流网；5-绝缘垫；6-旋流片；7-混流网

式中：p——流量计中湿空气的绝对压力，Pa：

p?10B?9.81?h

（11）

式中：B—当地大气压，kPa；由大气压力计读取。

?h—流量计上U型管压力计读数，mm水柱；

调节变压器到适当的输出电压，开始加热。当实验工况稳定后，测定流量计每通过单位体积气体所需要的时间?以及其它数据。水蒸气的质量流量计算如下：

p(V/?) mw?wkg/s

RwT0式中：Rw——水蒸气的气体常数：Rw?461J/(kg?K) T0——绝对温度，K。

（12） （13）

干空气的质量流量计算如下：

mg?pg?V/??RT0kg/s

（14） （15）

R——干空气的气体常数：R?287J/(kg?K)

2.电加热器的加热量Qp'

电热器加热量可由功率表读出，功率表的读数方法详见说明书。

Qp'?3.6QpkJ/h

（16）

式中：Qp——功率表读数，W； 3.气流温度

气流在加热前的温度t1为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度t2由比热容测定仪上的温度计测量。

五、实验步骤

1. 启动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。测量流量计出口空气的干球温度t0和湿

球温度tw。

2. 启动调压变压器，调节到合适的电压，使出口温度计读数升高到预计温度。（可根据下式预先

估计所需电功率：Qp?12?t?，式中：W为电功率（W），?t为进出口温差（℃），?为每流过10升空气所需的时间（s）。

3. 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：

1) 10升气体通过流量计所需时间τ（s）； 2) 比热仪进口温度t1（℃）和出口温度t2（℃）；

3) 大气压力计读数B（kPa），流量计中气体表压?h（mmH2O）； 4) 电热器的功率Qp（W）。

4. 根据流量计出口空气的干球温度t0和湿球温度tw确定空气的相对湿度?，根据?和干球温度

从湿空气的焓湿图（工程热力学附图）中查出含湿量d（g/kg干空气）。 5. 每小时通过实验装置空气流量：

V?36/?m3/h

（17）

将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式：

mg??1?yw??1000B?9.81?h???36/??287?t0?273.15?kg/h

（18）

6. 水蒸气的流量：

将各量代入式（12）可得出水蒸气质量流量的计算式：

mw?yw?1000B?9.81?h???36/??461.5?t0?273.15?kg/h

（19）

六、计算实例

某一稳定工况实测参数如下：

t0＝8℃，tw＝7.8℃，tf＝8℃，B＝99.727kPa，t1＝8℃，t2＝240.3℃，?＝69.96s/10L，?h＝16mmH2O柱，Qp＝41.842W，由t0，tw查焓湿图得?＝94%，d＝6.3g/kg干空气。计算如下： 1. 水蒸气的容积成分：

6.3/622=0.010027

1?6.3/6222. 电加热器单位时间放出的热量：

代入式（9），得yw???3.6?Qp?3.6?41.842?150.632 kJ/h 代入式（16），得Qp3. 干空气质量流量：

代入式（18），得

mg??1?0.010027???1000?99.727?9.81??16?36/69.96287?8?273.15??0.63048 kg/h

4. 水蒸气质量流量：

代入式（19），得 mw?0.010027?1000?99.727?9.81??36/69.96461.5?8?273.15??0.0039755 kg/h

5. 水蒸气吸收的热量为：

?4221.728 kJ/h Qw?0.0039755?1.833240.3?8?1.556?10240.3?8????????则干空气的平均定压比热容为：

150.632?1.728240.3cpm8??1.0167 kJ/h

0.63048?240.3?8?七、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）。

八、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？

4. 在本实验的温度测量范围内（不高于300℃），空气的定压比热与温度的关系可近似认为是线

性，现在需要确定空气在室温到300℃的定压比热的非线性程度，请问可以用怎样的实验手段实现？

九、注意事项

1. 在空气未流通的情况下，电加热器切勿工作，以免引起局部过热而损坏比热仪。 2. 输入电加热器电压不得超过220V，气体出口温度最高不得超过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15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yauh.html