氣體定壓比熱容實(shí)驗(yàn).doc

教學(xué)實(shí)驗(yàn) 2006氣體定壓比熱容實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書哈爾濱努謝爾特教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司電話手機(jī)：013936441288網(wǎng)址： Email：所謂比熱容是指單位物理量的物體溫度升高1度所需的熱量，簡稱比熱。根據(jù)選用計(jì)量物量的單位不同，有質(zhì)量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。通常用質(zhì)量千克作為計(jì)量物量的單位，得到的是質(zhì)量比熱，它的單位是千焦/千克開（kJ/kgK）。用符號(hào)表示，則 或 kJ/kgK （1）標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1米3氣體溫度升高1度所需的熱量稱作容積比熱，單位是千焦/米3開（kJ/m3K）用符號(hào)表示。氣體的定壓比熱容是計(jì)算在定壓變化過程中氣體吸入（或放出）的熱量的一個(gè)重要參數(shù)，所以氣體定壓比熱容的測定實(shí)驗(yàn)是工程熱力學(xué)基本實(shí)驗(yàn)之一，計(jì)算中用到比熱及混合氣體（濕空氣）方面的基本知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)的目的是增加熱物性實(shí)驗(yàn)研究方面的感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)理論聯(lián)系實(shí)際，有利于培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈿怏w比熱測定裝置的基本原理和構(gòu)思。熟悉本實(shí)驗(yàn)中測溫、測壓、測熱、測流量的方法。掌握由基本數(shù)據(jù)計(jì)算出比熱值和比熱公式的方法。分析本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。二、實(shí)驗(yàn)原理引用熱力學(xué)第一定律解析式，對(duì)可逆過程有： 和 （2）定壓時(shí) （3）此式直接由的定義導(dǎo)出，故適用于一切工質(zhì)。在沒有對(duì)外界作功的氣體的等壓流動(dòng)過程中： （）則氣體的定壓比熱容可以表示為： kJ/kg （5）式中：氣體的質(zhì)量流量，kg/s；氣體在等壓流動(dòng)過程中的吸熱量，kJ/s。由于氣體的實(shí)際定壓比熱是隨溫度的升高而增大，它是溫度的復(fù)雜函數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，理想氣體的比熱與溫度之間的函數(shù)關(guān)系甚為復(fù)雜，但總可表達(dá)為： （6）式中、等是與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。例如空氣的定壓比熱容的實(shí)驗(yàn)關(guān)系式：kJ/kgK式中：絕對(duì)溫度，K。該式適用于250600K，平均偏差為0.03%，最大偏差為0.28%。由于比熱隨溫度的升高而增大，所以在給出比熱的數(shù)值時(shí)，必須同時(shí)指明是那個(gè)溫度下的比熱。根據(jù)定壓比熱的定義，氣體在時(shí)的定壓比熱等于氣體自溫度升高到時(shí)所需熱量除以，即：當(dāng)溫度間隔為無限小時(shí)，即為某一溫度時(shí)氣體的真實(shí)比熱。如果已得出的函數(shù)關(guān)系，溫度由至的過程中所需要的熱量即可按下式求得：用逐項(xiàng)積分來求熱量十分繁復(fù)。但在離開室溫不很遠(yuǎn)的溫度范圍內(nèi)，空氣的定壓比熱容與溫度的關(guān)系可近似認(rèn)為是線形的，即可近似表示為： （7）則溫度由至的過程中所需要的熱量可表示為： （8）由加熱到的平均定壓比熱容則可表示為： （9）大氣是含有水蒸氣的濕空氣。當(dāng)濕空氣氣流由溫度加熱到時(shí)，其中水蒸氣的吸熱量可用式（8）計(jì)算，其中，則水蒸氣的吸熱量為： = kJ/s （10）式中：氣流中水蒸氣質(zhì)量，kg/s。則干空氣的平均定壓比熱容由下式確定： （11）式中：為濕空氣氣流的吸熱量。儀器中加熱氣流的熱量（例如用電加熱器加熱），不可避免地因熱輻射而有一部分散失于環(huán)境。這項(xiàng)散熱量的大小決定于儀器的溫度狀況。只要加熱器的溫度狀況相同，散熱量也相同。因此，在保持氣流加熱前的溫度仍為和加熱后溫度仍為的條件下，當(dāng)采用不同的質(zhì)量流量和加熱量進(jìn)行重復(fù)測定時(shí)，每次的散熱量當(dāng)是一樣的。于是，可在測定結(jié)果中消除這項(xiàng)散熱量的影響。設(shè)兩次測定時(shí)的氣體質(zhì)量流量分別為和，加熱器的加熱量分別為和，輻射散熱量為，則達(dá)到穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱平衡關(guān)系兩式相減消去項(xiàng)，得到 kJ/kg （12）三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備和儀器儀表由無油氣泵、氣體飽和加濕器、濕式氣體流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、U型壓力計(jì)、溫度測量儀表、比熱儀本體、電功率調(diào)節(jié)及測量系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。圖1測定空氣定壓比熱容的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)裝置中采用濕式氣體流量計(jì)測定氣體流量。流量計(jì)上裝有溫度計(jì)及壓力計(jì)測量空氣參數(shù)。裝置可以采用小型單級(jí)無油氣泵作為氣源設(shè)備，并用氣體飽和加濕器把氣體加濕至飽和狀態(tài)，其目的一保證濕式氣體流量計(jì)中水位保持穩(wěn)定，二是使含濕量的測量及計(jì)算簡化。氣流流量用調(diào)節(jié)閥調(diào)整。比熱容測定儀本體由內(nèi)壁鍍銀的多層杜瓦瓶、出口溫度計(jì)（鉑電阻溫度計(jì)）電加熱器和均流網(wǎng)，絕緣墊和混流網(wǎng)組成。氣體自進(jìn)口管引入，進(jìn)口初始溫度由濕式氣體流量計(jì)上的溫度計(jì)測量，離開電加熱器的氣體經(jīng)均流網(wǎng)均流均溫，由出口溫度計(jì)測量加熱終了溫度，后被引出。該比熱儀可測300以下氣體的定壓比熱。四、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)中需要測定干空氣的質(zhì)量流量、水蒸氣的質(zhì)量流量、電加熱器的加熱量（即氣流吸熱量）和氣流溫度等數(shù)據(jù)，測定方法如下：1、干空氣的質(zhì)量流量和水蒸氣的質(zhì)量流量 電加熱器不加熱，連接好橡皮管，把氣流流量調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)流量值附近，測定流量計(jì)出口的氣流溫度（由流量計(jì)上的溫度計(jì)測量），根據(jù)氣流溫度查出飽和水蒸汽分壓力。壓力流量計(jì)上壓力表（U型管）讀數(shù)，mmH2O柱；當(dāng)?shù)卮髿鈮海琸Pa；由數(shù)字式壓力計(jì)讀出。流量計(jì)中濕空氣的絕對(duì)壓力（Pa）： （15）接上橡皮管，開始加熱。當(dāng)實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定后測定流量計(jì)每通過（m3）（例如0.01m3）氣體所花的時(shí)間（s），以及其它數(shù)據(jù)。所加熱的空氣已加濕至飽和，故水蒸氣的質(zhì)量流量計(jì)算如下： kg/s （16）飽和水蒸汽分壓力 Pa測試過程中實(shí)施氣體流量計(jì)所流過的體積- L(升)式中：水蒸氣的氣體常數(shù)： J/（kgK） （17） 絕對(duì)溫度，K。干空氣的質(zhì)量流量計(jì)算如下：干空氣的氣體常數(shù)： J/（kgK） （19）2、電加熱器的加熱量電熱器消耗功率可由功率表讀出： （kJ/h） （20）式中：功率表讀數(shù)，W； 3、氣流溫度 氣流在加熱前的溫度等于濕式氣體流量計(jì)測量的溫度，加熱后的溫度由比熱容測定儀上的溫度計(jì)測量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)選定的氣流初始溫度和加熱溫度的變化范圍及變化間隔，由電加熱器調(diào)節(jié)。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、接通電源及測量儀表，選擇所需的出口溫度計(jì)插入混流網(wǎng)的凹槽中。2、連接好橡皮管，把氣流流量調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)流量值附近，測定流量計(jì)出口的氣流溫度（）。3、將溫度計(jì)插回流量計(jì)，重新調(diào)節(jié)流量，使它保持在額定值附近，逐漸提高電壓，使出口溫度計(jì)讀數(shù)升高到預(yù)計(jì)溫度。（可根據(jù)下式預(yù)先估計(jì)所需電功率：,式中：為電功率（W），為進(jìn)出口溫差（），為每流過10升空氣所需的時(shí)間（s）。4、待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內(nèi)無變化或有微小起伏即可視為穩(wěn)定），讀出下列數(shù)據(jù)：10升氣體通過流量計(jì)所需時(shí)間（s）；比熱儀進(jìn)口溫度（）；出口溫度（）；大氣壓力計(jì)讀數(shù)（kPa），流量計(jì)中氣體表壓（mmH2O）；電熱器的功率（W）。5、改變工況，改變加熱量或改變流量，待出口溫度穩(wěn)定后，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，共測5組數(shù)據(jù)。六、數(shù)據(jù)處理（一）、計(jì)算計(jì)算干空氣的平均定壓比熱容1、根據(jù)流量計(jì)出口空氣的溫度從飽和蒸汽壓力表中查出對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣分壓力。 2、每小時(shí)通過實(shí)驗(yàn)裝置空氣流量： （m3/h） （21）式中：每10升空氣流過所需時(shí)間，s；3、計(jì)算干空氣質(zhì)量流量： kg/h （22）4、水蒸氣的流量：將各量代入式（2-16）并統(tǒng)一單位可以得出水蒸氣質(zhì)量流量的計(jì)算式： kg/h （23）5、計(jì)算水蒸氣吸熱量 = kJ/h 6、計(jì)算電加熱器的熱量 （kJ/h） 7、計(jì)算干空氣的平均定壓比熱容為： kJ/kg （二）、比熱隨溫度變化關(guān)系：假定在0-300之間，空氣真實(shí)定壓比熱與溫度之間進(jìn)似地有線性關(guān)系：則由到的平均定壓比熱為： kJ/kg若以（t1+t2）/2為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)（圖3），則可根據(jù)不同溫度范圍的平均比熱確定截距a和斜率b,從而得出比熱隨溫度變化的計(jì)算式。圖3空氣定壓比熱容與溫度的關(guān)系曲線根據(jù)測得數(shù)據(jù)，做出平均比熱與溫度之間的關(guān)系曲線，并擬合出關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：a） 電熱器不應(yīng)在無氣流通過情況下投入工作，以免引起局部