2023年《工程熱力學(xué)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

《工程熱力學(xué)試驗(yàn)》指導(dǎo)書福州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2023年11月試驗(yàn)2空氣比熱容比測定一、試驗(yàn)?zāi)康?、測量空氣定壓比熱容與定容比熱容之比。2、觀測熱力學(xué)過程中空氣狀態(tài)變化的根本規(guī)律。3、學(xué)習(xí)用傳感器準(zhǔn)確測量氣體壓強(qiáng)和溫度的原理和方法。二、試驗(yàn)原理氣體的定壓比熱容c定容比熱容，之比稱為氣體的比熱容比，用符號上表示,P v它被稱為氣體的絕熱系數(shù)，是一個很重要的參量，常常消滅在熱力學(xué)方程中。通過測量總可以加深對絕熱、定容、定壓、等溫等熱力學(xué)過程的理解。如圖1所示，以貯氣瓶內(nèi)的氣體作為爭論對象進(jìn)展如下試驗(yàn)過程:1、首先翻開放氣閥A,貯氣瓶與大氣相通，再關(guān)閉A,瓶內(nèi)布滿與四周空氣同溫（設(shè)為?。┩瑝海ㄔO(shè)為P）的氣體。o o2、翻開充氣閥B,用充氣球向瓶內(nèi)打氣，充入肯定量的氣體，然后關(guān)閉充氣閥Bo此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強(qiáng)增大，溫度上升。等待內(nèi)部氣體溫度穩(wěn)定，即到達(dá)與四周溫度平衡，此時的氣體處于狀態(tài)I（pyj）o1 1 03、快速翻開放氣閥A,使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，當(dāng)瓶內(nèi)壓強(qiáng)降至P時，馬上關(guān)閉放氣 圖1試驗(yàn)裝置簡圖o閥A,將有體積為AV的氣體噴瀉出貯氣瓶。由于放氣過程較快，瓶內(nèi)保存的氣體來不及與外界進(jìn)展熱交換，可以認(rèn)為是一個絕熱膨脹的過程。在此過程后瓶中的氣體由狀態(tài)I ）轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)II（P,?,丁）。為貯氣瓶容積，/為TOC\o"1-5"\h\z1 1 0 0 2 1 2 1保存在瓶中這局部氣體在狀態(tài)IIP/）時的體積。I04、由于瓶內(nèi)氣體溫度丁低于室溫丁，所以瓶內(nèi)氣體漸漸從外界吸熱，直至1 o到達(dá)室溫丁為止，此時瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)也隨之增大為。。則穩(wěn)定后的氣體狀態(tài)為0 2HI(PJ/,T)。從狀態(tài)II-狀態(tài)HI(PJ/,T)。從狀態(tài)II-狀態(tài)III2 2 0的過程可以看作是一個等容吸熱的過程。由(b)圖(b)圖2氣體狀態(tài)變化RV圖IfII是絕熱過程，由絕熱過程方程得TOC\o"1-5"\h\zPVf=PV(1)I1 02狀態(tài)I和狀態(tài)III的溫度均為T,由氣體狀態(tài)方程得0PV=PV (2)1I22由式(1)、式(2)消去V、V得I2InP-InPInMP) ,、Y= 1 <>= fo (3)\nP-InPInHP)I 2 ,12由式(3)可以看出，只要測得P、I\P就可求得空氣的絕熱指數(shù)廄0 1 2假設(shè)由于環(huán)境的溫度的變化我們測量到狀態(tài)IV(勺，/2'工)’我們可以把狀態(tài)iv轉(zhuǎn)化到狀態(tài)ni【心由于狀態(tài)IV-狀態(tài)ni是等容過程，由等容過程方程知：PT三、試驗(yàn)儀器1、空氣比熱容比測定儀本試驗(yàn)承受的THQBR-1型空氣比熱容比測定儀由集中硅壓力傳感器、AD590集成溫度傳感器、電源、容積為L毫升的玻璃瓶、打氣球及導(dǎo)線等組成。如圖3所示。圖3THQBR-1型空氣比熱容比測定儀轉(zhuǎn)換公式為： P=P+U/L (4)Io2、氣壓計該氣壓計用來觀測環(huán)境氣壓。3、水銀溫度計用來觀測環(huán)境溫度。四、試驗(yàn)步驟1、接好儀器電路，開啟電源，預(yù)熱20分鐘，然后調(diào)零。2、把活塞A關(guān)閉，活塞B翻開，用充氣球緩慢的將肯定量的氣體壓入貯氣瓶內(nèi)并關(guān)閉B,等氣體穩(wěn)定后記錄瓶內(nèi)的壓強(qiáng)與和溫度7Go3、突然翻開A,當(dāng)貯氣瓶的空氣壓強(qiáng)降低到環(huán)境大氣壓強(qiáng)P。時(放氣聲音消逝時)，快速關(guān)閉活塞Ao4、當(dāng)貯氣瓶內(nèi)的溫度和環(huán)境溫度平衡時記錄瓶內(nèi)氣體的壓強(qiáng)P2o5、用公式(3)進(jìn)展計算，求得空氣的比熱容比，?的值，并與準(zhǔn)確值做比較?？諝?的準(zhǔn)確值：rp=1.0032kJ/kg.℃,rv=0.7106kJ/kg.℃,=1.412。6、重復(fù)步驟2?4,重復(fù)測量三次，比較屢次測量中氣體的狀態(tài)變化有何異同,并計算三次測量的平均總值。五、數(shù)據(jù)處理說明：表中已AP、AP分別為絕熱壓縮過程和等容吸熱過程氣體壓強(qiáng)的增量，試驗(yàn)時1 2〃(105Pa)AP"mV)丁/(mV)1AP2(mV)T!(inV)2p1p2r先按直流數(shù)字電壓表測得值記錄單位為mV,試驗(yàn)計算中再由換算因子2(X)(mV)相當(dāng)于O.lxl()5Pa將之化為壓強(qiáng)值(單位Pa)，枯燥空氣絕熱指數(shù)理論值丫:1.402六、留意事項(xiàng)1、試驗(yàn)在翻開活塞C2放氣時，當(dāng)聽到放氣聲完畢應(yīng)快速關(guān)閉活塞，提早或推遲關(guān)閉活塞C?都將影響試驗(yàn)要求。(由于數(shù)字電壓表有滯后性，經(jīng)過屢次試驗(yàn)測量，放氣時間約為零點(diǎn)兒秒，與放氣聲音消逝根本全都，所以關(guān)閉活塞用聽聲音更牢靠。)2、試驗(yàn)要求環(huán)境溫度根本保持不變。(假設(shè)環(huán)境的溫度發(fā)生了比較大的變化，可以先轉(zhuǎn)化到與狀態(tài)I一樣的溫度在進(jìn)展計算。)3、壓力傳感器與主機(jī)要配套使用，儀器之間不行相互換用。4、密封裝配后必需等膠水變干且不漏氣，方可做試驗(yàn)。5、橡膠管在插入玻璃管前可先沾水或者肥皂水，然后輕輕推入，以免玻璃管斷裂。七、思考題1、該試驗(yàn)的誤差來源主要有哪些？2、本次試驗(yàn)是用何種方法測量空氣比熱容比的？3、如何檢查系統(tǒng)是否漏氣？如有漏氣，對試驗(yàn)結(jié)果有何影響？4、對該試驗(yàn)提出改進(jìn)意見，或設(shè)計一套的試驗(yàn)方案。試驗(yàn)1氣體定壓比熱容測定試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康?、了解氣體比熱測定裝置的根本原理和構(gòu)思；2、生疏本試驗(yàn)中溫度、壓力、電加熱功率、流量的測量方法；3、把握由根本數(shù)據(jù)計算出定壓比熱容值和擬合比熱容公式的方法;4、分析本試驗(yàn)產(chǎn)生誤差的緣由及減小誤差的可能途徑。二、試驗(yàn)原理依據(jù)氣體平均比定壓熱容的定義，當(dāng)氣體在定壓加熱過程中溫度由t,升為J時，氣體的定壓比熱容可以表示為：ct2=Pp)kJ/kg*℃ ⑴pMm卜-112I式中：m 濕空氣的質(zhì)量流量，kg/s；Q——濕空氣在定壓加熱過程中的吸熱量，kJ/soP由于氣體的實(shí)際定壓比熱是隨溫度的上升而增大，它是溫度的簡單函數(shù)。試驗(yàn)說明，抱負(fù)氣體的比熱與溫度之間的函數(shù)關(guān)系甚為簡單，但總可表達(dá)為：c=Q+b￡+eh+ (2)p式中q、b、e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試驗(yàn)關(guān)系式：c=1.02319-1.76019xlO-4T+4.02402x107T2-4.87268x10-ioT3pkJ/kg-K式中：T一一確定溫度，Ko該式適用于250?600K,平均偏差為0.03%,最大偏差為0.28%o由于比熱隨溫度的上升而增大，所以在給出比熱的數(shù)值時，必需同時指明是那個溫度下的比熱。依據(jù)定壓比熱的定義，氣體在tC時的定壓比熱等于氣體自溫度t上升到C+dt時所需熱量dq除以戊,即:c=dqPdt當(dāng)溫度間隔由為無限小時，即為某一溫度￡時氣體的真實(shí)比熱。假設(shè)已得出c=/(￡)的函數(shù)關(guān)系，溫度由￡ft,的斗程中所需要的舉量即可按下式求得：「八)q=Jcdt=J。+從+出+dtipi用逐項(xiàng)積分來求熱量格外繁復(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：TOC\o"1-5"\h\zc=a+bt(3)P則溫度由￡至七的過程中所需要的熱量可表示為：I2q=J^G+ (4)r?由t加熱到t的平均定壓比熱容則可表示為：1 2J4(q+bt)dt「c'=—^ =a+bA2.(5)p4t-t22 1大氣是含有水蒸氣的濕空氣。當(dāng)濕空氣氣流由溫度t加熱到t時，其中水蒸1 2氣的吸熱量可用式(4)計算，其中"1.833,b=0.0003111,則水蒸氣的吸熱量為：Q=m八(1.833+().0003111仄ww￡TOC\o"1-5"\h\z=ml.833(￡一￡)+0.0001556(2kJ/s (6)w 2I 2 1式中：m 氣流中水蒸氣質(zhì)量，kg/Sow則干空氣的平均定壓比熱容由下式確定：Qp(、=Q'—Q ⑺Ct2=Z 1 )P(W) 1'JpmT )t-t(zn-n?)y-t7w2 1 w2 1式中：Q”——為濕空氣氣流的吸熱量。P儀瑞中加熱氣流的熱量(例如用電加熱器加熱)，不行避開地因熱輻射而有一局部散失于環(huán)境。這項(xiàng)散熱量的大小打算于儀器的溫度狀況。只要加熱器的溫度狀況一樣，散熱量也一樣。因此，在保持氣流加熱前的溫度仍為t和加熱后溫度I仍為t 的條件下，當(dāng)承受不同的質(zhì)量流量和加熱量進(jìn)展重復(fù)測定時，每次的散2熱量當(dāng)是一樣的。于是，可在測定結(jié)果中消退這項(xiàng)散熱量的影響。設(shè)兩次測定時TOC\o"1-5"\h\z的氣體質(zhì)量流量分別為m和m,加熱器的加熱量分別為Q和Q,輻射散熱量1 2 I2為AQ,則到達(dá)穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱平衡關(guān)系：Q=Q+Q+^Q=(m-m)c(t-￡)+Q+AQ

I pl w\ 1 w\pm2 I w\Q=Q+Q+AQ=(zti-m)c(t-1)+Q+AQ2 p2 w2 2 w2pm2 I w2兩式相減消去△(2項(xiàng)，得到(Q-Q)-(q-Q)C(I2wl\Av2\kJ/kg*℃ (8)pm4-m-m+m/t-t/1 2w\w22I三、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)所用的設(shè)備和儀淵儀表由風(fēng)機(jī)、流量計，比熱儀本體、電工率調(diào)整測量系統(tǒng)共四局部組成，試驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示。圖1T測定空氣定壓比熱容的全套裝置系統(tǒng)1-調(diào)整閥；2-流量計；3-比熱儀本體；4-瓦特表；5-調(diào)壓變壓器；6-穩(wěn)壓器；7-風(fēng)機(jī)裝置中承受濕式流量計測定氣流流量。流量計出口的恒溫槽2用以掌握測定儀器出口氣流的溫度。裝置可以承受小型單級壓縮機(jī)或其它設(shè)備作為氣源設(shè)備，并用鐘罩型氣罐5維持供氣壓力穩(wěn)定。氣流流量用調(diào)整閥3調(diào)整。比熱容測定儀本體(圖2)由內(nèi)壁鍍銀的多層杜瓦瓶2、進(jìn)口溫度計1和出口溫度計8（伯電阻溫度計或精度較高的水銀溫度計）電加熱器3和均流網(wǎng)4,絕緣墊5,旋流片6和混流網(wǎng)7組成。氣體自進(jìn)口管引入，進(jìn)口溫度計4測量其初始溫度，離開電加熱器的氣體經(jīng)均流網(wǎng)4均流均溫，出口溫度計8測量加熱終了溫度，后被引出。該比熱儀可測300C以下氣體的定壓比熱。圖2-2比熱容測定儀構(gòu)造原理圖1-進(jìn)口溫度計；2-多層杜瓦瓶：3-電加熱器；4-均流網(wǎng)；5-絕緣墊：6-旋流片；7-混流網(wǎng)：8-出口溫度計四、試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)中需要測定干空氣的質(zhì)量流量勿、水蒸氣的質(zhì)量流量力w、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：P1、干空氣的質(zhì)量流量m和水蒸氣的質(zhì)量流量mw電加熱器不投入，摘下流量計出口與恒溫槽連接的橡皮管，把氣流流量調(diào)整到試驗(yàn)流量值四周，測定流量計出口的氣流溫度/(由流量計上的溫度計測量)o和相對濕度(P。依據(jù)％與tP值由濕空氣的焰-濕圖確定含濕量d(g/kg),并計算出水蒸氣的容積成功,：zW(9)d/622

y(9)wI+4/622于是，氣流中水蒸氣的分壓力為：P=yPN/m2

ww式中：p——流量計中濕空氣確實(shí)定壓力(Pa)：P=10B+9.81M1式中：弓一一當(dāng)?shù)卮髿鈮海琸Pa；由數(shù)字式壓力計讀出?！鱤——流量計上壓力表(U型管)讀數(shù)，mmH20tt；接上橡皮管，開頭加熱。當(dāng)試驗(yàn)工況穩(wěn)定后測定流量計每通過V(m3)(例如0.01m3)氣體所花的時間t(s),以及其它數(shù)據(jù)。水蒸氣的質(zhì)量流量計算如下：p(V/x)m=ivkg/s (12)wRTw0式中：R一一水蒸氣的氣體常數(shù)：R=461J/(kg?K) (13)1vT——確定溫度，Ko干空氣的質(zhì)量流量計算如下：0P(V/X)R一—干空氣的氣體常數(shù)：R=287J/(kg?K)(15)2、電加熱器的加熱量。’P(16)電熱器消耗功率可由瓦特表讀出(瓦特表讀數(shù)方法見瓦特表說明書):(16)Q'=3.6Q(kJ/h)p p式中：Qp一一瓦特表讀數(shù)，w；3、氣流溫度氣流在加熱前的溫度t,和加熱后的溫度與由比熱容測定儀上的溫度計測量。試驗(yàn)時，依據(jù)選定的氣流初始溫度%和加熱溫度t2的變化范圍及變化間隔，q用恒溫槽調(diào)整，與由電加熱器調(diào)整。五、試驗(yàn)步驟1、接通電源及測量儀表，選擇所需的出口溫度計插入混流網(wǎng)的凹槽中。2、取下流量計上的溫度計，開動風(fēng)機(jī)，調(diào)整節(jié)流閥，使流量保持在額定值四周。測出流量計出口空氣的干球溫度％和濕球溫度tow3、將溫度計插回流量計，重調(diào)整流量，使它保持在額定值四周，漸漸提高電壓，使出口溫度計讀數(shù)上升到估量溫度。(可依據(jù)下式預(yù)先估量所需電功率：Atw=12--,式中：卬為電功率(W),"為進(jìn)出口溫差(°C),°為每流過10升空T氣所需的時間(S)o4、待出口溫度穩(wěn)定后(出口溫度在1()分鐘之內(nèi)無變化或有微小起伏即可視為穩(wěn)定)，讀出以下數(shù)據(jù)：10升氣體通過流量計所需時間t(s)；比熱儀進(jìn)口溫度q(℃)；出口溫度t2(℃)；大氣壓力計讀數(shù)Bl(kPa),流量計中氣體表壓△力(mmH20)；電熱器的功率Qp(W)o5、依據(jù)流量計出口空氣的干球溫度t泄?jié)袂驕囟取辍?確定空氣的相對濕度6依據(jù)(P和干球溫度從濕空氣的焰■濕圖(工程熱力學(xué)附圖)中查出含濕量d(g/kg干空氣)。6、每小時通過試驗(yàn)裝置空氣流量：y=36/t (m3/h) (17)式中：t-每10升空氣流過所需時間，s；將各量代入式(14)并統(tǒng)一單位可以得出干空氣質(zhì)量流量的計算式：(1-y)(000B+9.81A/i)x(36/t)mg=卬287(J+273.15) kg/h(⑻07、水蒸氣的流量：將各量代入式(12)并統(tǒng)一單位可以得出水蒸氣質(zhì)量流量的計算式：y(10005+9.81A/?)x(36/t)m=wi/ \kg/h (19)w461.5Y+273.15廠o六、計算實(shí)例某一穩(wěn)定工況實(shí)測參數(shù)如下：t=8℃,t=7.8℃,t=8℃,F=99.727kPa,t,=8℃,t=240.3℃,t=69.96s/10升,v W I i 1 .M=16mmH,0柱，Q=41.842W,由ht查焰?濕圖得＜p=94%,d=6.3g/kg干空z p uw氣。計算如下：1、水蒸氣的容積成分：代入式⑼2、電加熱器單位時間放出的熱量:代入式(16)Qf=3.6x(?=3.6x41.842=150.632kJ/h3、干空氣質(zhì)量流量：代入式(18)m代入式(18)m=0.63048kg/h4、水蒸氣質(zhì)量流量：0.010027(1000X99.727+9.81)x36/69.96弋(19)m-w 461.5V8+273.157=0.0039755kg/h)]5、水蒸氣吸取,熱量為：)]Q=0.0039755