气体定压比热测定实验指导书

气体定压比热测定实验指导书
气体定压比热容的测定实验是工程热力学基本实验之一，实验中涉及温度、压力、热量（电功率）、流量等基本量的测量，计算中用到比热及混合气体（湿空气）方面的基本知识。

本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，有利于培养分析问题和解决问题的能力。

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一、实验要求
1． 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2． 熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。

3． 掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。

4． 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、实验装置介绍
1、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。

2、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用以控制测定仪器出口气流的温度。

装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备，并用钟罩型气罐维持供气压力稳定。

气流流量用调节阀1调整。

3、比热容测定仪本体（图2）由内壁镀银的多层杜瓦瓶2，进口温度计1和出口温度计8（铂电阻温度计或精度较高的水银温度计）电加热器3和均流网4，绝缘垫5，旋流片6和混流网7组成。

4、气体自进口管引入，进口温度计4测量其初始温度，离开电加热器的气体经均流网4均流均温，出口温度计8测量加热终了温度，后被引出。

5、该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

三、实验方法及数据处理
实验中需要测定干空气的质量流量g m 、水蒸气的质量流量w m 、电加热器的加热量（即气流吸热量）'p Q 和气流温度等数据，测定方法如下：
1.干空气的质量流量g m 和水蒸气的质量流量w m
电加热器不投入，摘下流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干球温度0t 和湿球温度
w t 温度（或由流量计上的温度计测量和相对湿度ϕ），根据0t 与w t （或0t 与ϕ值）由湿空气的焓-湿图确定含湿量d (g /k g )，并计算出水蒸气的容积成分
水蒸气的容积成分计算式：622/1622
/d d y w += （1）
d --- 克水蒸汽/千克干空气
. 图1测定空气定压比热容的实验装置系统
1-节流阀；2-流量计；3-比热仪本体；
4-温控仪；5功率表；6开关；7-风机。

2.电加热器的加热量'p Q
电热器消耗功率可由功率表读出：p p Q Q 6.3'= （k J /h ）
（2）
Q——功率表读数，W；
式中：
p
图2 比热容测定仪结构原理图
1- 进口温度计；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；8-出口温度计
3.气流温度
气流在加热前的温度1t 和加热后的温度2t 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1t 和加热温度2t 的变化范围及变化间隔，1t 用恒温槽调节，2t 由电加热器调整。

四、实验步骤
1.接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。

2.取下流量计上的温度计，开动风机，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。

测出流量计出口空气的干球温度0t 和湿球温度w t (或相对湿度ϕ)。

3.将温度计插回流量计，重新调节流量，使它保持在额定值附近，逐渐调整输出功率，使出口温度计读数升高到预计温度。

（近似值也可根据下式预先估计所需电功率：τt
w ∆=12,式中：w 为电功率（W ），t ∆为进出
口温差（℃），τ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：
a ） 10升气体通过流量计所需时间τ（s ）；
b ） 比热仪进口温度1t （℃）；出口温度2t （℃）；
c ） 大气压力计读数1B （k P a ），流量计中气体表压h ∆（m m H 2O ）；
d ） 电热器的功率p Q （W ）。

5.根据流量计出口空气的干球温度0t 和湿球温度w t 确定空气的相对湿度ϕ，根据ϕ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 /k g 干空气）。

6.每小时通过实验装置空气流量：
τ/36=V （m 3/h ） （3）
式中：τ——每10升空气流过所需时间，s ；
()()()()
15.273287/3681.91000101+⨯∆+-=t h B y m w g τ k g /h （4）
7.水蒸气的流量：
()()()
15.2735.461/3681.9100001+⨯∆+=t h B y m w w τ k g /h （5） 8、水蒸汽吸热量为：
w Q = w m [1.833(2t -1t )+1.556⨯410-(22t -21t )]K J /s
9、干空气的平均定压比热为：
=p C ))((12't t m m Q Q w g w
p ---
五、计算实例
某一稳定工况实测参数如下：
=0t 8℃, =w t 7.8℃, =f t 8℃, =t B 99.727k P a , =1t 8℃, =2t 240.3℃,=τ69.96s /10l ，=∆h 16m m H 2O 柱，p Q =41.842W ，由0t ，w t 查焓-湿图得=ϕ94%，=d 6.3g /k g 干空气。

计算：1.水蒸气的容积成分：
代入式（1） 622
/3.61622/3.6+=w y =0.010027 2.电加热器单位时间放出的热量：
代入式（2） 632.150842.416.36.3=⨯=⨯='p p Q Q k J /h
3.干空气质量流量：
代入式（4）
)
15.2738(28796.69/36)1681.9727.991000()0100270.01(+⨯⨯⨯+⨯⨯-=
g m 63048.0= k g /h
4.水蒸气质量流量：
代入式（5）
()()
15.27385.46196.69/3681.9727.991000010027.0+⨯+⨯=
w m 0039755.0= k g /h
5、水蒸汽吸热量为：
()()[]
=-⨯+-=-22483.24010556.183.240833.10039755.0w Q 1.728
k J /h
6、则干空气的平均定压比热容为： ()
0167.183.24063048.0728.1632.1503.2408=--=pm c k J /k g . ℃ 六、实验注意事项
a ） 电热器不应在无气流通过情况下投入工作，以免引起局部过热而损害比热仪本体。

b ） 输入电热器电压不得超过220伏，气体出口温度最高不得超过300℃。

c ） 加热和冷却要缓慢进行，防止温度计比热仪本体因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。

d ） 停止实验时，应先切断电热器电源，让风机继续运行15分钟左右（温度较低时，时间可适当缩短）。

e ） 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。

附：空气定压比热随温度变化规律实验研究 1 实验目的
1．测定不同平均温度下空气定压比热容。

2．建立空气定压比热容与温度的关系式。

3．增加热物性实验研究方面的感性认识。

2实验原理
比热随温度变化关系：
假定在0-300℃之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：
bt a c p +=
则由1t 到2t 的平均定压比热为：
应用式（2-9） ()22
1122121t t b a t t dt bt a c t t t t p ++=-+=⎰k J /k g •℃，若以（t 1+t 2）/2为横坐标，21t t pm c 为纵坐标（图3），则可根据不同温度范围的
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bt a +。

图3
3实验设备
实验设备见图1。

4实验方法与步骤
1．按三方法确定一空气流量，适当调大，确定一较小的加热功率。

测定空气比热容。

2．改变工况，改变加热量或改变流量，待出口温度稳定后，记录相关数据，共测5组数据。

3．根据测得数据，做出平均比热与温度之间的关系曲线，并拟合出关系式。

4．注意事项：试验过程中注意出口温度计读数，不要超过温度计量程，当温度接近温度计量程时，更换温度计。

海军工程大学
2008.11.28.
（注：素材和资料部分来自网络，供参考。

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