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1、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，气体在时的定压比热表示为（1）当式（1）的温度间隔为无限小时，即为某一温度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）。如果已得出的函数关系，温度由至的过程中所需要的热量即可按下式求得：（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
2、），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：（3）则温度由至的过程中所需要的热量可表示为：（4）由加热到的平均定压比热容则可表示为：（5）实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式（4）计算，其中，则水蒸气的吸热量为： （6）式中：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：（7）式中：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、后的温度仍为和的前提下，当采用不同的
3、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和，加热器的加热量分别为和，辐射散热量为，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：两式相减消去项，得到：（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
4、；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。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-混流网四、实验数据处理方法实验中需要测定干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、电加热器的加热量（即气流吸热量）和气流温度等数据，测定方法如下：1.干空气的质量流量
5、和水蒸气的质量流量首先，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，测定流量计出口的气流温度（由流量计上的温度计测量）和相对湿度。根据与值，由湿空气的焓湿图确定含湿量，并计算出水蒸气的容积成分：（9）于是，气流中水蒸气的分压力为（10）式中：流量计中湿空气的绝对压力，Pa：（11）式中：当地大气压，kPa；由大气压力计读取。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：（12）式中：水蒸气的气体常数：（13）绝对温度，K。干空气的质量流量计算如下
6、： （14）干空气的气体常数：（15）2.电加热器的加热量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。（16）式中：功率表读数，W；3.气流温度气流在加热前的温度为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度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和湿球温度。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：，式中：W为电功率（W），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
7、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（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（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和湿球温度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（g/kg干空气）。 5. 每小时通过实验装置空气流量：（17）将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式：（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：（19）六、计算实例某一稳定工况实测参数如下：8，7.8，8，99.7
8、27kPa，8，240.3，69.96s/10L，16mmH2O柱，41.842W，由，查焓湿图得94%，6.3g/kg干空气。计算如下：1. 水蒸气的容积成分：代入式（9），得=0.0100272. 电加热器单位时间放出的热量：代入式（16），得 kJ/h3. 干空气质量流量：代入式（18），得 kg/h4. 水蒸气质量流量：代入式（19），得 kg/h5. 水蒸气吸收的热量为：1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为： kJ/h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
9、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
10、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）。实验 圆球法测定粒状材料导热系数一、实验目的1. 掌握在稳态条件下，用圆球法测粒状材料导热系数的基本原理和方法以及实验装置的结构；2. 加深对傅立叶定律的理解，巩固所学热传导的理论；3. 学会使用电位差计。二、实验原理两个直径不同的薄壁空心圆球，同心放置，两球之间充满一定密度、需要测定的粒状材料，内球的内部装有一个电加热器，通电加热时，其产生的
11、热量Q将沿着圆球表面的法线方向通过颗粒状材料向外传递。假定内球壁面温度为t1，外球壁面温度为t2，球面各点温度均匀，且t1 t2，当加热时间足够长、温度不随时间变化时，说明装置已达到稳定状态，根据球坐标下的稳定导热傅立叶定律有：（1）对于大多数材料来说，在一狭窄的温度范围内（约几十度）可以认为导热系数随温度作直线变化，即：（2）式中：在0时材料的导热系数；b比例常数。将式（2）代入式（1），得：（3）分离变数后积分：当，时，当，时，从上两式消去C得：，可得到球体处于稳定导热时，傅立叶定律的积分形式：（4）即（5）式中：，从式（4）可看出，只需测出球内外径d1、d2，热流Q及球内外表面温度t1、
12、t2即可得到。若要求解温度系数b，可采用调节加热功率的方法，在另一个加热工况下测定t1、t2，求得另一个tar，利用式（2）有，可得比例常数b的表达式：（6）三、实验装置如图示：装置的主体由两个壁很薄的空心同心铜质球组成，内球直径d1为80 mm，外球直径d2为160mm，内球内部装有电加热器，两球间装满试验材料（粒状物体），当全体系达到稳定后，由电加热器产生的热量Q将全部通过中间粒状物质面传给外球表面，然后再通过外球表面传给周围的空气。图1 圆球法导热系数测量装置结构示意图图上内球表面装有三个热电偶，对应测温点t1t6分别为三个热电偶测外球表面的温度。四、实验步骤1. 将电位差计、电流表、电
13、压表，按图接好。2. 检查无误后，闭合电路加热，并调整到所需功率，每隔5分钟记录一次，待全体系达到稳定后，即内外球表面的温度不再改变时，取得后三次数据的平均值进行计算。3. 改变加热电压，重复上述试验。五、实验报告1. 简述球体法的实验原理，你认为达到该原理所要求的条件最关键部分是什么？2. 简述实验装置的结构原理（包括实验装置系统图）。3. 给出所有测量仪表的原始数据记录，记下各个仪表的精度等级。4. 计算材料的导热系数，整理实验结果。表1 实验数据记录表次数加热功率mVmVmVmVmVmVU/VI/A123456六、思考题1. 查阅文献，了解绝热材料导热系数的数量级。2. 能否用这个装置测
14、量金属、液体或者气体的导热系数？3. 能否用这个装置测量自然对流换热系数？4. 若实验装置做成两个内外方箱子是否可行？为什么？5. 为什么要待稳定后的数据才能用？6. 你对该装置及试验方法有何评价，谈谈你的改进设想。附表 镍铬镍硅热电偶分度表温度热电动势（mV）（JJG 351-84）参考端温度为0012345678900.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.041
15、1.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.5291.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.272.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.43
16、23.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.8781204.9194.9605.0015.0425.0835.1245.1645.2055.2465.2871305.3275.3685.4095.4505.4905.5315.5715.6125.6525.6931405.7335.
17、7745.8145.8555.8955.9365.9766.0166.0576.0971506.1376.1776.2186.2586.2986.3386.3786.4196.4596.4991606.5396.5796.6196.6596.6996.7396.7796.8196.8596.8991706.9396.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.2991807.3387.3787.4187.4587.4987.5387.5787.6187.6587.6971907.7377.7777.8177.8577.8977.9377.9778.0178.
18、0578.0972008.1378.1778.2168.2568.2968.3368.3768.4168.4568.4972108.5378.5778.6178.6578.6978.7378.7778.8178.8578.8982208.9388.9789.0189.0589.0999.1399.1799.2209.2609.3002309.3419.3819.4219.4629.5029.5439.5839.6249.6649.7052409.7459.7869.8269.8679.9079.9489.98910.02910.07010.11125010.15110.19210.23310.
19、27410.31510.35510.39610.43710.47810.51926010.56010.60010.64110.88210.72310.76410.80510.84810.88710.92827010.96911.01011.05111.09311.13411.17511.21611.25711.29811.33928011.38111.42211.46311.50411.54511.58711.62811.66911.71111.75229011.79311.83511.87611.91811.95912.00012.04212.08312.12512.16630012.207
20、12.24912.29012.33212.37312.41512.45612.49812.53912.581实验 中温法向发射率测定实验一、实验目的1. 了解测量物体表面法向辐射率的基本原理，加深对法向辐射的理解；2. 巩固热电偶测温的应用技术；3. 熟悉仪器及操作步骤，测定典型辐射表面的法向辐射率。二、实验原理将热源和传导体加热到一定温度，热源法向辐射的热量被受体吸收，使受体升温，通过与热源、传导体和受体相连接的热电偶测量得到被测点的温度，再利用温度与发射率之间的关系式（1），可计算出辐射率：（1）式中：相对黑体的黑度，可假设为1；待测物体（受体）的黑度；受体与环境的温差；受体为相对黑体时热
21、源的绝对温度；黑体与环境的温差；受体为被测物体时热源的绝对温度；相对黑体的绝对温度；待测物体（受体）的绝对温度。公式的推导如下：待测物体（受体）黑体圆筒热源由n个物体组成的辐射换热系统中，利用净辐射法，可以求物体的纯换热量：（2）式中：i面的净辐射换热量；i面从其他表面的吸热量；i面本身的辐射热量；i面的黑度；k面对i面的角系数；k面的有效辐射力；i面的辐射力；i面的吸收率；i面面积根据本实验的设备情况，可作如下假设：1) 热源1、传导圆筒2为黑体。2) 热源1、传导圆筒2、待测物体（受体）3表面上的温度均匀。据此，公式（2）可写为因为，又根据角系数的互换性，可得到：（3）由于受体3与环境主要
22、以自然对流方式换热，因此（4）式中：换热系数；待测物体（受体）温度；环境温度。由（3）、（4）式可得：（5）当热源1和黑体筒2的表面温度一致时，并考虑到体系1、2、3为封闭系统，有（）=1，由此（5）式可写成：（6）式中为斯蒂芬玻尔兹曼常数，其值为。对不同待测物体（受体）a、b的黑度，有，设，有（7）当b为黑体时，时，（7）式可写成：三、实验装置采用一个热电偶测量热源腔体的温度，传导体较大，采用三个热电偶测温，受体采用一个热电偶，将热电偶的测量值通过A-D转换，直接转变为温度值，并显示在仪器上。可以通过琴键开关切换观察5个温度测量值。图1 中温法向发射率测定实验系统四、实验步骤1. 将热源腔体
23、和受体腔对正，靠近黑体圆筒，但不要接触（保持有1 mm左右的距离）。2. 接通电源开关，此时信号灯亮，表示热源传导体（黑体圆筒）的加热正常。用热源电压调节器调节热源加热器，使热源电压表的读数在5060V之间；用传导体电压调节器调节传导体加热器，使传导体电压表的读数在110120V之间，待温度基本稳定后（一般约需20分钟），按下测温开关逐点检测，反复调节上述电压调节器旋钮，使热源和传导体的温度尽量接近。3. 在热源和传导体的温度基本接近后，即可进行测量。间隔10分钟，对热源、传导体和待测物体（受体）的温度进行巡回测量，并将各次读数记录下来。4. 当各测点的温度前后差值小于3时，再巡回测量三组数据
24、即可结束第一个实验。5. 保持热源和传导体的温度不变，用松脂、蜡烛或墨汁将被测物体（受体）熏黑，稳定30分钟后，按步骤3，重复测量三组数据，结束第二个实验。6. 关闭电源开关，停止加热。热源电压表 数显开关传导体(1)电压表传导体(2)电压表电源开关数显温度计电位 测温开关热源传导体(黑体圆筒)受体导轨热源电压调节器 传导体(1)电压调节器传导体(2)电压调节器图2 中温法向发射率测定实验装置结构五、实验数据记录序号热源温度传导体温度受体（紫铜）温度室温12123平均温度序号热源温度传导体温度受体（紫铜熏黑）温度12123平均温度六、实验报告1. 简述实验原理和仪器结构原理。2. 列表测量得到
25、的所有原始数据。3. 计算受体的法向辐射率。4. 实验中你所遇到的最明显的问题是什么？你对该仪器的可靠性有何评价？5. 实验测得的辐射率是什么温度下的数值？如何利用该仪器测定不同温度下的法向辐射实验 空气绝热指数测定实验一、实验目的1. 学习测量空气绝热指数的方法；2. 培养运用热力学基本理论处理实际问题的能力；3. 进一步加深对刚性容器充气、放气现象的认识，结合能量方程式和理想气体状态方程式及过程方程式，求解空气绝热指数。二、实验原理在热力学中，气体的定压比热容和定容比热容之比被定义为该气体的绝热指数，并以表示，即。本实验利用定量气体在绝热膨胀过程和定容加热过程中的变化规律来测定空气绝热指数
26、。该实验过程的p-v 图，如图1所示。图中AB为绝热膨胀过程；BC为定容加热过程。AB为绝热过程，（1） BC为定容过程，AC为等温过程，（2） 将（2）式两边k次方，得（3）比较（1）、（3）两式，可得，即将上式两边取对数，可得图1（4）因此，只要测出A、B、C三个状态下的压力、，且将其代入（4）式，即可求得空气的绝热指数。三、实验装置本实验的实验装置如图2所示。实验时如图（3），通过充气阀对刚性容器进行充气，至状态A，由U型管差压计测得状态A的表压hA（mmH2O），我们选取容器内一部分气体作为研究对象，其体积为VA，压力为pA，温度为TA，假设通过排气阀放气，使其压力与大气压平衡，恰好此
27、时的气体膨胀至整个容器（体积为VB），立即关闭排气阀，膨胀过程结束。因为（大气压力），并且此过程进行得十分迅速，可忽略过程的热交换，因此可认为此过程为定量气体的绝热膨胀过程，即由状态A（pA、VA、TA）绝热膨胀至状态B（pB、VB、TB）。（注意VB等于容器体积，VA为一小于容器体积的假象体积）。处于状态B的气体，由于其温度低于环境温度，则刚性容器内的气体通过容器壁与环境交换热量，当容器内的气体温度与环境温度相等时，系统处于新的平衡状态C（pC、VC、TC）。若忽略刚性容器的体积变化，此过程可认为是定容加热过程。此时容器内气体的压力可由U型差压计测得hC（mmH2O）。至此，被选为研究对象的
28、气体，从A经过绝热膨胀过程至B，又经过定容加热过程至C，且状态A、C所处的温度同为环境温度，实现了图1中所示的过程。图2 实验设备示意图图3 气体热力过程示意图四、实验步骤1. 对照实物熟悉实验设备，了解实验原理。2. 由于对装置的气密性要求较高，因此首先应检查装置的气密性。具体方法是通过充气阀对刚性容器充气至状态A，使=200（）左右，过几分钟后观察水柱的变化，若没有变化，说明气密性满足要求；若有变化，则说明装置漏气。此步骤一定要认真进行，否则将给实验结果带来较大的误差。同时读出的值。3. 右手转动排气阀，在气流流出的声音“啪”消失的同时关上排气阀（实验开始前要多练习几次）。4. 待U型管差
29、压计的读数稳定后，读出（大约需5分钟左右的时间）。5. 重复上述步骤，多做几遍，将实验中采集的数据填在实验数据表格中，并求值。五、计算方法如果将前述的式（4）直接用于实验计算的话，比较繁琐。因此，针对目前的实验条件，现将式（4）进行适当的简化。设U型管差压计的封液（水）的重度为9.81103（N/m3），实验时大气压力则为p0104(mmH2O)。因此，状态A的压力可表示为pAp0 + hA，状态B的压力可表示为pBp0，状态点C的压力可表示为pC = p0 + hC。将其代入式（4）得（5）实验中由于刚性容器的限制，一般取200（mmH2O），且，因此有，。所以，按照近似的方法，式（5）可简
30、化为（6）这即为利用本实验装置测定空气绝热指数k的简化（近似）计算公式。六、实验数据处理方法室温t0 ，大气压力p0 mmHg，湿度 %。实验数据记录表序号hA（mmH2O）hC（mmH2O）hA-hCk=hA/(hA-hC)1234567ki/9七、实验报告1. 简介实验装置，简述实验原理。2. 对实验数据进行记录和整理。3. 分析解答思考题。八、思考题1. 漏气对实验结果有何影响？2. 实验中，充气压力选得过大或过小，对实验结果有何影响？3. 在定容加热过程中，如何确定容器内的气体温度回到了初温？4. 若实验中，转动排气阀的速度较慢，这将对实验结果产生何种影响？5. 本实验所选定的热力系对刚性容器而言是开口变质量热力系，请按开口系统导出（4）式。6. 空气绝热指数的实际测量值偏离理论值的误差原因是什么？