教學實驗 2006氣體定壓比熱容實驗指導書哈爾濱努謝爾特教學實驗設備有限公司電話手機：013936441288網址： 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。根據選用計量物量的單位不同，有質量比熱、容積比熱和摩爾比熱之分。通常用質量千克作為計量物量的單位，得到的是質量比熱，它的單位是千焦/千克開（kJ/kgK）。用符號表示，則 或 kJ/kgK （1）標準狀態下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）用符號表示。氣體的定壓比熱容是計算在定壓變化過程中氣體吸入（或放出）的熱量的一個重要參數，所以氣體定壓比熱容的測定實驗是工程熱力學基本實驗之一，計算中用到比熱及混合氣體（濕空氣）方面的基本知識。本實驗的目的是增加熱物性實驗研究方面的感性認識，促進理論聯系實際，有利于培養分析問題和解決問題的能力。一、實驗目的了解氣體比熱測定裝置的基本原理和構思。熟悉本實驗中測溫、測壓、測熱、測流量的方法。掌握由基本數據計算出比熱值和比熱公式的方法。分析本實驗產生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。二、實驗原理引用熱力學第一定律解析式，對可逆過程有： 和 （2）定壓時 （3）此式直接由的定義導出，故適用于一切工質。在沒有對外界作功的氣體的等壓流動過程中： （）則氣體的定壓比熱容可以表示為： kJ/kg （5）式中：氣體的質量流量，kg/s；氣體在等壓流動過程中的吸熱量，kJ/s。由于氣體的實際定壓比熱是隨溫度的升高而增大，它是溫度的復雜函數。實驗表明，理想氣體的比熱與溫度之間的函數關系甚為復雜，但總可表達為： （6）式中、等是與氣體性質有關的常數。例如空氣的定壓比熱容的實驗關系式：kJ/kgK式中：絕對溫度，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值時，必須同時指明是那個溫度下的比熱。根據定壓比熱的定義，氣體在時的定壓比熱等于氣體自溫度升高到時所需熱量除以，即：當溫度間隔為無限小時，即為某一溫度時氣體的真實比熱。如果已得出的函數關系，溫度由至的過程中所需要的熱量即可按下式求得：用逐項積分來求熱量十分繁復。但在離開室溫不很遠的溫度范圍內，空氣的定壓比熱容與溫度的關系可近似認為是線形的，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。當濕空氣氣流由溫度加熱到時，其中水蒸氣的吸熱量可用式（8）計算，其中，則水蒸氣的吸熱量為： = kJ/s （10）式中：氣流中水蒸氣質量，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境。這項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，當采用不同的質量流量和加熱量進行重復測定時，每次的散熱量當是一樣的。于是，可在測定結果中消除這項散熱量的影響。設兩次測定時的氣體質量流量分別為和，加熱器的加熱量分別為和，輻射散熱量為，則達到穩定狀況后可以得到如下的熱平衡關系兩式相減消去項，得到 kJ/kg （12）三、實驗設備實驗所用的設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、流量調節閥、U型壓力計、溫度測量儀表、比熱儀本體、電功率調節及測量系統組成。實驗裝置系統如圖1所示。圖1測定空氣定壓比熱容的實驗裝置系統裝置中采用濕式氣體流量計測定氣體流量。流量計上裝有溫度計及壓力計測量空氣參數。裝置可以采用小型單級無油氣泵作為氣源設備，并用氣體飽和加濕器把氣體加濕至飽和狀態，其目的一保證濕式氣體流量計中水位保持穩定，二是使含濕量的測量及計算簡化。氣流流量用調節閥調整。比熱容測定儀本體由內壁鍍銀的多層杜瓦瓶、出口溫度計（鉑電阻溫度計）電加熱器和均流網，絕緣墊和混流網組成。氣體自進口管引入，進口初始溫度由濕式氣體流量計上的溫度計測量，離開電加熱器的氣體經均流網均流均溫，由出口溫度計測量加熱終了溫度，后被引出。該比熱儀可測300以下氣體的定壓比熱。四、實驗方法及數據處理實驗中需要測定干空氣的質量流量、水蒸氣的質量流量、電加熱器的加熱量（即氣流吸熱量）和氣流溫度等數據，測定方法如下：1、干空氣的質量流量和水蒸氣的質量流量 電加熱器不加熱，連接好橡皮管，把氣流流量調節到實驗流量值附近，測定流量計出口的氣流溫度（由流量計上的溫度計測量），根據氣流溫度查出飽和水蒸汽分壓力。壓力流量計上壓力表（U型管）讀數，mmH2O柱；當地大氣壓，kPa；由數字式壓力計讀出。流量計中濕空氣的絕對壓力（Pa）： （15）接上橡皮管，開始加熱。當實驗工況穩定后測定流量計每通過（m3）（例如0.01m3）氣體所花的時間（s），以及其它數據。所加熱的空氣已加濕至飽和，故水蒸氣的質量流量計算如下： kg/s （16）飽和水蒸汽分壓力 Pa測試過程中實施氣體流量計所流過的體積- L(升)式中：水蒸氣的氣體常數： J/（kgK） （17） 絕對溫度，K。干空氣的質量流量計算如下：干空氣的氣體常數： 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，W； 3、氣流溫度 氣流在加熱前的溫度等于濕式氣體流量計測量的溫度，加熱后的溫度由比熱容測定儀上的溫度計測量。實驗時，根據選定的氣流初始溫度和加熱溫度的變化范圍及變化間隔，由電加熱器調節。五、實驗步驟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的凹槽中。2、連接好橡皮管，把氣流流量調節到實驗流量值附近，測定流量計出口的氣流溫度（）。3、將溫度計插回流量計，重新調節流量，使它保持在額定值附近，逐漸提高電壓，使出口溫度計讀數升高到預計溫度。（可根據下式預先估計所需電功率：,式中：為電功率（W），為進出口溫差（），為每流過10升空氣所需的時間（s）。4、待出口溫度穩定后（出口溫度在10分鐘之內無變化或有微小起伏即可視為穩定），讀出下列數據：10升氣體通過流量計所需時間（s）；比熱儀進口溫度（）；出口溫度（）；大氣壓力計讀數（kPa），流量計中氣體表壓（mmH2O）；電熱器的功率（W）。5、改變工況，改變加熱量或改變流量，待出口溫度穩定后，記錄相關數據，共測5組數據。六、數據處理（一）、計算計算干空氣的平均定壓比熱容1、根據流量計出口空氣的溫度從飽和蒸汽壓力表中查出對應的飽和水蒸氣分壓力。 2、每小時通過實驗裝置空氣流量： （m3/h） （21）式中：每10升空氣流過所需時間，s；3、計算干空氣質量流量： kg/h （22）4、水蒸氣的流量：將各量代入式（2-16）并統一單位可以得出水蒸氣質量流量的計算式： kg/h （23）5、計算水蒸氣吸熱量 = kJ/h 6、計算電加熱器的熱量 （kJ/h） 7、計算干空氣的平均定壓比熱容為： kJ/kg （二）、比熱隨溫度變化關系：假定在0-300之間，空氣真實定壓比熱與溫度之間進似地有線性關系：則由到的平均定壓比熱為： kJ/kg若以（t1+t2）/2為橫坐標，為縱坐標（圖3），則可根據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算式。圖3空氣定壓比熱容與溫度的關系曲線根據測得數據，做出平均比熱與溫度之間的關系曲線，并擬合出關系式。實驗注意事項：a） 電熱器不應在無氣流通過情況下投入工作，以免引起局部