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t ℃时的定压比热表示为p dq c dt=（1）当式（1）的温度间隔dt 为无限小时，p c 即为某一温度t 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()p c f t =的函数关系，温度由1t 至2t 的过程中所需要的热量即可按下式求得：22211()d p q c dt a bt ct t ==+++⎰⎰（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℃），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：p c a bt =+（3）则温度由1t 至2t 的过程中所需要的热量可表示为：()21d t t q a bt t =+⎰（4）由1t 加热到2t 的平均定压比热容则可表示为：()21211221d 2t t t p t a bt t t t ca bt t ++==+-⎰ （5）实验中，通过实验装置是湿空气，当湿空气气流由温度1t 加热到2t 时，其中水蒸气的吸热量可用式（4）计算，其中 1.833a =，0.0003111b =，则水蒸气的吸热量为：()21w w 1.8330.0003111d t tQ m t t =+⎰()()22w 21211.8330.0001556kJ/s m t t t t ⎡⎤=-+-⎣⎦（6）式中：w m ——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：()()21w w 21w 21()()pp t pm t Q Q Q cm m t t m m t t '-==---- （7）式中：p Q '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1t 和2t 的前提下，当采用不同的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1m 和2m ，加热器的加热量分别为1Q 和2Q ，辐射散热量为Q ∆，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系：()11w11w121w1()p pm Q Q Q Q m m c t t Q Q =++∆=--++∆()22w22w221w2()p pm Q Q Q Q m m c t t Q Q =++∆=--++∆两式相减消去Q ∆项，得到：()()()()2112w1w212w1w221kJ/(kg )t pmt Q Q Q Q c m m m m t t ---=⋅--+-℃ （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；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。

四、实验数据处理方法实验中需要测定干空气的质量流量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m 和水蒸气的质量流量w m 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0t '（由流量计上的温度计测量）和相对湿度ϕ。

根据0t '与ϕ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w y ：w /6221/622d y d =+（9）于是，气流中水蒸气的分压力为w w p y p =（10）式中：p ——流量计中湿空气的绝对压力，Pa ：109.81p B h =+∆（11）式中：B —当地大气压，kPa ；由大气压力计读取。

h ∆—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τ以及其它数据。

水蒸气的质量流量计算如下：w w w 0(/)kg/s p V m R T τ=（12） 式中：w R ——水蒸气的气体常数：w 461J/(kg K)R =⋅（13）0T ——绝对温度，K 。

干空气的质量流量计算如下： ()g g 0/kg/s p V m RT τ=（14） R ——干空气的气体常数：287J/(kg K)R =⋅（15）2.电加热器的加热量'p Q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。

p p ' 3.6kJ/h Q Q =（16）式中：p Q ——功率表读数，W ； 3.气流温度气流在加热前的温度1t 为大气温度，用室内温度计测量；加热后的温度2t 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0t 和湿球温度w t 。

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：p 12Q t τ=∆，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 ）。

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τ（s ）； 2) 比热仪进口温度t 1（℃）和出口温度t 2（℃）；3) 大气压力计读数B （kPa ），流量计中气体表压h ∆（mmH 2O ）； 4) 电热器的功率Q p （W ）。

4. 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/kg 干空气）。

5. 每小时通过实验装置空气流量：336/m /h V τ=（17）将各量代入式（14）可得出干空气质量流量的计算式：()()()()w g 0110009.8136/kg/h 287273.15y B h m t τ-+∆⨯=+（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：()()()w w 010009.8136/kg/h 461.5273.15y B h m t τ+∆⨯=+（19）六、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℃，B ＝99.727kPa ，1t ＝8℃，2t ＝240.3℃，τ＝69.96s/10L ，h ∆＝16mmH 2O 柱，p Q ＝41.842W ，由0t ，w t 查焓湿图得ϕ＝94%，d ＝6.3g/kg 干空气。

计算如下：1. 水蒸气的容积成分：代入式（9），得w 6.3/6221 6.3/622y =+=0.0100272. 电加热器单位时间放出的热量：代入式（16），得pp 3.6 3.641.842150.632Q Q '=⨯=⨯= kJ/h 3. 干空气质量流量：代入式（18），得 ()()()g 10.010*********.7279.811636/69.962878273.15m -⨯⨯+⨯⨯=+0.63048= kg/h4. 水蒸气质量流量：代入式（19），得 ()()w 0.010*********.7279.8136/69.96461.58273.15m ⨯+⨯=+0.0039755= kg/h5. 水蒸气吸收的热量为：()()422w 0.00397551.833240.38 1.55610240.38Q -⎡⎤=-+⨯-=⎣⎦ 1.728 kJ/h则干空气的平均定压比热容为：()240.3pm 8150.632 1.728 1.01670.63048240.38c -==- 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）。