工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、僅供個(gè)人參考工程熱力學(xué)二氧化碳臨界狀態(tài)觀測(cè)及P-V-T關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腇or pers onal use only in study and research; not for commercial use1、了解CO2臨界狀態(tài)的觀測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)。2、增加對(duì)課堂所講的工質(zhì)熱力狀態(tài)、凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等基本概念的理解。3、掌握CO2的p-v-t關(guān)系的測(cè)定方法，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法 和技巧。For pers onal use only in study and research; not for commercial use4、學(xué)會(huì)活塞式壓力計(jì)，恒溫器等

2、熱工儀器的正確使用方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 測(cè)定CO的p-v-t關(guān)系。在p-v坐標(biāo)系中繪出低于臨界溫度(t=20 C)、臨界溫度 (t=31.1 C)和高于臨界溫度(t=50 C)的三條等溫曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)曲線及理論計(jì)算值相比較，并分析其差異原因。2、測(cè)定CO在低于臨界溫度(t=20 C、27C)時(shí)飽和溫度和飽和壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 并與圖四中的ts-ps曲線比較。3、觀測(cè)臨界狀態(tài)(1 )臨界狀態(tài)附近氣液兩相模糊的現(xiàn)象。(2) 氣液整體相變現(xiàn)象。(3) 測(cè)定CQ的pc、vc、tc等臨界參數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)所得的vc值與理想氣體狀態(tài)方程和范 德瓦爾方程的理論值相比教，簡(jiǎn)述其差異原因。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及原理

3、整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體及其防護(hù)罩等三大部分組成(如圖一所 示)。9L空同密封填卷恒溫水Q 水銀丘力池H壓 蓋0恒溫水壓力油"'玻璃杯圖二試驗(yàn)臺(tái)本體試驗(yàn)臺(tái)本體如圖二所示。其中1高壓容器；2 玻璃杯；3 壓力機(jī)；4水銀；5密封填料；6填料壓蓋；7 恒溫水套；8承壓玻璃杯；9 CQ空間；10溫度計(jì)。、對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)p、V、t之間有：F(p,v,t)=O或 t=f(p,v)( 1)本實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)式(1)，采用定溫方法來測(cè)定CO的p-v-t關(guān)系，從而找出 CO的p-v-t關(guān)DU曲常厲虔手動(dòng)胡己機(jī)圖一試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖熱電偶承壓璇璃系。

4、實(shí)驗(yàn)中， 由壓力臺(tái)送來的壓力由壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部， 迫使水銀進(jìn)入預(yù) 先裝了 CQ氣體的承壓玻璃管，CQ被壓縮，其壓力和容器通過壓力臺(tái)上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)。溫度由恒溫器供給的水套里的水溫來調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)二氧化碳的壓力， 由裝在壓力臺(tái)上的壓力表讀出 (如要提高精度， 可由加在活 塞轉(zhuǎn)盤上的平衡砝碼讀出，并考慮水銀柱高度的修正) 。溫度由插在恒溫水套中的溫度計(jì)讀 出。比容首先由承壓玻璃管內(nèi)二氧化碳柱的高度來測(cè)量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻、 截面不變等條件來換算得出。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按圖一裝好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并開啟實(shí)驗(yàn)本體上的日光燈。2、恒溫器準(zhǔn)備及溫度調(diào)節(jié)：(1) 、入恒溫器內(nèi)，注至

5、離蓋 3050mm檢查并接通電路，開動(dòng)電動(dòng)泵，使水循環(huán)對(duì) 流。( 2)、旋轉(zhuǎn)電接點(diǎn)溫度計(jì)頂端的帽形磁鐵， 調(diào)動(dòng)凸輪示標(biāo)， 使凸輪上端面與鎖要調(diào)定的 溫度一致，再將帽形磁鐵用橫向螺釘鎖緊，以防轉(zhuǎn)動(dòng)。( 3)、視水溫情況，開、關(guān)加熱器，當(dāng)水溫未達(dá)到要調(diào)定的溫度時(shí)，恒溫器指示燈是亮 的，當(dāng)指示燈時(shí)亮?xí)r滅閃動(dòng)時(shí)，說明溫度已達(dá)到所需要恒溫。( 4)、觀察玻璃水套上的溫度計(jì)， 若其讀數(shù)與恒溫器上的溫度計(jì)及電接點(diǎn)溫度計(jì)標(biāo)定的 溫度一致時(shí)(或基本一致)，則可(近似)認(rèn)為承壓玻璃管內(nèi)的CQ的溫度處于所標(biāo)定的溫度。(5)、當(dāng)所需要改變實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，重復(fù)(2)( 4)即可。3、加壓前的準(zhǔn)備：因?yàn)閴毫ε_(tái)的油缸容量比容器

6、容量小， 需要多次從油杯里抽油， 再向主容器充油， 才能 在壓力表顯示壓力讀數(shù)。 壓力臺(tái)抽油、充油的操作過程非常重要， 若操作失誤，不但加不上 壓力，還會(huì)損壞試驗(yàn)設(shè)備。所以，務(wù)必認(rèn)真掌握，其步驟如下：( 1)關(guān)壓力表及其進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門，開啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥。( 2)搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿全部退出。這時(shí)，壓力臺(tái)油缸中抽滿了油。( 3)先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門。( 4)搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。如此交復(fù)，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。( 5)再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟。若均已調(diào)定后， 即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4、作好實(shí)驗(yàn)的原始記錄

7、：( 1 )設(shè)備數(shù)據(jù)記錄： 儀器、儀表名稱、型號(hào)、規(guī)格、量程、精度。( 2 )常規(guī)數(shù)據(jù)記錄： 室溫、大氣壓、實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況等。(3)測(cè)定承壓玻璃管內(nèi) CO質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或截面積( A)又不易測(cè)準(zhǔn)， 因而實(shí)驗(yàn)中采用間接辦法來確定 CO的比容，認(rèn)為CQ的比容V與其高度是一種線性關(guān) 系。具體方法如下：3a) 已知 CO 液體 20C, 9.8MPa 時(shí)的比容 V( 20C, 9.8Mpa) =0.00117m/kgob) 實(shí)際測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)在 20C, 9.8Mpa時(shí)的CQ液柱高度 h。(m)。(注意玻璃管水套上 刻度的標(biāo)記方法)c) V(20C, 9.8Mpa)= 0.00117m3 / k

8、gmm: h0A 一 0.00117二 K(kg / m2)其中：K即為玻璃管內(nèi) CO的質(zhì)面比常數(shù)。所以，任意溫度、壓力下 CO的比容為：x/ihAhm/ A K(nf/kg )式中， h=h-h 0h任意溫度、壓力下水銀柱高度。h0承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度。5、測(cè)定低于臨界溫度 t=20 C時(shí)的定溫線。(1 )將恒溫器調(diào)定在t=20 C,并保持恒溫。(2) 壓力從4.41Mpa開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀柱升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)活塞螺桿， 以保證定溫條件。否則，將來不及平衡，使讀數(shù)不準(zhǔn)。(3) 按照適當(dāng)?shù)膲毫﹂g隔取 h值，直至壓力p=9.8MPa。(4) 注意加壓后CO的變化，特別是注意飽和壓力和

9、飽和溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及液化、汽化等現(xiàn)象。要將測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象一并填入表1。(5) 測(cè)定t=20 C、27 C時(shí)其飽和溫度和飽和壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。6、測(cè)定臨界參數(shù)，并觀察臨界現(xiàn)象。(1) 按上述方法和步驟測(cè)出臨界等溫線，并在該曲線的拐點(diǎn)處找出臨界壓力pc和臨界 比容Vc，并將數(shù)據(jù)填入表1。(2) 觀察臨界現(xiàn)象。a) 整體相變現(xiàn)象由于在臨界點(diǎn)時(shí)，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合于一點(diǎn)， 所以這時(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不是象臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為漸變過程，而這時(shí)當(dāng)壓力稍在變化時(shí)，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。b) 汽、液兩相模糊不清的現(xiàn)象處于臨界點(diǎn)的 CO具有共

10、同參數(shù)(p,v,t ),因而不能區(qū)別此時(shí) CQ是氣態(tài)還是液態(tài)。如 果說它是氣體，那么，這個(gè)氣體是接近液態(tài)的氣體；如果說它是液體，那么，這個(gè)液體又是 接近氣態(tài)的液體。下面就來用實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論。因?yàn)檫@時(shí)處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)行，使CQ壓縮或膨脹，那么，管內(nèi)是什么也看不到的。現(xiàn)在，我們按絕熱過程來進(jìn) 行。首先在壓力等于 7.64Mpa附近，突然降壓 CQ狀態(tài)點(diǎn)由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi) CQ出現(xiàn)明顯的液面。 這就是說，如果這時(shí)管內(nèi)的 CQ是氣體的話，那么，這種氣體離液區(qū)很 接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)我們?cè)谂蛎浿?，突然壓縮CQ時(shí)，這個(gè)液面又立即消失了。這就告訴我們，這時(shí) CQ

11、液體離氣區(qū)也是非常接近的，可以說是接近氣態(tài)的液體。既 然，此時(shí)的CQ既接近氣態(tài)，又接近液態(tài)，所以能處于臨界點(diǎn)附近?？梢赃@樣說：臨界狀態(tài) 究竟如何，就是飽和汽、液分不清。這就是臨界點(diǎn)附近，飽和汽、液模糊不清的現(xiàn)象。7、 測(cè)定高于臨界溫度 t=50 C時(shí)的定溫線。將數(shù)據(jù)填入原始記錄表1。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求并分析它們之間的差異及原因。 ts-ps曲線相比較。1,并分析它們之間的差異及其1、按表1的數(shù)據(jù)，如圖三在 P-V坐標(biāo)系中畫出三條等溫線。2、將實(shí)驗(yàn)測(cè)得得等溫線與圖三所示的標(biāo)準(zhǔn)等溫線比較，3、將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和溫度與壓力的對(duì)應(yīng)值與圖四給出的4、將實(shí)驗(yàn)測(cè)定的臨界比容 Vc與理論計(jì)算值一并填入表標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)驗(yàn)

12、值Vc=RTC/PcVc=3RT；/8pc0.00216原因。臨界比容Vcm3/Kg表1CO等溫實(shí)驗(yàn)原始記錄表t=20 Ct=31.1C(臨界)t=50 CP (Mpa )Ahv= A h/K現(xiàn) 象p (Mpa)Ahv= A h/K現(xiàn) 象p (Mpa)Ahv= A h/K現(xiàn) 象進(jìn)行等溫線實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間分鐘圖三標(biāo)準(zhǔn)曲線圖四C02飽和溫度和壓力關(guān)系曲線氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)氣體定壓比熱的測(cè)定是工程熱力學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)之一。實(shí)驗(yàn)中涉及溫度、壓力、熱量（電功）、流量等基本量的測(cè)量；計(jì)算中用到比熱及混合氣體（混空氣）方面的知識(shí)。本實(shí)驗(yàn)的 目的是增加熱物性研究方面的感性認(rèn)識(shí)，促使理論聯(lián)系實(shí)際，以利于培養(yǎng)同學(xué)分析問

13、題和解決問題的能力。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?. 了解氣體比熱測(cè)定裝置的基本原理和構(gòu)思。2. 熟悉本實(shí)驗(yàn)中的測(cè)溫、測(cè)壓、測(cè)熱、測(cè)流量的方法。3. 掌握由基本數(shù)據(jù)計(jì)算出比熱值和求得比熱公式的方法。4. 分析本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的原因及減小誤差的可能途徑。二、實(shí)驗(yàn)裝置和原理裝置由風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、比熱儀主體、電功率調(diào)節(jié)及測(cè)量系統(tǒng)等四部分組成（如圖一所示）U型 壓 力 計(jì)圖一實(shí)驗(yàn)裝置比熱儀主體如圖二所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，被測(cè)空氣（也可以時(shí)其它空氣）由風(fēng)機(jī)經(jīng)流量計(jì)送入比熱儀主體，經(jīng)加熱、均 流、旋流、混流后流出。在此過程中，分別測(cè)定：空氣在流量計(jì)出口處的干、濕球溫度（to,tw）；氣體經(jīng)比熱儀主體的進(jìn)出口溫度（tl，t2）；

14、氣體的體積流量（V）；電熱器的輸入功率（W；以及實(shí)驗(yàn)時(shí)相應(yīng)的大氣壓（B）和流量計(jì)出口處的表壓（ h）。有了這些數(shù)據(jù)，并查 用相應(yīng)的物性參數(shù)，即可計(jì)算出被測(cè)氣體的定壓比熱（Gm）。氣體的流量由節(jié)流閥控制，氣體出口溫度由輸入電熱器的功率來調(diào)節(jié)。本比熱儀可測(cè)300 C以下的定壓比熱。、匸T1ft匚1 Z U1 二 匚1 I工*-:r-'>熱空氣圖二比熱儀王體三、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理1. 接通電源及測(cè)量?jī)x表，選擇所需的出口溫度計(jì)插入混流網(wǎng)的凹槽中。2. 摘下流量計(jì)上的溫度計(jì)，開動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測(cè)出流量計(jì)出口空氣的干球溫度（to）和濕球溫度（tw）。3. 將溫度計(jì)

15、插回流量計(jì)，調(diào)節(jié)流量，使它保持在額定值附近。逐漸提高電熱器功率， 使出口溫度升高至預(yù)計(jì)溫度可以根據(jù)下式預(yù)先估計(jì)所需電功率：W : 12 式中：W為電熱器輸入電功率（瓦）； t為進(jìn)出口溫度差（C）；T為每流過10升空氣所需的時(shí)間（秒）。4. 待出口溫度穩(wěn)定后（出口溫度在10分鐘之內(nèi)無變化或有微小起伏，即可視為穩(wěn)定）,讀出下列數(shù)據(jù)，每10升空氣通過流量計(jì)所需時(shí)間（T ,秒）；比熱儀進(jìn)口溫度一一即流量計(jì) 的出口溫度（t1, C）和出口溫度（t2C）；當(dāng)時(shí)相應(yīng)的大氣壓力（B,毫米汞柱）和流量計(jì)出 口處的表壓（ h，毫米汞柱）；電熱器的輸入功率（W,瓦）。5. 根據(jù)流量計(jì)出口空氣的干球溫度和濕球溫度，從

16、濕空氣的干濕圖查出含濕量（d,克/公斤干空氣），并根據(jù)下式計(jì)算出水蒸氣的容積成分：d/6221 d /6226. 根據(jù)電熱器消耗的電功率，可算出電熱器單位時(shí)間放出的熱量:Q _ W千卡/秒-4 .186810 37. 干空氣流量（質(zhì)理流量）為：GgPVRgTo(1 rw)(B . h/13.6) 104 /735.56 10/1000.4.6447 10(1 rw)(B：h/13.6)29.27(t°273.15)(t°273.15)公斤/秒8. 水蒸氣流量為:GwPvVrw(B：h/13.6) 104/735.56 10/10002.8889 10Jrw( h/13.6)

17、47.06(t。273.15)-. (t。273.15)公斤/秒9. 水蒸氣吸收的熱量：t222Qw = Gw t (0.1101 + 0.000116?t)dt = Gw0.4404(t tj + 0.00005835(t； - t；) *1千卡/秒10. 干空氣的定壓比熱為：0mt2t1QgGg (t2 - t1)Q QwGg (t2 - t1)千卡/ （公斤C）11. 計(jì)算舉例某一穩(wěn)定工況的實(shí)測(cè)參數(shù)如下：t 0=8C;tw=7.5 C;t 1=8C;t2=240.3 C;B=748.0毫米汞貢柱t =69.96 秒/10 升; h=16 毫米汞柱；W=41.84千瓦查干濕圖得d=6.3克

18、/公斤干空氣（2 =94%6.3/62216.3/622= 0.01002741.844.1868 103-9.9938 10 千卡/秒Gg4.6447 10(1 -0.010027)(748 16/13.6)69.96(8 273.15)= 175.14 10'公斤Gw= 1.1033 102.8889 10*0.010027(74816/13.6)69.96(8 + 273.15)Qw = 1.1033X0尊 0.4404(240.3-8)+0.00005835(240.3 - 82) = 0.1166 10“千卡/秒C0mt2tl9.9938 10- -0.1166 10175.14 10占(240.3-8)=0.2428千卡/ （公斤C）12. 比熱隨溫度的變化關(guān)系假定在0 300C之間，空氣的真實(shí)定壓比熱與溫度之間近似地有線性關(guān)系，則由t1到t2的平均比熱為：t2t1l2t (a bt)dtt2 -【1【2 【12因此，若以【2 I為橫坐標(biāo),C0m t1為縱坐標(biāo)（如圖三），則可根據(jù)不同的溫度范圍內(nèi)的平均比熱確定截距 算式。a和斜率b,從而得出比熱隨溫度變化的計(jì)Cbm大卡/公斤Ct 1+t 2JlC四、注意事項(xiàng)1. 切勿在無氣流通過的情況下使電熱器投入工作，以免引起局