圓球?qū)嵯禂?shù)中溫法向?qū)嶒炛笇?dǎo)書氣體定壓比熱空氣絕熱指數(shù)

1、實驗 氣體定壓比熱測定一、實驗?zāi)康?. 了解氣體比熱測定裝置的基本原理和裝置結(jié)構(gòu)。2. 熟悉本實驗中溫度、壓力、熱量、流量的測量方法。3. 掌握由測量數(shù)據(jù)計算定壓比熱的方法。4. 分析本實驗中誤差產(chǎn)生的原因及減小誤差的可能途徑。二、實驗原理根據(jù)定壓比熱的概念，氣體在時的定壓比熱表示為（1）當式（1）的溫度間隔為無限小時，即為某一溫度時氣體的真實定壓比熱（由于氣體的定壓比熱隨溫度的升高而增大，所以在給出定壓比熱的數(shù)值時，必須指明是哪個溫度下的定壓比熱）。如果已得出的函數(shù)關(guān)系，溫度由至的過程中所需要的熱量即可按下式求得：（2）（3）則溫度由至的過程中所需要的熱量可表示為：（4）由加熱到的平均定壓比

2、熱容則可表示為：（5）實驗中，通過實驗裝置是濕空氣，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（4）計算，其中，則水蒸氣的吸熱量為： （6）式中：氣流中水蒸氣質(zhì)量，kg/s。則干空氣的平均定壓比熱容由下式確定：（7）式中：為濕空氣氣流的吸熱量。實驗裝置中采用電加熱的方法加熱氣流，由于存在熱輻射，不可避免地有一部分熱量散失于環(huán)境，其大小取決于儀器的溫度狀況。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、后的溫度仍為和的前提下，當采用不同的質(zhì)量流量和加熱量進行重復(fù)測定時，每次的散熱量是相同的。于是，可在測定結(jié)果中消除這項散熱量的影響。設(shè)兩次測定時的氣體質(zhì)量流量分別為和，

3、加熱器的加熱量分別為和，輻射散熱量為，則達到穩(wěn)定狀況后可以得到如下的熱平衡關(guān)系：兩式相減消去項，得到：（8）三、實驗裝置實驗所用的設(shè)備和儀器儀表由風機、流量計、比熱儀本體、電功率調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)共四部分組成，實驗裝置系統(tǒng)如圖1所示。裝置中采用濕式流量計2測定氣流流量，采用小型鼓風機7作為氣源設(shè)備，氣流流量用節(jié)流閥1調(diào)整，電加熱量使用調(diào)壓變壓器5進行調(diào)節(jié)，并用功率表4測量。圖1測定空氣定壓比熱容的實驗裝置1-節(jié)流閥；2-流量計；3-比熱儀本體；4-功率表；5-調(diào)壓變壓器；6-穩(wěn)壓器；7-風機比熱容測定儀本體（圖2）由內(nèi)壁鍍銀的多層杜瓦瓶2、溫度計1和8（鉑電阻溫度計或精度較高的水銀溫度計）、電加熱器

4、3、均流網(wǎng)4、絕緣墊5、旋流片6和混流網(wǎng)7組成。氣體自進口管引入，溫度計1測量空氣進口初始溫度，離開電加熱器的氣體經(jīng)均流網(wǎng)4均流均溫，溫度計8測量出口溫度。該比熱儀可測300以下氣體的定壓比熱。圖2 比熱容測定儀結(jié)構(gòu)原理圖1、8-溫度計；2-多層杜瓦瓶；3-電加熱器；4-均流網(wǎng)；5-絕緣墊；6-旋流片；7-混流網(wǎng)四、實驗數(shù)據(jù)處理方法實驗中需要測定干空氣的質(zhì)量流量、水蒸氣的質(zhì)量流量、電加熱器的加熱量（即氣流吸熱量）和氣流溫度等數(shù)據(jù)，測定方法如下：1.干空氣的質(zhì)量流量和水蒸氣的質(zhì)量流量首先，在不啟動電加熱器的情況下，通過節(jié)流閥把氣流流量調(diào)節(jié)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

5、度計測量）和相對濕度。根據(jù)與值，由濕空氣的焓濕圖確定含濕量，并計算出水蒸氣的容積成分：（9）于是，氣流中水蒸氣的分壓力為（10）式中：流量計中濕空氣的絕對壓力，Pa：（11）式中：當?shù)卮髿鈮?，kPa；由大氣壓力計讀取。流量計上U型管壓力計讀數(shù)，mm水柱；調(diào)節(jié)變壓器到適當?shù)妮敵鲭妷海_始加熱。當實驗工況穩(wěn)定后，測定流量計每通過單位體積氣體所需要的時間以及其它數(shù)據(jù)。水蒸氣的質(zhì)量流量計算如下：（12）式中：水蒸氣的氣體常數(shù)：（13）絕對溫度，K。干空氣的質(zhì)量流量計算如下： （14）干空氣的氣體常數(shù)：（15）2.電加熱器的加熱量電熱器加熱量可由功率表讀出，功率表的讀數(shù)方法詳見說明書。（16）式中：功率

6、表讀數(shù)，W；3.氣流溫度氣流在加熱前的溫度為大氣溫度，用室內(nèi)溫度計測量；加熱后的溫度由比熱容測定儀上的溫度計測量。五、實驗步驟1. 啟動風機，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使流量保持在額定值附近。測量流量計出口空氣的干球溫度和濕球溫度。2. 啟動調(diào)壓變壓器，調(diào)節(jié)到合適的電壓，使出口溫度計讀數(shù)升高到預(yù)計溫度。（可根據(jù)下式預(yù)先估計所需電功率：，式中：W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）。3. 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)：1) 10升氣體通過流量計所需時間（s）；2) 比熱儀進口溫度t1（）和出口溫度t2（）；3) 大氣壓力

7、計讀數(shù)B（kPa），流量計中氣體表壓（mmH2O）；4) 電熱器的功率Qp（W）。4. 根據(jù)流量計出口空氣的干球溫度和濕球溫度確定空氣的相對濕度，根據(jù)和干球溫度從濕空氣的焓濕圖（工程熱力學(xué)附圖）中查出含濕量（g/kg干空氣）。 5. 每小時通過實驗裝置空氣流量：（17）將各量代入式（14）可得出干空氣質(zhì)量流量的計算式：（18）6. 水蒸氣的流量：將各量代入式（12）可得出水蒸氣質(zhì)量流量的計算式：（19）六、計算實例某一穩(wěn)定工況實測參數(shù)如下：8，7.8，8，99.727kPa，8，240.3，69.96s/10L，16mmH2O柱，41.842W，由，查焓濕圖得94%，6.3g/kg干空氣。計算

8、如下：1. 水蒸氣的容積成分：代入式（9），得=0.0100272. 電加熱器單位時間放出的熱量：代入式（16），得 kJ/h3. 干空氣質(zhì)量流量：代入式（18），得 kg/h4. 水蒸氣質(zhì)量流量：代入式（19），得 kg/h5. 水蒸氣吸收的熱量為：1.728 kJ/h則干空氣的平均定壓比熱容為： kJ/h七、實驗報告1. 簡述實驗原理和儀器構(gòu)成原理。2. 列表給出所有原始數(shù)據(jù)記錄。3. 列表給出實驗結(jié)果（數(shù)據(jù)處理，要附有例證）。八、思考題1. 在本實驗中，如何實現(xiàn)絕熱？2. 氣體被加熱后，要經(jīng)過均流、旋流和混流后才測量氣體的出口溫度，為什么？簡述均流網(wǎng)、旋流片和混流網(wǎng)的作用。3. 盡管在本

9、實驗裝置中采用了良好的絕熱措施，但散熱是不可避免的。不難理解，在這套裝置中散熱主要是由于杜瓦瓶與環(huán)境的輻射造成的。你能否提供一種實驗方法（仍利用現(xiàn)有設(shè)備）來消除散熱給實驗帶來的誤差？4. 在本實驗的溫度測量范圍內(nèi)（不高于300），空氣的定壓比熱與溫度的關(guān)系可近似認為是線性，現(xiàn)在需要確定空氣在室溫到300的定壓比熱的非線性程度，請問可以用怎樣的實驗手段實現(xiàn)？九、注意事項1. 在空氣未流通的情況下，電加熱器切勿工作，以免引起局部過熱而損壞比熱儀。2. 輸入電加熱器電壓不得超過220V，氣體出口溫度最高不得超過300。3. 加熱和冷卻要緩慢進行，防止溫度計和比熱儀本體因溫度驟升驟降而破損；加熱時要先

10、啟動風機，再緩慢提高加熱器功率，停止試驗時應(yīng)先切斷電加熱器電源，讓風機繼續(xù)運行15分鐘左右（溫度較低時，時間可適當縮短）。實驗 圓球法測定粒狀材料導(dǎo)熱系數(shù)一、實驗?zāi)康?. 掌握在穩(wěn)態(tài)條件下，用圓球法測粒狀材料導(dǎo)熱系數(shù)的基本原理和方法以及實驗裝置的結(jié)構(gòu)；2. 加深對傅立葉定律的理解，鞏固所學(xué)熱傳導(dǎo)的理論；3. 學(xué)會使用電位差計。二、實驗原理兩個直徑不同的薄壁空心圓球，同心放置，兩球之間充滿一定密度、需要測定的粒狀材料，內(nèi)球的內(nèi)部裝有一個電加熱器，通電加熱時，其產(chǎn)生的熱量Q將沿著圓球表面的法線方向通過顆粒狀材料向外傳遞。假定內(nèi)球壁面溫度為t1，外球壁面溫度為t2，球面各點溫度均勻，且t1 >

11、 t2，當加熱時間足夠長、溫度不隨時間變化時，說明裝置已達到穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)球坐標下的穩(wěn)定導(dǎo)熱傅立葉定律有：（1）對于大多數(shù)材料來說，在一狹窄的溫度范圍內(nèi)（約幾十度）可以認為導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度作直線變化，即：（2）式中：在0時材料的導(dǎo)熱系數(shù)；b比例常數(shù)。將式（2）代入式（1），得：（3）分離變數(shù)后積分：當，時，當，時，從上兩式消去C得：，可得到球體處于穩(wěn)定導(dǎo)熱時，傅立葉定律的積分形式：（4）即（5）式中：，從式（4）可看出，只需測出球內(nèi)外徑d1、d2，熱流Q及球內(nèi)外表面溫度t1、t2即可得到。若要求解溫度系數(shù)b，可采用調(diào)節(jié)加熱功率的方法，在另一個加熱工況下測定t1、t2，求得另一個tar，利用式（2

12、）有，可得比例常數(shù)b的表達式：（6）三、實驗裝置如圖示：裝置的主體由兩個壁很薄的空心同心銅質(zhì)球組成，內(nèi)球直徑d1為80 mm，外球直徑d2為160mm，內(nèi)球內(nèi)部裝有電加熱器，兩球間裝滿試驗材料（粒狀物體），當全體系達到穩(wěn)定后，由電加熱器產(chǎn)生的熱量Q將全部通過中間粒狀物質(zhì)面?zhèn)鹘o外球表面，然后再通過外球表面?zhèn)鹘o周圍的空氣。圖1 圓球法導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖上內(nèi)球表面裝有三個熱電偶，對應(yīng)測溫點t1t6分別為三個熱電偶測外球表面的溫度。四、實驗步驟1. 將電位差計、電流表、電壓表，按圖接好。2. 檢查無誤后，閉合電路加熱，并調(diào)整到所需功率，每隔5分鐘記錄一次，待全體系達到穩(wěn)定后，即內(nèi)外球表面的溫

13、度不再改變時，取得后三次數(shù)據(jù)的平均值進行計算。3. 改變加熱電壓，重復(fù)上述試驗。五、實驗報告1. 簡述球體法的實驗原理，你認為達到該原理所要求的條件最關(guān)鍵部分是什么？2. 簡述實驗裝置的結(jié)構(gòu)原理（包括實驗裝置系統(tǒng)圖）。3. 給出所有測量儀表的原始數(shù)據(jù)記錄，記下各個儀表的精度等級。4. 計算材料的導(dǎo)熱系數(shù)，整理實驗結(jié)果。表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)加熱功率mVmVmVmVmVmVU/VI/A123456六、思考題1. 查閱文獻，了解絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)量級。2. 能否用這個裝置測量金屬、液體或者氣體的導(dǎo)熱系數(shù)？3. 能否用這個裝置測量自然對流換熱系數(shù)？4. 若實驗裝置做成兩個內(nèi)外方箱子是否可行？為什

14、么？5. 為什么要待穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)才能用？6. 你對該裝置及試驗方法有何評價，談?wù)勀愕母倪M設(shè)想。附表 鎳鉻鎳硅熱電偶分度表溫度熱電動勢（mV）（JJG 351-84）參考端溫度為0012345678900.0000.0390.0790.1190.1580.1980.2380.2770.3170.357100.3970.4370.4770.5170.5570.5970.6370.6770.7180.758200.7980.8380.8790.9190.9601.0001.0411.0811.1221.162301.2031.2441.2851.3251.3661.4071.4481.4891.52

15、91.570401.6111.6521.6931.7341.7761.8171.8581.8991.9401.981502.0222.0642.1052.1462.1882.2292.272.3122.3532.394602.4362.4772.5192.5602.6012.6432.6842.7262.7672.809702.8502.8922.9332.8753.0163.0583.1003.1413.1833.224803.2663.3073.3493.3903.4323.4733.5153.5563.5983.639903.6813.7223.7643.8053.8473.8883.9

16、303.9714.0124.0541004.0954.1374.1784.2194.2614.3024.3434.3844.4264.4671104.5084.5494.5904.6324.6734.7144.7554.7964.8374.8781204.9194.9605.0015.0425.0835.1245.1645.2055.2465.2871305.3275.3685.4095.4505.4905.5315.5715.6125.6525.6931405.7335.7745.8145.8555.8955.9365.9766.0166.0576.0971506.1376.1776.218

17、6.2586.2986.3386.3786.4196.4596.4991606.5396.5796.6196.6596.6996.7396.7796.8196.8596.8991706.9396.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.2991807.3387.3787.4187.4587.4987.5387.5787.6187.6587.6971907.7377.7777.8177.8577.8977.9377.9778.0178.0578.0972008.1378.1778.2168.2568.2968.3368.3768.4168.4568.497

18、2108.5378.5778.6178.6578.6978.7378.7778.8178.8578.8982208.9388.9789.0189.0589.0999.1399.1799.2209.2609.3002309.3419.3819.4219.4629.5029.5439.5839.6249.6649.7052409.7459.7869.8269.8679.9079.9489.98910.02910.07010.11125010.15110.19210.23310.27410.31510.35510.39610.43710.47810.51926010.56010.60010.6411

19、0.88210.72310.76410.80510.84810.88710.92827010.96911.01011.05111.09311.13411.17511.21611.25711.29811.33928011.38111.42211.46311.50411.54511.58711.62811.66911.71111.75229011.79311.83511.87611.91811.95912.00012.04212.08312.12512.16630012.20712.24912.29012.33212.37312.41512.45612.49812.53912.581實驗 中溫法向

20、發(fā)射率測定實驗一、實驗?zāi)康?. 了解測量物體表面法向輻射率的基本原理，加深對法向輻射的理解；2. 鞏固熱電偶測溫的應(yīng)用技術(shù)；3. 熟悉儀器及操作步驟，測定典型輻射表面的法向輻射率。二、實驗原理將熱源和傳導(dǎo)體加熱到一定溫度，熱源法向輻射的熱量被受體吸收，使受體升溫，通過與熱源、傳導(dǎo)體和受體相連接的熱電偶測量得到被測點的溫度，再利用溫度與發(fā)射率之間的關(guān)系式（1），可計算出輻射率：（1）式中：相對黑體的黑度，可假設(shè)為1；待測物體（受體）的黑度；受體與環(huán)境的溫差；受體為相對黑體時熱源的絕對溫度；黑體與環(huán)境的溫差；受體為被測物體時熱源的絕對溫度；相對黑體的絕對溫度；待測物體（受體）的絕對溫度。公式的推導(dǎo)

21、如下：待測物體（受體）<黑體圓筒<熱源由n個物體組成的輻射換熱系統(tǒng)中，利用凈輻射法，可以求物體的純換熱量：（2）式中：i面的凈輻射換熱量；i面從其他表面的吸熱量；i面本身的輻射熱量；i面的黑度；k面對i面的角系數(shù)；k面的有效輻射力；i面的輻射力；i面的吸收率；i面面積根據(jù)本實驗的設(shè)備情況，可作如下假設(shè)：1) 熱源1、傳導(dǎo)圓筒2為黑體。2) 熱源1、傳導(dǎo)圓筒2、待測物體（受體）3表面上的溫度均勻。據(jù)此，公式（2）可寫為因為，又根據(jù)角系數(shù)的互換性，可得到：（3）由于受體3與環(huán)境主要以自然對流方式換熱，因此（4）式中：換熱系數(shù)；待測物體（受體）溫度；環(huán)境溫度。由（3）、（4）式可得：（5

22、）當熱源1和黑體筒2的表面溫度一致時，并考慮到體系1、2、3為封閉系統(tǒng)，有（）=1，由此（5）式可寫成：（6）式中為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，其值為。對不同待測物體（受體）a、b的黑度，有，設(shè)，有（7）當b為黑體時，時，（7）式可寫成：三、實驗裝置采用一個熱電偶測量熱源腔體的溫度，傳導(dǎo)體較大，采用三個熱電偶測溫，受體采用一個熱電偶，將熱電偶的測量值通過A-D轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎担@示在儀器上。可以通過琴鍵開關(guān)切換觀察5個溫度測量值。圖1 中溫法向發(fā)射率測定實驗系統(tǒng)四、實驗步驟1. 將熱源腔體和受體腔對正，靠近黑體圓筒，但不要接觸（保持有1 mm左右的距離）。2. 接通電源開關(guān)，此時信號燈亮，表示

23、熱源傳導(dǎo)體（黑體圓筒）的加熱正常。用熱源電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)熱源加熱器，使熱源電壓表的讀數(shù)在5060V之間；用傳導(dǎo)體電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)傳導(dǎo)體加熱器，使傳導(dǎo)體電壓表的讀數(shù)在110120V之間，待溫度基本穩(wěn)定后（一般約需20分鐘），按下測溫開關(guān)逐點檢測，反復(fù)調(diào)節(jié)上述電壓調(diào)節(jié)器旋鈕，使熱源和傳導(dǎo)體的溫度盡量接近。3. 在熱源和傳導(dǎo)體的溫度基本接近后，即可進行測量。間隔10分鐘，對熱源、傳導(dǎo)體和待測物體（受體）的溫度進行巡回測量，并將各次讀數(shù)記錄下來。4. 當各測點的溫度前后差值小于3時，再巡回測量三組數(shù)據(jù)即可結(jié)束第一個實驗。5. 保持熱源和傳導(dǎo)體的溫度不變，用松脂、蠟燭或墨汁將被測物體（受體）熏黑，穩(wěn)定30分

24、鐘后，按步驟3，重復(fù)測量三組數(shù)據(jù)，結(jié)束第二個實驗。6. 關(guān)閉電源開關(guān)，停止加熱。熱源電壓表 數(shù)顯開關(guān)傳導(dǎo)體(1)電壓表傳導(dǎo)體(2)電壓表電源開關(guān)數(shù)顯溫度計電位 測溫開關(guān)熱源傳導(dǎo)體(黑體圓筒)受體導(dǎo)軌熱源電壓調(diào)節(jié)器 傳導(dǎo)體(1)電壓調(diào)節(jié)器傳導(dǎo)體(2)電壓調(diào)節(jié)器圖2 中溫法向發(fā)射率測定實驗裝置結(jié)構(gòu)五、實驗數(shù)據(jù)記錄序號熱源溫度傳導(dǎo)體溫度受體（紫銅）溫度室溫12123平均溫度序號熱源溫度傳導(dǎo)體溫度受體（紫銅熏黑）溫度12123平均溫度六、實驗報告1. 簡述實驗原理和儀器結(jié)構(gòu)原理。2. 列表測量得到的所有原始數(shù)據(jù)。3. 計算受體的法向輻射率。4. 實驗中你所遇到的最明顯的問題是什么？你對該儀器的可靠性有

25、何評價？5. 實驗測得的輻射率是什么溫度下的數(shù)值？如何利用該儀器測定不同溫度下的法向輻射實驗 空氣絕熱指數(shù)測定實驗一、實驗?zāi)康?. 學(xué)習(xí)測量空氣絕熱指數(shù)的方法；2. 培養(yǎng)運用熱力學(xué)基本理論處理實際問題的能力；3. 進一步加深對剛性容器充氣、放氣現(xiàn)象的認識，結(jié)合能量方程式和理想氣體狀態(tài)方程式及過程方程式，求解空氣絕熱指數(shù)。二、實驗原理在熱力學(xué)中，氣體的定壓比熱容和定容比熱容之比被定義為該氣體的絕熱指數(shù)，并以表示，即。本實驗利用定量氣體在絕熱膨脹過程和定容加熱過程中的變化規(guī)律來測定空氣絕熱指數(shù)。該實驗過程的p-v 圖，如圖1所示。圖中AB為絕熱膨脹過程；BC為定容加熱過程。AB為絕熱過程，（1）

26、BC為定容過程，AC為等溫過程，（2） 將（2）式兩邊k次方，得（3）比較（1）、（3）兩式，可得，即將上式兩邊取對數(shù)，可得圖1（4）因此，只要測出A、B、C三個狀態(tài)下的壓力、，且將其代入（4）式，即可求得空氣的絕熱指數(shù)。三、實驗裝置本實驗的實驗裝置如圖2所示。實驗時如圖（3），通過充氣閥對剛性容器進行充氣，至狀態(tài)A，由U型管差壓計測得狀態(tài)A的表壓hA（mmH2O），我們選取容器內(nèi)一部分氣體作為研究對象，其體積為VA，壓力為pA，溫度為TA，假設(shè)通過排氣閥放氣，使其壓力與大氣壓平衡，恰好此時的氣體膨脹至整個容器（體積為VB），立即關(guān)閉排氣閥，膨脹過程結(jié)束。因為（大氣壓力），并且此過程進行得十分

27、迅速，可忽略過程的熱交換，因此可認為此過程為定量氣體的絕熱膨脹過程，即由狀態(tài)A（pA、VA、TA）絕熱膨脹至狀態(tài)B（pB、VB、TB）。（注意VB等于容器體積，VA為一小于容器體積的假象體積）。處于狀態(tài)B的氣體，由于其溫度低于環(huán)境溫度，則剛性容器內(nèi)的氣體通過容器壁與環(huán)境交換熱量，當容器內(nèi)的氣體溫度與環(huán)境溫度相等時，系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)C（pC、VC、TC）。若忽略剛性容器的體積變化，此過程可認為是定容加熱過程。此時容器內(nèi)氣體的壓力可由U型差壓計測得hC（mmH2O）。至此，被選為研究對象的氣體，從A經(jīng)過絕熱膨脹過程至B，又經(jīng)過定容加熱過程至C，且狀態(tài)A、C所處的溫度同為環(huán)境溫度，實現(xiàn)了圖1中所示的過程。圖2 實驗