气体定压比热容的测定

气体定压比热容的测定

测定气体定压比热容的基本测量项目,是测量巳知流量的气体的吸热量（或放热量）和温度变化值。基本方法可以分为两类。一类称为混合法,即预先将气体加热,让它流过量热器时受冷却（达到与量热器热平衡）,由量热器测定气体的放热量。另一类称为定流法,即让气体流过量热器时被加热,由量热器测定气体的吸热量,因此,除了要准确测定气体在量热器人口和出口的温度之外,还必须仔细消除量热器热损失的影响或确定它的修正值,才能准确地测定气体的吸热量或放热量.本实验采用定流法测定空气的平均定压比热容。 一、实验原理

气体的定压比热容定义为

hcp (2-1)

Tp在没有对外界作功的气体的等压流动过程中,dh1dQp,

m则气体的定压比热容可以表示为 1Q cp()p

mT (2-2)

当气体在此等压过程中由温度t1加热至温度t2时,气体在此温度范围内的平均定压比热容值可以由下式确定：

cpmt2t1Qpm(t2t1) kJ/(kg·℃) (2-3)

式中,m —— 气体的质量流量kg/s；

QP —— 气体在等压流动过程中的吸热量,kJ/s

低压气体的定压比热容通常用温度的多项式表示,例如下面空气的定压比热容的实验关系

式：

cP = 1.02319-1.76019×10-4T+4.02402×l0-7T2

-4.87268×lO-10T3 kJ/（kg·K）

式中T为绝对温度,K。该式用于250～600 K,平均偏差为0.03%,最大偏差为0.28%。

在离开室温不很远的温度范圈内,空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的,即

可近似表示为

cpabt

（2-4）

由t1加热到t2的平均定压比热容则表示为

2cpmtt1tt21(abt)dtt2t1abt1t2 2 （2-5）

大气是含有水蒸气的湿空气,当湿空气气流由温度t1加热到t2时,其中水蒸气的吸热量可用下式计算：

Qwmw(1.8440.0004886t)dt

t122 mw[1.844(t2t1)0.0002443(t2t1)]

t2kJ/s （2-6）

式中,mw为气流中的水蒸气质量，kg/s。于是,于空气的平均定压比热容由下式确定：

tcpmt21

Qpm(t2t1)Q'pQwm(t2t1) （2-7）

式中Q‘p为湿空气气流的吸热量。

仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热）,不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同,散热量也相同。因此,在保持气流加热前的温度仍为t1和加热后温度仍为t2的条件下,当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时,每次的散热量当是一样的。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m1和m2，加热器的加热量分别为Q1和Q2,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：

Q1Qp1Qw1Qm1cpm(t2t1)Qw1QQ1Qp2Qw2Qm2cpm(t2t1)Qw2Q

两式相减消去△Q项,得到

(QQ2)(Qw1Qw2)t cpmt211(m1m2)(t2t1)kJ/（kg·℃） （2-8）

二、实验设备

实验所用的设备和仪器仪表有比热容测定仪、湿式流量计、恒温槽、稳压气罐、温度计、电源设备和测量仪表、气源设备等,实验装置系统如图2-1所示, 装置中采用湿式流量计测定气流流量。流量计出口的恒温槽2用以控制测定仪器入口气流的温度。装置可以采用小型单级压缩机或其它设备作为气源设备,并用钟罩型气罐5维持供气压力稳定。气流流量用调节阀3调整。

比热容测定仪(图24-2)由内壁镀银的真空杜瓦瓶1、温度计4和5(铂

图2 测定空气定压比热客的实验装置系统 电阻温度计或精度较高的水银温度

1- 比热容测定仪； 2一恒温槽； 3一调节阀； 计)、电加热器6和铜网10组成。气体

4一湿式流量计 5一稳压气罐；6一调节阀；7一电流表；自进口管2引人,温度计4测量其初始

8一电压表；9一电源稳压器；10一调压变压器

温度,通过螺旋管进入双层夹套管。

气体先流过管壁7和8之间的夹层,再流过8和9之间的夹层而进入电加热器部位加热。气体在双层夹套管中迁回,可以使电加热器散失的热量仍为气体所吸收。离开电加热器的气体经铜网10均流均温,温度计5测量加热终了温度,后由管3引出。

三、实验方法及数据整理

实验中需要测定干空气的质量流量m、水蒸气的质量流量mw、电加热器的加热量（即气流吸热量）Q‘p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mw、电加热器不投入,摘下边量计出口与恒温槽连接的橡皮管,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to（由流量计上的温度计测量）和相对湿度φo根据to与φ值由湿空气的焓 - 湿图确定含湿量d [g/kg],并计算出水蒸气的容积成分rw：

rwd/622

1d/622 (2-9)

于是,气流中水蒸气的分压力为

h105 pwrw(B)13.595750.0622

N/m

式中 B一大气压力,mmHg

△h一流量计出口气流的表 压力,mmHg,由湿式流量计上 的压差计测量。

接上橡皮管,.开始加热。当 实验工况稳定后测定流量计每通 过V’[m3](例如0.013)血。气 体所花的时间τ[s],以及其它 数据。

水蒸气的质量流量计算如下：

pw(V'/)mw

RwTokg/s （2-11）

式中Rw,=461.5J/（kg·K）。

干空气的质量流量计算如下：

p(V'/)m kg/s

RTo式中 p —— 干空气的分压力：

h105 N/m2 （2-13） p(1rw)(B)13.595750.062 R=287J/（kg·K）

2．电加热器的加热量Qp

Q1pUI

1000'kJ/s

式中U——电加热器的端电压，V；

I——加热电流,A。

3.气流温度气流在加热前的温度t1和加热后的温度t2由比热容测定仪上的温度计测量。实验时,根据选定的气流初始温度t1和加热温度t2的变化范围及变化间隔,t1用恒温槽调节,t2由电加热器调节。

实验操作应注意如下事项：

1．电加热器不应在没有气流通过比热容测定仪时投入加热。

2.加热和冷却要缓慢,防止比热容测定仪因温度骤然变化和受热不均匀而破裂。特别是停止实验时,应先停加热后停气流,并且在停止加热器加热后仍应维持小气流继续运行一段时间。

3.实验测定时,必须确信气流和测定仪的温度状况稳定后才能读数。 根据式（2-8）计算得到的全部实验结果以如下形式表示出: 1.列表表示平均比热容与温度的关系；

2.用作图法或最小二乘法确霉式。（2-5）中的常数α和b值,用方程式表示空气的平均定压比热容与温度的关系。

1.用实验结果说明电加热器辐射热损失的影响, 2.分析引起实验误差的因素有哪一些, 3．在实验装置中,把湿式流量计连接位置改在稳压气罐之前,或恒温槽之后,或比热测定仪的排气管上,是否合理?试分析之。

进口温度：18摄氏度 出口温度：66

电压：25.7V（系数0.5，即乘以0.5，要求的电压范围是10~15V） 指针转十圈的时间是1分21秒 每一圈的流量是2（