新版工程热力学实验指导书模板.docx

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新版工程热力学实验指导书模板

工程热力学

二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系

一、实验目的

1、了解CO2临界状态的观测方法,增加对临界状态概念的感性认识。

2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。

3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法,学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。

4、学会活塞式压力计,恒温器等热工仪器的正确使用方法。

二、实验内容

1、测定CO2的p-v-t关系。

在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线,并与标准实验曲线及理论计算值相比较,并分析其差异原因。

2、测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）时饱和温度和饱和压力之间的对应关系,并与图四中的ts-ps曲线比较。

3、观测临界状态

（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。

（2）气液整体相变现象。

（3）测定CO2的pc、vc、tc等临界参数,并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教,简述其差异原因。

三、实验设备及原理

整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。

图一试验台系统图

图二试验台本体

试验台本体如图二所示。

其中1—高压容器;2—玻璃杯;3—压力机;4—水银;5—密封填料;6—填料压盖;7—恒温水套;8—承压玻璃杯;9—CO2空间;10—温度计。

、

对简单可压缩热力系统,当工质处于平衡状态时,其状态参数p、v、t之间有:

F（p,v,t）=0

或t=f（p,v）

（1）

本实验就是根据式

（1）,采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系,从而找出CO2的p-v-t关系。

实验中,由压力台送来的压力由压力油进入高压容器和玻璃杯上半部,迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管,CO2被压缩,其压力和容器经过压力台上的活塞杆的进、退来调节。

温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。

实验工质二氧化碳的压力,由装在压力台上的压力表读出（如要提高精度,可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出,并考虑水银柱高度的修正）。

温度由插在恒温水套中的温度计读出。

比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量,而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。

四、实验步骤

1、按图一装好实验设备,并开启实验本体上的日光灯。

2、恒温器准备及温度调节:

（1）、入恒温器内,注至离盖30～50mm。

检查并接通电路,开动电动泵,使水循环对流。

（2）、旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁,调动凸轮示标,使凸轮上端面与锁要调定的温度一致,再将帽形磁铁用横向螺钉锁紧,以防转动。

（3）、视水温情况,开、关加热器,当水温未达到要调定的温度时,恒温器指示灯是亮的,当指示灯时亮时灭闪动时,说明温度已达到所需要恒温。

（4）、观察玻璃水套上的温度计,若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致）,则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。

（5）、当所需要改变实验温度时,重复

（2）～（4）即可。

3、加压前的准备:

因为压力台的油缸容量比容器容量小,需要多次从油杯里抽油,再向主容器充油,才能在压力表显示压力读数。

压力台抽油、充油的操作过程非常重要,若操作失误,不但加不上压力,还会损坏试验设备。

因此,务必认真掌握,其步骤如下:

（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门,开启压力台上油杯的进油阀。

（2）摇退压力台上的活塞螺杆,直至螺杆全部退出。

这时,压力台油缸中抽满了油。

（3）先关闭油杯阀门,然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。

（4）摇进活塞螺杆,使本体充油。

如此交复,直至压力表上有压力读数为止。

（5）再次检查油杯阀门是否关好,压力表及本体油路阀门是否开启。

若均已调定后,即可进行实验。

4、作好实验的原始记录:

（1）设备数据记录:

仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。

（2）常规数据记录:

室温、大气压、实验环境情况等。

（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量,而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准,因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容,认为CO2的比容V与其高度是一种线性关系。

具体方法如下:

a）已知CO2液体20℃,9.8MPa时的比容V（20℃,9.8Mpa）=0.00117m3/㎏。

b）实际测定实验台在20℃,9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。

（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）

c）∵V（20℃,9.8Mpa）=

∴

其中:

K——即为玻璃管内CO2的质面比常数。

因此,任意温度、压力下CO2的比容为:

（m3/kg）

式中,Δh=h-h0

h——任意温度、压力下水银柱高度。

h0——承压玻璃管内径顶端刻度。

5、测定低于临界温度t=20℃时的定温线。

（1）将恒温器调定在t=20℃,并保持恒温。

（2）压力从4.41Mpa开始,当玻璃管内水银柱升起来后,应足够缓慢地摇进活塞螺杆,以保证定温条件。

否则,将来不及平衡,使读数不准。

（3）按照适当的压力间隔取h值,直至压力p=9.8MPa。

（4）注意加压后CO2的变化,特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。

要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。

（5）测定t=20℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。

6、测定临界参数,并观察临界现象。

（1）按上述方法和步骤测出临界等温线,并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容vc,并将数据填入表1。

（2）观察临界现象。

a）整体相变现象

由于在临界点时,汽化潜热等于零,饱和汽线和饱和液线合于一点,因此这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累,需要一定的时间,表现为渐变过程,而这时当压力稍在变化时,汽、液是以突变的形式相互转化。

b）汽、液两相模糊不清的现象

处于临界点的CO2具有共同参数（p,v,t）,因而不能区别此时CO2是气态还是液态。

如果说它是气体,那么,这个气体是接近液态的气体;如果说它是液体,那么,这个液体又是接近气态的液体。

下面就来用实验证明这个结论。

因为这时处于临界温度下,如果按等温线过程进行,使CO2压缩或膨胀,那么,管内是什么也看不到的。

现在,我们按绝热过程来进行。

首先在压力等于7.64Mpa附近,突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区,管内CO2出现明显的液面。

这就是说,如果这时管内的CO2是气体的话,那么,这种气体离液区很接近,能够说是接近液态的气体;当我们在膨胀之后,突然压缩CO2时,这个液面又立即消失了。

这就告诉我们,这时CO2液体离气区也是非常接近的,能够说是接近气态的液体。

既然,此时的CO2既接近气态,又接近液态,因此能处于临界点附近。

能够这样说:

临界状态究竟如何,就是饱和汽、液分不清。

这就是临界点附近,饱和汽、液模糊不清的现象。

7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。

将数据填入原始记录表1。

五、实验报告要求

1、按表1的数据,如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。

2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较,并分析它们之间的差异及原因。

3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。

4、将实验测定的临界比容Vc与理论计算值一并填入表1,并分析它们之间的差异及其原因。

临界比容Vc[m3/Kg]表1

标准值

实验值

Vc=RTc/Pc

Vc=

0.00216

CO2等温实验原始记录表

t=20℃

t=31.1℃（临界）

t=50℃

p

（Mpa）

Δh

v=Δh/K

现象

p

（Mpa）

Δh

v=Δh/K

现象

p

（Mpa）

Δh

v=Δh/K

现象

进行等温线实验所需时间

分钟

分钟

分钟

图三标准曲线

图四CO2饱和温度和压力关系曲线

气体定压比热测定实验

气体定压比热的测定是工程热力学的基本实验之一。

实验中涉及温度、压力、热量（电功）、流量等基本量的测量;计算中用到比热及混合气体（混空气）方面的知识。

本实验的目的是增加热物性研究方面的感性认识,促使理论联系实际,以利于培养同学分析问题和解决问题的能力。

一、实验目的和要求

1.了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2.熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。

3.掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。

4.分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、实验装置和原理

装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成（如图一所示）。

图一实验装置

比热仪主体如图二所示。

实验时,被测空气（也能够时其它空气）由风机经流量计送入比热仪主体,经加热、均流、旋流、混流后流出。

在此过程中,分别测定:

空气在流量计出口处的干、湿球温度（t0,tw）;气体经比热仪主体的进出口温度（t1,t2）;气体的体积流量（V）;电热器的输入功率（W）;以及实验时相应的大气压（B）和流量计出口处的表压（Δh）。

有了这些数据,并查用相应的物性参数,即可计算出被测气体的定压比热（Cpm）。

气体的流量由节流阀控制,气体出口温度由输入电热器的功率来调节。

本比热仪可测300℃以下的定压比热。

图二比热仪主体

三、实验步骤和数据处理

1.接通电源及测量仪表,选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。

2.摘下流量计上的温度计,开动风机,

调节节流阀,使流量保持在额定值附近。

测出流量计出口空气的干球温度（t0）和湿球温度（tw）。

3.将温度计插回流量计,调节流量,使它保持在额定值附近。

逐渐提高电热器功率,使出口温度升高至预计温度

[能够根据下式预先估计所需电功率:

式中:

W为电热器输入电功率（瓦）;

Δt为进出口温度差（℃）;

τ为每流过10升空气所需的时间（秒）。

]

4.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,每10升空气经过流量计所需时间（τ,秒）;比热仪进口温度——即流量计的出口温度（t1,℃）和出口温度（t2℃）;当时相应的大气压力（B,毫米汞柱）和流量计出口处的表压（Δh,毫米汞柱）;电热器的输入功率（W,瓦）。

5.根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度,从湿空气的干湿图查出含湿量（d,克/公斤干空气）,并根据下式计算出水蒸气的容积成分:

6.根据电热器消耗的电功率,可算出电热器单位时间放出的热量:

千卡/秒

7.干空气流量（质理流量）为:

公斤/秒

8.水蒸气流量为:

公斤/秒

9.水蒸气吸收的热量:

千卡/秒

10.干空气的定压比热为:

千卡/（公斤·℃）

11.计算举例

某一稳定工况的实测参数如下:

t0=8℃;tw=7.5℃;B=748.0毫米汞贡柱

t1=8℃;t2=240.3℃;τ=69.96秒/10升;

Δh=16毫米汞柱;W=41.84千瓦

查干湿图得d=6.3克/公斤干空气（ψ=94%）

千卡/秒

公斤/秒

公斤/秒

千卡/秒

千卡/（公斤·℃）

12.比热随温度的变化关系

假定在0—300℃之间,空气的真实定压比热与温度之间近似地有线性关系,则由t1到t2的平均比热为:

因此,若以

为横坐标,

为纵坐标（如图三）,则可根据不同的温度范围内的平均比热确定截距a和斜率b,从而得出比热随温度变化的计算式。

图三

四、注意事项

1.切勿在无气流经过的情况下使电热器投入工作,以免引起局部过热而损坏比热仪主体。

2.输入电热器的电压不得超过220伏。

气体出口最高温度不得超过300℃。

3.加热和冷却要缓慢进行,防止温度计和比热仪主体因温度骤增骤降而破裂。

4.停止试验时,应切断电热器,让风机继续运行十五分钟左右（温度教低时可适当缩短）。

实验数据记录:

当地大气压:

流量计出口压力:

序号

进口温度

出口温度

湿球温度

加热功率

W

时间

s

1

2

3

4

五、实验报告要求

1、计算四个状态下的比热值,将主要步骤和结果写在实验报告上。

2、绘坐标图并用最小二乘法确定比热表示式。