工程热力学——实验指导书.doc

《工程热力学》课程
实验指导书
实验一 空气绝热指数测定
一、实验目的
1、测定空气的绝热指数K和空气的比热Cp和CV
2、熟悉以绝热膨胀、定容加热基本热力过程为工作原理的测定绝热指数实验方法；
3、演示刚性容器充放气过程的热过程现象
二、实验装置及原理
空气绝热指数测定装置如图所示，利用气囊往有机玻璃容器内充气，通过U型压力计测出容器内压力P1，压力稳定后，突然打开阀门5并迅速关闭。在此过程中，空气绝热膨胀，在U型压力计上显示出膨胀后容器内的空气压力P2；然后，持续一小时左右，使容器中的空气与实验环境的空气进行热交换，最后达到平衡，即容器中的空气温度与环境温度相等。此时，U型压力计显示出温度平衡后容器中空气压力P3。

三、实验方法与步骤
1、测试前的准备
1）将阀门5的锥形塞拔出，抹上一些真空油，以改善阀门的密封性能。抹油后安装就位并拧紧。
2）在阀门5开放的情况下（即容器与大气相通），用医用注射器将蒸馏水注入U型压力计120～150mm左右的水柱高。水柱内应不含气泡。如有气泡，应设法排除。
3)调整装置的水平位置，使U型压力计两水管中的水柱高在一个水平线上。
2、测试步骤
1）记录U型空压计初始读数h0。
2）关闭阀门5，把容器拧紧。
3）用气囊往有机玻璃容器内缓慢充气，容器内的压力由U型压力计的水柱差显示。此时的压差150～200mm水柱为宜。待压力稳定后，记录下此时的压差值△h。
4）突然打开阀门5并迅速关闭。空气绝热膨胀后，在U型管内显示出膨胀后容器的气压。记录此时的压差值△h2.
5）持续1～2小时后，待容器内空气的温度与测试现场的大气温度一致时，记下此时容器内空气压力的压力差△h3
6）一般要求重复三次测试，取其测试结果的平均值。
四、实验注意事项
1、气囊往往要漏气，充气后必须用夹子将胶皮管夹紧。
2、在测试过程，测试现场的温度要求保持基本恒定。不然，很难测出可靠的数据。
五、实验报告及要求
1、按照原始数据求出k值。
2、分析影响测试结果的因素 。
实验二 二氧化碳临界态观测及PVT关系测定
一、实验目的
1、了解CO2临界状态的观测方法,增加对临界状态的概念的感性认识。
2、加深对课堂所讲的工质状态,凝结,汽化,饱和状态等基本概念的理解。
3、掌握CO2的p-v-l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-l关系，在p-v-l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,并于标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
2、观测CO2在低于临界温度时（t=25℃，27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的t-p曲线相比较。
3、观测临界状态
⑴临界状态附近汽液两相模糊的现象
⑵汽液整体相变现象
⑶观测CO2的t，p，v等临界参数，并将实验所地的v 值与理想气体状态方程和繁德瓦尔方程的理论值相比较，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、恒温器和试验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一）。
试验台本体如图二所示。其中1-高压容器；2-玻璃杯；3-压力油；4-水银；5-密封填料；6-填料水套；7-恒温水套；8-承压玻璃管；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：
E（p，v，t）=0
或 t=f（p，v）
本试验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2的p-v之间的关系，从而找出CO2的p-v-t关系。
实验中，由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装CO2气体的承压玻璃管，CO2被压缩，其压力和容积通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，又装在压力台上的压力表读出（如果提高精度，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均匀、截面不变等条件换算出。
四、实验步骤
1、按图一装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯。
2、恒温器准备及温度调节。
⑴将蒸馏水注入恒温器内，注至离盖30～50mm，检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。
⑵旋转点接点温度计顶端的帽形磁铁，跳动凸轮示标，使凸轮上端面与所要调定的温度一致，再将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。
⑶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恒温。
⑷观察玻璃水套上的温度计，若其读书与恒温器的温度计及电接点温度计所标定的温度一致时（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。
⑸当需要改变试验温度时，重复⑵～⑷即可
3、加压前的准备
因为压力台的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油杯抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数，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，所以，务必认真掌握，其步骤如下：
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷摇进活塞螺杆，使本体充油杯阀门是否关好，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、做好实验的原始记录
⑴设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
⑵常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
⑶测定承压玻璃管内的CO2的质面比常数K值。
由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）有不易测准，因而实验中采用间接办法来CO2的容积，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液体在20℃，9.8MPa时的比容v（20℃，9.8MPa）=0.00117m/kg
b）实际测定试验台在20℃，9.8MPa时的CO2液柱高度△h（m）（注意玻璃水套上刻度的标记方法）。
c）∵v（20℃，9.8MPa）= =0.00117
m △h0
∴—=-————=k（kg/ ）
A 0.00117
K 即为玻璃管内CO2面比常数
所以，任意温度，压力下CO2的比容为：
△h △h
V=————=——— （m /kg）
m A k
其中，△h=h-h0
h—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
⑴将恒温器调定t=20℃，并保持恒温
⑵压力从4.41MPa开始，当玻璃管内水银升起来后，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。
⑶按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=908MPa。
⑷注意加压CO2的变化，特别是注意饱和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添入表1。
⑸测定t=25℃，t=27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
⒍测定临界等温线临界参数，并观察临界现象。
⑴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。
⑵观察临界现象。
⒎测定高于临界温度t=50℃时的等温线，将数据填入原始记录表1
五、实验结果处理和分析
1、按表中测试的数据，在p-v坐标系中画出三条等温线。（临界，高于临界，低于临界）
2、简述所观测到的临界现象