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工程热力学实验

实验一 二氧化碳临界状态观测及P－v－t 关系
一、实脸目的
l 、了解CO2认临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。
2 、加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和抹态等基本概念的理解。
3 、掌握氏的P－v－t的关系的测定方法，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、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1、测定CO2的P－v－t的关系，在P－v坐标图绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t =31.1 ℃）和高干临界温度（t=20℃ 25℃）饱和温度与饱和压力之间的对应关系并与图四中绘出的t－P曲线比较。
3、观屯则临界状态
(1）临界乳光
(2）临界状态附近汽液两相模糊的理象
(3）汽液整体相变现象
(4）测定CO2的tc，Pc，Vc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较，简述其差异原因。
三、实验原理及设备
1 、整个实验装置由压力台．恒温器和试骏本体及其防护策三大部分组成，如图一所示：

图一　试验台系统图
(1)恒温器　　(2)试验台本体　　(3)压力台
CO2试验台系统图
2、试验台本体如图二所示．其中

图二　试验台本体
1一高压容器；
2一玻璃杯；
3一压力油；
4 一水银；
5一密封填料；
6一填料压盖；
7一恒温水套；
8一承压玻璃管；
9一CO2空间；
10一温度计。
3、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：

　　　　或 （l）
本试验就是根据式（l），采用定温方法来测定CO2－v之间的关系。从而找出CO2的P－v－t的关系。
4 、实验中由压力台送来的压力油进人高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进人预先装了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进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
5、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度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出。
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、使用恒温器调定温度
(1）将蒸馏水注人恒温器内．注至离盖3一5cm 为止。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所要调定温度一致，要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，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需恒温。
(4）观察玻璃水套上两支温度计．若其读数相同且与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致时）则可（近似）认为承压玻瑞管内的CO2温度处于所标定的温度。
(5）当需要改变试验温度时，重复（2）－（4）即可。
3 、加压前的准备
因为压力台的油缸容量比主容器容量小，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，所以备必认真掌握。其步骤如下：
(1）关闭压力表及进人本体油路的个阀门，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人本体油路的两阀门。
(4）摇进活塞螺杆，经本体充油，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．若均已德定即可进行实验。
4、做好实验的原始记录及注愈事项
(l）设备致据记录：
仪器：仪表的名称、觅号、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的质面比常数值。
　　由于充进承压玻璃管内的CO2的质量不便测量，而玻璐管内径或截面积（A）又不易测准因而实验中是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。具体如下：
　　a）已知CO2的液体在20℃，100ata时的比容。v(20℃ l00ata)=0.00ll7m3/mg。
　　b）如前操作实地测出本试验台CO2的液体在20℃，100ata时时的CO2液柱高度Dh(m) （注意玻璃水套上刻度的标记方法）。
c)由a可知∵v(20℃ l00ata)= =0.00ll7m3/mg
　　∴
那么任意温度，压力下CO2的比容为：

式中Dh=h-h0
h一任意温度，压力下水银往高度,
　　h0一承压玻璃管内径顶端刻度。
(4）试验中应注意以下几点：
　　a）做各条定温线时．实验压力p ≤100 (ata)，实验温度t≤50（℃）。
　　b）一般测取h 时压力间隔可取5at 但在接近饱和状态和临界状态时．压力间隔应取为0.5at 。
　　c）实验中取h 时．水银柱液面高度的读数要注意．应使视线与水银柱半圆型液面的中间一齐。
(1）使用恒温器调定：t=20℃ 时的定温线
(2）压力记录从45at开始，当玻璃内水银升起来后，只能够缓慢地摇进活塞螺杆。以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。(3）按照适当的压力间播取h值至压力p=l000ata
(4）注意加压后，CO2变化，特别是注重饱和压力与饱和温度的对应关系，液经，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=25℃，t=27℃其饱和温度与饱和压力的对应关系。
6、测定临界等温线和临界参数，临界现象观察。
　　(l）仿照5那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力PC 临界比容vc，并将数据填人表1 。
　　(2）临界现象观察
　　a）保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至78at附近处, 然后突然摇退活塞杆（注意勿使本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现园椎状的乳白的闪光现象，这就是临界乳光现象，这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散所造成的，可以反复几次，观察这一现象。
　　b）汽、液两相模糊不清现象
处于临界点的CO2具有共同参数（P,v,t）因而是不能区别此时CO2是气态还是液态的。如果说它是气体．那么这个气体地接近了液态的气体；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。因为这里是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到。现在我们按绝热过程来进行。
首先在压力等于78at 附近．突然降压CO2状态点由等退线沿绝热线降到液区，管内CO2出现了明显的液面，这就说明，如果这里面的CO2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以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近的，可以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所以只能处于临界点附近。可以这样说，临界状态究如何，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℃时的等温线，要将数据填人表1
CO2等温实验原始记录
t=20℃
t=31.1℃（临界）
t=50℃
P(at)
Dh
v=Dh/K
现象
P(at)
Dh
v=Dh/K
现象
P(at)
Dh
v=Dh/K
现象
45

50

100

做出各等温线所需时间
分钟
分钟
分钟

五、绘制等温曲线与比较
1、按表1的数据仿图三在P－v图上画出三条等温线。
2、将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较；并分析之间的差异及原因。

图三　标准曲线
3、将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图四绘出的ts－Pm曲线相比较

图四　CO2饱和温度与饱和压力关系曲线
4、将实验测定的临界比容Vc与理论计算值一并填入表2分析之间的差异及原因。
临界比容Vc(m3/mg) 表2

标准值
实验值

0.00216

六、实验报告
　　l、简述实脸原理及过程。
　　2、各种数据的原始记录。
　　3、实验结果整理后的图表。
4、分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及其原因。分析比较临界比容的实验值与标准道及理论计算值之间的差异及原因。
　　5、简述实验收获及对实验改进意见。

实验二 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；计算中用到比热及很合气体（湿空气）方面的基本知识。本实验的目的是增加热物性实验研究方面的感性认识．促进理论联系实际，以利于培养分析问肠和解决问题的能力。
一、实验要求
　　1）了解气体比热测定装里的基本原理和构思。
　　2）熟悉本实验中的测温、测压、测热、测流量的方法。
　　3) 掌握由基本数据什算出比热值和比热公式的方法。
　　4）分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、装置简介
　　1）整个装置由风机、流量计、比热仪本体、电功率调节及测量系统共四部分组成．如图一所示。

图一　比热仪全套装置图
2) 比热仪本体如图二所示。其中l一进口温度计；2一多层杜瓦瓶；3一电热器；4一均流网；5一绝缘垫；6一旋流片；7一混流网；8一出口温度计。
3）空气（也可以是其它气体）由风机经流量计送人比热仪本体．经加热、均流、旋流、混流，测温后流后。气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输人电器的电压调节。
　　4）该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。
三、测量与计算

比热仪主体
　　1）接通电源及测量仪表，选择所需的出口温度计插入混流往的凹槽中。
　　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）将温度计插回流流量计，调节流量，使它保持在额定值附近。逐渐提高电压．使出口温度升高至预计温度（可以根据下式预先估计所需电功率；，式中W为电功率“瓦”）
△t为进出口温度差(℃)；t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 升气体通过流量计所需时间（t，秒）。比热仪进口温度（tl，℃）和出口温度（t2，℃），当时大气压力（B，毫米汞柱）和流量计出口处的表压（△h，毫米水柱）；电热器的电压（V，伏）和电流（I，毫安）。
　　5）根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，从湿空气的焓湿图查出含湿里（d，克／公斤干空气），并根据下式计算出水蒸汽的容积成分：

　　6）电热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电表的内耗。如果伏特表和毫安表采用图一所示的接法．则应扣除毫安表的内耗。设毫安表的内阻为Rm 欧，则可得电热器单位时间放出的热量为：
　　　　　KJ/S
7) 干空气流量为：

8) 水蒸汽流量

9）水蒸气吸收的热量为：

= KJ
　　10）干空气的定压比热为：
　　　　 KJ/kg·℃
11)计算举例
某一稳定工况的实测参数如下：
t=8℃; t=7.5℃; B=748.0mmHg;
t=8℃; t=240.3℃; T=69.96S/10L;
H=16mmHO;V=174.4伏，I=240.0毫安；
R=0.24欧
查焓湿图得：d=6.3克/公斤干空气（%）
r

Kg/s
　　　　　Kg/
　 KJ/s
　　　　 KJ/Kg·℃
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的有线性关系：
则由到的平均比热为：

因此，若以为横坐标，为纵坐标（图三），则可根据不同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）切勿在无气流通过的情况下使电热器投人工作，以免引起局部过热而损坏比热仪本体。
2）输人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本体因温度骤降而断裂。
4） 停止试验时，应先切断电热器，让风机继续运行十五分钟左右（温度较低时可适当缩短）。