《热工基础》课程教学资源（实验指导书，共四个实验）

实验一气体定压比热测量一、实验目的1、掌握气体定压比热的测量原理及其测量装置：2、掌握混合气体中组成气体比热容的测量及计算方法；3、了解影响比热容测量精度的因素。二、实验原理根据气体平均定压比热定义，当气体在定压加热过程中温度由ti升到t2时，其平均定压比热值可以由下式确定：OpCpml-m(t2-4）J/(kg.C)式中：2p一湿空气在定压加热过程中的吸热量J / sQm一湿空气的质量流量kg / s(t-t2）一湿空气在定压加热前后的温差℃湿空气是干空气和水蒸气的混合物，当湿空气中水蒸气含量较少，分压力较低时，水蒸气可以当作理想气体处理。显然，当已知湿空气中水蒸气的吸热量Qv时，0,-0,Cmal2=-qma(tz-t) J/(kg.℃)式中:干空气的定压比热可由下式确定：2p一湿空气在定压加热过程中的吸热量J/sQv一水蒸气的吸热量J/sAma一干空气的质量流量kg/ s提示：水蒸气的定压比热可由如下经验公式确定：cpV=1.8439+0.0004886t J/(kg.C)式中：t一水蒸气的温度℃三、实验装置（如图2-1）所示本实验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。实验时，被测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。比热仪主体构造如图2一2所示。气体的流量由节流阀调节，比热仪出口温度由电加热器输入功率来控制。比热仪可测300℃以下气体的比定压热容。四、实验及实验数据处理步骤

1 实验一 气体定压比热测量 一、实验目的 1、掌握气体定压比热的测量原理及其测量装置； 2、掌握混合气体中组成气体比热容的测量及计算方法； 3、了解影响比热容测量精度的因素。 二、实验原理 根据气体平均定压比热定义，当气体在定压加热过程中温度由 t1 升到 t2 时，其平均定 压比热值可以由下式确定： J／(kg.℃) 式中： －湿空气在定压加热过程中的吸热量 J／s －湿空气的质量流量 kg／s (t1－t2) —湿空气在定压加热前后的温差 ℃ 湿空气是干空气和水蒸气的混合物，当湿空气中水蒸气含量较少，分压力较低时，水蒸气可 以当作理想气体处理。显然，当已知湿空气中水蒸气的吸热量 Qv 时， 干空气的定压比热可由下式确定： J／(kg.℃) 式中： －湿空气在定压加热过程中的吸热量 J／s Qv－水蒸气的吸热量 J／s －干空气的质量流量 kg／s 提示：水蒸气的定压比热可由如下经验公式确定： cpv=1.8439+0.0004886 t J／(kg.℃) 式中：t－水蒸气的温度 ℃ 三、实验装置 （如图 2-1）所示本实验装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器和功率表等组成。 实验时，被测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。比 热仪主体构造如图 2－2 所示。气体的流量由节流阀调节，比热仪出口温度由电加热器输入 功率来控制。比热仪可测 300℃以下气体的比定压热容。 四、实验及实验数据处理步骤

1、接通电源，开动风机，调节节流阀，使湿空气流量保持在预定值附近。2、逐渐调整加热功率，使湿空气出口温度计升高到预定温度，所需功率可以根据下列关系式预先估计：P =12式中：P一功率表读数W；Ni-比热仪进出口温差℃；T一每流过10升湿空气所需的时间：3、待被测湿空气达到稳定状态后，测量如下参数：（1）t-每流过 10升湿空气所需的时间 s（2）P-功率表读数W（3）t，t2一湿空气的进、出口温度℃（4）干球温度/湿球温度℃（5）pe一流量计出口处压差mmH20（6）pb一大气压力Pa4、适当改变加热功率（湿空气出口温度），重复步骤3。】5、根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，确定相对湿度Φ=94%，从湿空气的恰湿图查出含湿量（d,g/kg干空气），并根据下式计算出水蒸气的容积成分：d/622r.:1+d /6226、电热器消耗的功率可由功率表读出Q，（未考虑电表的内耗)。7、干空气流量为：104+ * 10010(1-r)(B+Pqmg:29.97(t。 + 273.15)R.T.4.6447 ×10- (1 - r)(B + △h /13.6)t(t。+273.15)kg/s8、水蒸气流量为：10410AhT.(B+36)*P.i735.56*1000qmR.T.47.06(to +273.15)2.8889×10-r.(B+Nh/13.6)t(t +273.15)kg/s

2 1、接通电源，开动风机，调节节流阀，使湿空气流量保持在预定值附近。 2、逐渐调整加热功率，使湿空气出口温度计升高到预定温度，所需功率可以根据下列关系 式预先估计： 式中：P－功率表读数 W ; －比热仪进出口温差 ℃; －每流过 10 升 湿空气所需的时间 s 3、待被测湿空气达到稳定状态后，测量如下参数： （1） －每流过 10 升湿空气所需的时间 s （2）P －功率表读数 W （3）t1，t2－湿空气的进、出口温度 ℃ （4）干球温度/ 湿球温度 ℃ （5）pe－流量计出口处压差 mmH2O （6）pb－大气压力 Pa 4、适当改变加热功率（湿空气出口温度），重复步骤 3。] 5、根据流量计出口空气的干球温度和湿球温度，确定相对湿度φ=94%, 从湿空气的焓湿图 查出含湿量（d,g/kg 干空气），并根据下式计算出水蒸气的容积成分： 1 / 622 / 622 d d r w + = 6、电热器消耗的功率可由功率表读出 ，（未考虑电表的内耗）。 7、干空气流量为： ( 273.15) 4.6447 10 (1 )( /13.6) 29.97( 273.15) 1000 10 735.56 10 ) 13.6 (1 )( 0 3 0 4 0 . +  − +  = +    − + = = − • • t r B h t h r B R T P V q w w g g m g   kg/s 8、水蒸气流量为： ( 273.15) 2.8889 10 ( /13.6) 47.06( 273.15) 1000 10 735.56 10 ) 13.6 ( 0 3 0 4 0 . +  +  = +    + = = − • • t r B h t h r B R T P V q w w w w mw   kg/s

9、蒸气吸收的热量为：Cw= q.「(1.8439+0.0004886t)dt= qm.[1.8439(tz -t))+0.0002443(t? - t)kw10、干空气的定压比热为：00-0.Cpml3 =qmg(t2 -t) qmg(t2 -t)kJ/ (kg.k)11、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ti到t的平均比热为：[" (a + bt)dta+6+2Cpnt-tr21+t2Cmlr为纵坐标（图三)，则可根据不同温度范围内因此，若以2为横坐标，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1.05Cpm(kj/kg. k)1. 031.010.99(t+t)/20.97(℃)0.95501001502000

3 9、 蒸气吸收的热量为： q  t t t t k w Q q t dt mw t t w mw 1.8439( ) 0.0002443( ) (1.8439 0.0004886 ) 2 1 2 2 1 2 . 2 1 = − + − = + • • •  10、 干空气的定压比热为： ( ) ( ) 2 1 2 1 2 1 q t t Q Q q t t Q C mg w mg g t t pm − − = − = • • • • • k J/（kg.k） 。 11、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 t1 到 t2 的平均比热为： 2 ( ) 1 2 2 1 2 1 2 1 t t a b t t a bt dt C t t t t pm + = + − + =  因此，若以 2 1 2 t + t 为横坐标， 2 1 t t Cpm 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 0.95 0.97 0.99 1.01 1.03 1.05 0 50 100 150 200 (t1+t2)/2 (℃) Cpm (kj/kg.k)

热仪主压变压2208220V图2-1比热仪全套装置图温度计层杜瓦瓶冷空气图 2-2 比热仪主体示意图

4 图 2－2 比热仪主体示意图

五、实验报告实验报告中应包括如下内容：1、实验目的；2、实验原理及方法论述；3、实验数据记录表：4、实验数据处理及计算过程；5、实验结果：6、千空气的实验结果与教材中给出的准确数值的比较分析，产生测试误差原因的分析讨论。实验原始记录表流量计出口口温度出口温度气压力干球温度湿球温度电功器流量系数处压差符号单位mmHgmmH202六、注意事项1、切勿在无气流通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220V，气流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升和骤降而破裂。4、停止实验时，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）

5 五、实验报告 实验报告中应包括如下内容： 1、实验目的； 2、实验原理及方法论述； 3、实验数据记录表； 4、实验数据处理及计算 过程； 5、实验结果；6、干空气的实验结果与教材中给出的准确数值的比较分析，产生测 试误差原因的分析讨论。 实验原始记录表 项目 入口温度 出口温度 电功率 流量系数 大气压力 流量计出口 处压差 干球温度 湿球温度 符号 t1 t2 P τ B Δh tg tw 单位 ℃ ℃ w mmHg mmH2O ℃ ℃ 1 2 3 六、注意事项 1、切勿在无气流通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 220V，气流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升和骤降而破裂。 4、停止实验时，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）

实验二：二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定一、实验目的1、了解 CO 临界状态的观测方法，增加对临界状态的感性认识。2、加深课堂讲授中关于工质热力状态等基本要领的理念。3、掌握 CO2的 P-V-T关系测定方法，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关系。在 P-v图中绘出低于临界温度（t-20℃)、临界温度(t=31.1℃）、高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，与标准实验曲线及理论计算值比较，并分析差异原因。2、观测临界状态临界状态附近汽液两相模糊的现象汽液整体相变现象测定 CO.的t，P。，ve等临界参数并将实验所得的值与理想气体状态方程和范11.得瓦耳方程的理论值比较，简述其差异原因（CO2的标准曲线见图二）实验设备及原理三、1、整个实验装置由压力台，恒温器，试验体与防护罩三大部分组成，如图一所示，图一CO试验台系统图①恒温器②试验台本体③压力器

6 实验二：二氧化碳临界状态观测及 P-V-T 关系测定 一、实验目的 1、 了解 CO2 临界状态的观测方法，增加对临界状态的感性认识。 2、 加深课堂讲授中关于工质热力状态等基本要领的理念。 3、 掌握 CO2的 P-V-T 关系测定方法，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 关系。在 P-v 图中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度 （t=31.1℃）、高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，与标准实验曲线及理论 计算值比较，并分析差异原因。 2、 观测临界状态 i. 临界状态附近汽液两相模糊的现象 ii. 汽液整体相变现象 iii. 测定 CO2 的 tc，Pc，vc等临界参数并将实验所得的值与理想气体状态方程和范 得瓦耳方程的理论值比较，简述其差异原因（CO2 的标准曲线见图二） 三、 实验设备及原理 1、 整个实验装置由压力台，恒温器，试验体与防护罩三大部分组成，如图一所示

压力P[MPa9.818.8波7.856.85.894.913920.0010.002160.0040.0120.0060.008v比容[m'/kg]图二，标准曲线2、试验台本体如图三所示。其中1-高压容器；2-玻璃杯；3-压力油；4水银；5-密封填料：6-填料压盖；7-恒温水套：8承压玻璃管：9-CO2空间：10-温度计3、对简单可压缩热力系统，当工质处于热平衡状态时，其状态参数P-v-T之间有F (p, V, t) =0或t=f (p,v)(2-1)本试验根据公式2-1，采用定温方法来确定CO2的p—v—t的关系。从而找出的CO2 的 p—v—t 的关系。4、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的进、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CO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

7 图二 标准曲线 2、 试验台本体如图三所示。其中 1-高压容器；2-玻璃杯；3-压力油；4-水银；5-密封填料；6-填料压盖；7-恒温水套；8- 承压玻璃管；9- CO2 空间；10-温度计。 3、 对简单可压缩热力系统，当工质处于热平衡状态时，其状态参数 P-v-T 之间有 F（p，v，t）=0 或 t=f（p，v） （2-1） 本试验根据公式 2-1，采用定温方法来确定 CO2 的 p—v—t 的关系。从而找出的 CO2 的 p—v—t 的关系。 4、 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的 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 CO2 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。比体积首先由承压玻璃管内CO2柱的高度读数来度量，而后再根据承压玻璃管内径截面积不变等条件换算得出。恒温水Ra温度计空间承压玻璃管恒温水管填料压盖密封填料恒温水4水银压力油玻璃杯高压容器力江图三实验台本体四、实验步骤1、实验过程注意事项：实验过程中改变不同的实验压力，通过活塞压力计即可实现，改变不同实验温度通过调节恒温器温控器（电接点温度计）实现，电接点温度计仅用于调节温度。做各条定温线时，实验压力P<10Mpa,温度≤50℃11..ili.实验中取h时，水银柱液面高度应取视线与水银柱半圆型液面中间对齐的读数

8 度计读出。比体积首先由承压玻璃管内 CO2 柱的高度读数来度量，而后再根据承 压玻璃管内径截面积不变等条件换算得出。 图三 实验台本体 四、 实验步骤 1、 实验过程注意事项： i. 实验过程中改变不同的实验压力，通过活塞压力计即可实现，改变不同实验温度 通过调节恒温器温控器（电接点温度计）实现，电接点温度计仅用于调节温度。 ii. 做各条定温线时，实验压力 P<10Mpa,温度 t≤50℃ iii. 实验中取 h 时，水银柱液面高度应取视线与水银柱半圆型液面中间对齐的读数

实验中加压与减压过程一定要缓慢均匀。IV2、测定承压玻璃管内的质面比常数k值由于充进承压玻璃管的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的CO2比体积，认为CO2的比体积v与其高度是线性关系，具体如下：（1）已知CO2液体在20℃，10Mpa时的比体积v（20℃,10Mpa)=0.00117m2/kg（2）如前操作实地绘出本实验台CO2液体在20℃，10Mpa液柱高度△h（m）（注意玻璃水套上刻度的标记方法）（3）由（1）可知：AhA0.017 m/kg (20, 10Mpa)）因为（20℃，10Mpa）mNh*所以=k (kg/m2)A0.00117则任意温度、压力下CO2的比体积为Ah'Ah*(m2/kg)m/Ak式中 Ah=h-hoH一任意温度、压力下水银柱高度ho—承压玻璃管内径项端刻度3、测定低于临界温度 ←-20℃的等温线：（1）使用电节点温度计调节恒温水浴温度t=20℃,要保持恒温（2）压力记录从4MPa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，否则来不及平衡导致读数不准。（3）两相区内两毫米高度变化记录一次压力值；两相区外，两个压力变化记录一次高度值。（4）注意加压后CO2的变化，特别注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、汽化等现象，将测得的实验将数据与观察到的现象填入表一中。4、测定临界温度=31.1℃的等温线，观察临界现象，将数据填入表中。重复3的步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pe和临界比体积 ve,并将数据填入表中（1）整体相变现象

9 iv. 实验中加压与减压过程一定要缓慢均匀。 2、 测定承压玻璃管内的质面比常数 k 值 由于充进承压玻璃管的 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的 CO2 比体积，认为 CO2 的比体积 v 与其高度 是线性关系，具体如下： （1）已知 CO2 液体在 20℃，10Mpa 时的比体积 v（20℃，10Mpa）=0.00117 m3 /kg （2）如前操作实地绘出本实验台 CO2 液体在 20℃，10Mpa 液柱高度Δh *（m）（注意 玻璃水套上刻度的标记方法） （3）由（1）可知： 因为 v（20℃，10Mpa）= m h A *  =0.00117 m3 /kgv（20℃，10Mpa） 所以 k 0.00117 h A m * =  = （kg/m2） 则任意温度、压力下 CO2 的比体积为： v= k h m/A h * *  =  （ 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 3、 测定低于临界温度 t=20℃的等温线： （1）使用电节点温度计调节恒温水浴温度 t=20℃,要保持恒温 （2）压力记录从 4MPa 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，否则来不及平衡导致读数不准。 （3）两相区内两毫米高度变化记录一次压力值；两相区外，两个压力变化记录一次 高度值。 （4）注意加压后 CO2 的变化，特别注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、汽 化等现象，将测得的实验将数据与观察到的现象填入表一中。 4、 测定临界温度 t=31.1℃的等温线，观察临界现象，将数据填入表中。 重复 3 的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和临界比体 积 vc,并将数据填入表中 （1）整体相变现象

由于临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线与饱和液线合于一点，此时汽液是以突变的形式互相转化。而临界温度以下的区域汽液转化是逐渐积累，需要一定时间，表现为一个渐变的过程。（2）汽、液两相模糊不清现象处于临界点的CO2，汽液具有共同参数（P，V，T）因而不能区别此时是气态还是液态。如果是气体，则该气体又是接近液体的气体：如果是液体，它又是接近气态的液体。实验观察可以证明该结论。由于介质处于临界温度下，如果按等温过程进行使CO2压缩或膨胀，管内将看不到现象，可以按绝热过程进行。在7.8MPa附近突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液相区，管内CO2出现明显的液面，则CO2离液相很近，也可认为是接近液态的气体；当膨胀后再压缩CO2时，该液面又立即消失，则表明CO2液体离气相区很近，可认为接近气态的液体。此时的CO2既接近液体又接近气体，因此处于临界点附近。临界状态饱和汽、液不分。这即是临界点附近汽液模糊不清的现象5、测定高于临界温度←50℃的等温线，将数据填入表1中。五、绘制等温线与比较1、按表一的数据仿图二在p-v图上画出三条等温线2、按实验测得的等温线与图二所示的标准等温线比较，分析之间的差异及原因。3、将实验测得的临界比体积v。与理论计算值一并填入表2并分析差异及原因。表 临界比体积 ve (mlkg)标准值实验值ve=RT./P.ve=3RT./8P0.00216六、实验报告要求1、简述实验原理及过程。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间的差异与原因。分析比较临界比体积的实验值与标准值、理论计算值间的差异与原因。5、简述实验收获及实验改进意见。七、实验原始数据记录表10

10 由于临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线与饱和液线合于一点，此时汽液是 以突变的形式互相转化。而临界温度以下的区域汽液转化是逐渐积累，需要一定时 间，表现为一个渐变的过程。 （2）汽、液两相模糊不清现象 处于临界点的 CO2，汽液具有共同参数（P，v，T）因而不能区别此时是气态还 是液态。如果是气体，则该气体又是接近液体的气体；如果是液体，它又是接近气态 的液体。实验观察可以证明该结论。由于介质处于临界温度下，如果按等温过程进行 使 CO2 压缩或膨胀，管内将看不到现象，可以按绝热过程进行。在 7.8MPa 附近突然 降压，CO2 状态点由等温线沿绝热线降到液相区，管内 CO2 出现明显的液面，则 CO2 离液相很近，也可认为是接近液态的气体；当膨胀后再压缩 CO2 时，该液面又立即消 失，则表明 CO2 液体离气相区很近，可认为接近气态的液体。此时的 CO2 既接近液体 又接近气体，因此处于临界点附近。临界状态饱和汽、液不分。这即是临界点附近汽 液模糊不清的现象。 5、 测定高于临界温度 t=50℃的等温线，将数据填入表 1 中。 五、绘制等温线与比较 1、 按表一的数据仿图二在 p-v 图上画出三条等温线。 2、 按实验测得的等温线与图二所示的标准等温线比较，分析之间的差异及原因。 3、 将实验测得的临界比体积 vc与理论计算值一并填入表 2 并分析差异及原因。 表 2 临界比体积 vc（m 3 /kg） 标准值 实验值 vc=RTc/Pc vc=3RTc/8Pc 0.00216 六、 实验报告要求 1、 简述实验原理及过程。 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间的差异与原因。分析比较临界比体积的实 验值与标准值、理论计算值间的差异与原因。 5、 简述实验收获及实验改进意见。 七、 实验原始数据记录表