工程热力学实验报告.docx

实验一：喷管中气体流动特性实验
一、实验目的
1.通过演示渐缩、缩放形喷管，观察气流随背压变化而引起的压力和流量变化，绘制喷管各截面压力—轴向位移曲线和流量—背压曲线。
2通过观察渐缩和缩放喷管中膨胀不足和过度膨胀现象，进一部了解工作条件对喷管流动过程的影响。
3学习热工仪表的使用方法。
二、实验原理
本实验装置利用真空泵吸气，造成喷管内各个截面及其背压都具有一定的真空度，实现空气在喷管中流动。
通过改变背压，引起喷管中气流的压力和流量发生变化，用函数记录仪绘制出实验曲线，借以达到直观的效果。

三、实验步骤
1通过渐缩喷管试验台，绘制压力—位移曲线及流量—背压曲线。
（1）打开真空泵阀门，打开冷却水，转动手轮，使测压针位于喷管进口位置，开启真空泵。
（2）通过真空泵阀门调调节背压（该值由背压真空表读出），使其大于、等于及小于临界压力。
（3）转动手轮，在不同工况下将探针从喷管进口逐步移到喷管之外一段距离，依次记录数据。

2．在缩放喷管试验台上，重复上述步骤。
（1）调节背压，使其大于、等于及小于设计值。
（2）转动手轮，在不同工况下将探针从喷管进口逐步移到喷管之外一段距离，依次记录数据。
在这组数据中，可以看到气流在管内充分膨胀、膨胀不足以及膨胀过度的现象。而且压力发生突变的位置随背压的提高向最小截面移动。
（3）重复1中（4）步骤，可得不同工况下缩放喷管的流量曲线。

四、实验数据
渐缩喷管实验数据
因条件限制，实验中未调节背压
Pb=0.07Mpa
X(MM)
5
10
15
20
25
30
35
40
45

Px(Mpa)
0.1024
0.0843
0.0794
0.0733
0.0713
0.0693
0.0703
0.0693
0.0688

缩放喷管实验数据
X(MM)
5
10
15
20
25
30
35
40
45

Px(Mpa)
0.042
0.038
0.031
0.038
0. 051
0.052
0.053
0.053
0.058

实验二：空气定压比热容测定实验
一．实验目的
1了解空气定压比热容装置的工作原理
2.掌握由基本数据计算出定压比热容值和求得定压比热容计算公式的方法
3熟悉本实验中测温、测压、测相对湿度、以及测流量的方法。
4分析本实验产生的原因及减少误差的可能途径。
二. 实验装置和原理
本装置由风机、流量计、比热仪主体、调压器及功率表等四部分组成，如图2-1所示。比热仪主体如图2-2所示：1—多层杜瓦瓶，2—电加热器，3—均流网，4—绝缘垫，5—旋流片，6—混流网，7—出口温度计。
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。在此过程中，分别测定气体在流量计出口处的干、湿球温度（ta,tv）（可利用大气干湿球温度代替）；气体流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力（Pb）和流量计出口处表压力（pg）。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容（cP）。
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。

图2-1 比热仪全套装置图
三.实验步骤和数据处理
1.接通电源及测量仪表，开动风机，开启加热器，调节节流阀，使流量保持在额定值附近。
3.逐渐提高调压器电压，即提高加热器功率，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：Ｗ12 .式中：W为功率表读数（W）；t为比热仪进出口温度差（℃）；为每流过10升空气所需时间（s）]。

图2-2 比热仪主体
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），测量和读出下列数据：
每10升气体通过流量计所需时间（，s）；
比热仪进口温度（t1）和出口温度（t2）；
当时相应的大气压（pb）；
流量计出口处的表压(pg，由mmH2O换算成pa)；
干球温度t1、湿球温度tw、相对湿度
加热功率，即功率表读数（W）；
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量（d，g/kgDA），并根据下式计算出水蒸气的摩尔成分：
=7.97×10-3
则干空气的摩尔成分为: ya=1-yv=99.2%
6. 根据电加热器消耗的电功率，可算得加热器单位时间放出的热量：
=25.71; 19.51; 14.67; 11.49
7.干空气质量流量为：
= =2.97×10-4 kg/s
8.水蒸气质量流量为：
=1.48×10-6 kg/s
9.水蒸气定压比热容的经验公式为：
cp,v=1844+0.4886tv =2013.83;2007.48;2001,67;1997.86 J/（kg.K）
水蒸气吸收的热量为：
Qv=qm =0.2199; 0.1812 ; 0.14059;0.1228 J/s
10.干空气的定压比热容为：
＝ =1150.47 ; 1056.49; 984.31; 913.44 J/(kg K)
11空气的定压比热容为

=waCa+wvcv = 1157.37；1064.10；993.53；922.11 J/（kg.K）
12.比热随温度的变化关系
假定在0—150℃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，若以为横座标，Cpm︱为纵座标（图2-3），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。
四．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220伏，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.流量计内应确保有适量的水
五．实验数据
环境条件
tw
t
Pb

2℃
13.5℃
102.7KPa
实验数据：
T1
Pg
τ
T2
W
11℃
49 Pa
43.31s
74.6℃
25.71W
61.6℃
19.51W
49.7℃
14.67W
41.9℃
11.49W

比定压热容随温度的关系

实验三：真空条件下水蒸气饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验
一．实验目的
1.通过观察饱和蒸汽温度和压力的关系，加深对饱和状态的理解。
2.绘制饱和蒸汽P—T关系曲线。掌握温度计、压力表、调压器和大气压力计的使用方法。
3.观察金属表面的沸腾现象。
二．实验装置
实验装置如图5-1所示。

三．实验方法与步骤
1接通电源。
2先将调压器输出电压调至180V左右，待蒸汽压力升至一定值时，再将电压降至30—50伏保温，待工况稳定后，记录水蒸气的压力及温度。
3改变电压，重复上述实验，要求表压在0—1Mpa范围内要求实验不少于6次，且实验点尽量分布均匀。
4实验结束后，将调压器指针旋回零位，并切断电源。
5记录室温和大气压力。
四．实验结果整理
1根据记录的数据，在座标纸上绘制p—T实验曲线。
2将实验结果与教材相对照，验证饱和蒸汽的p—T关系。

五．注意事项
1.实验装置通电后必须专人看管
2.装置最高使用压力为1Mpa（表压），不可超压工作。
3．加热过程中，箱体上方的金属管温度很高，严禁触碰。

六．实验数据
温度
压力
t/℃
p / MPa
95
0.084533
100
0.101325
110
0.143243
120
0.198483
130
0.270018
140
0.361190
150
0.47571
160
0.61766
170
0.79147
p—T实验数据表

p—T实验曲线

p—T实验对数曲线

实验四：二氧化碳p-v-T关系的观察和测定
一．实验目的
1、观察二氧化碳相变过程中的凝结（或汽化）现象。
2、测定临界参数，并观察临界状态附近气液两相界限模糊现象。
3、观察超临界压力下加热和冷却时气液两相连续过渡现象。
4、用定温法测定二氧化碳的p―v―T关系（在p―v图上画出定温线）。
二．实验原理
简单可压缩系统处于平衡态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定关系，可表示为
F（p，v，T）= 0 或 v = f（p，T）

图4－1二氧化碳p―v―T关系曲线
维持温度不变，测定比容与压力的对应数值，就可得到等温线的数据。在不同温度下对二氧化碳气体进行压缩，将此过程画在p—v图上，可得到如图4－1所示的二氧化碳p―v―T关系曲线。当温度低于临界温度tc时，该二氧化碳实际气体的等温线有气液相变的直线段。随着温度的升高，相变过程的直线段逐渐缩短。当温度增加到临界温度时，饱和液体和饱和气体之间的界限已完全消失，呈现出模糊状态，称为临界状态。二氧化碳的临界压力pc为7.38MPa ，临界温度tc为31.1℃。在p―v图上，临界温度等温线在临界点上既是驻点，又是拐点。临界温度以上的等温线也具有拐点，直到48.1℃才成为均匀的曲线。
三．实验步骤
1、开动恒温水浴的水泵，使室温下的水循环，记录水套内温度计的数值（取水套内两只温度计读数的平均值）。
2、关闭活塞式压力泵两端的阀门，开启中间的液压油存储腔阀门，转动手轮移除活塞使液压油进入活塞，到底后关闭存储腔阀门，开启两端阀门建立压力，如果一次行程无法建立所需压力，可重复以上步骤继续建立压力。
3、当压力接近临界压力时，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。压力间隔一般可取0.5Mpa，在接近饱和状态时压力间隔应取0.05Mpa。同时，注意观察承压管内水银柱上方有二氧化碳液体出现的起始点及二氧化碳气体全部变成液体的起始点，并记录对应的压力值p及体积V。
3、打开恒温水浴的加热器开关，将恒温水浴的电接点温度计调定高于室温但低于临界温度的某一值，待水加热后，记录水套上温度计的数值，重复进行3步骤。
4、将恒温水浴的电接点温度计调为临界温度值（31.1℃）。待水加热后，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。在临界状态附近压力间隔应小些，可取0.05 Mpa。同时，注意观察临界状态附近气液两相界限模糊现象，并记录此时压力值pc及对应的二氧化碳体积V。
5、将恒温水浴的电接点温度计调定高于临界温度的某一值。待水加热后，记录水套内温度计的数值，缓缓转动手轮以提高油压，记录在该温度下的若干不同压力值p及对应的二氧化碳体积V。会发现，压力再高，二氧化碳气体也不会液化。
6、若时间允许，可再调高水浴温度，重复进行5步骤。可通过降压过程观察汽化现象。
四、实验数据的整理
1、计算毛细管中二氧化碳的质量m。
在已测得的温度低于临界温度的数据中，找出一组液态二氧化碳的数据，其温度为t0 ，压力为p0 ，体积为V0。再在有关资料上查找出在相同温度、压力下二氧化碳液体的比容v0的数据，则二氧化碳的质量m= V0/ v0 。

压力（MPa）
水银液面高度（mm）
CO2液面高度（mm）
液态CO2体积（mm）
5.85
355
335
20
5.5
331
316
15
5.4
285
280
5
16.7°C时液态CO2体积
查表P=5.85MPa，t=16.7°C，v0=0.001223m3/kg
V=L*A=0.02*A（其中A是水银室的横截面积,实验器材上未标明，估算为3.14*10-6mm2）
m=V/v0=0.0513g
2、用表格方式列出实验所得的二氧化碳p―v―T关系的数据。
3、在p―v图上画出测定的一组或几组等温线，并标明临界状态点。
P（MPa）
液面高度（mm）
比体积（m³/kg）
3
96
0.018384
3.5
142
0.027193
4
178
0.034087
4.5
213
0.0407895
5
238
0.045577
5.5
262
0.050173
6
318
0.060897
6.25
338
0.064727
6.5
339
0.0649185
6.75
340
0.06511
7
341
0.0653015
22.8摄氏度下二氧化碳p―v―T关系

P（MPa）
液面高度（mm）
比体积（m³/kg）
3
72
0.019152
3.5
121
0.032186
4
163
0.043358
4.5
192
0.051072
5
215
0.05719
5.5
237
0.063042
6
255
0.06783
6.25
265
0.07049
6.5
272
0.072352
6.75
280
0.07448
7
288
0.076608
31.1摄氏度下二氧化碳p―v―T关系

不同温度下二氧化碳p―v―T关系
六．实验结论与思考
1．比较实验等温线和标准等温线可得，两图总体上比较相近，曲线的形状和趋势相似，这说明实验结果与实际相符，实验比较成功。 
2．实验结果存在着一定误差，其原因主要有以下方面：未等恒温槽温度稳定下来就开始实验；活塞螺杆摇动过快，使CO2温度发生变化，未等系统达到稳定就读数。加压或降压过程要缓慢进行，以保证定温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。
3．实验结果存在误差，也有可能时压力表灵敏性较差，存在较大的系统误差；实验数据不够多，特别是等温线拐点处数据不够密集，造成曲线不准确；超临界等温线取的温度不够高，导致部分超临界等温线与露点线重合。 
4．通过这次实验，我们对临界现象有了直观的了解，观察到了临界乳光现象、汽液两相突变现象。
5．处于临界点时，二氧化碳出现汽液两相模糊不清现象，首先在压力等于临界压力附近，突然降至二氧化碳状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内二氧化碳出现了明显的液面，在膨胀之后，突然压缩二氧化碳时，这个液面又立即消失了，这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。

实验五：空气绝热指数测定实验
一．实验目的
1、测定空气的绝热指数k及空气的定压比热容Cp 及定容比热容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。
二．实验装置及测试原理
空气绝热指数也叫作气体的比热容比，在热力学过程中是一个重要的参量，很多空气
中的绝热过程都与比热容比有关，本装置就是用于测定比热容比的。
气囊
有机玻璃容器
阀门2
U型压力计
阀门3
阀门1

图6-1 实验装置示意图
实验时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的压力P1；压力稳定后，突然打开阀门并迅速关闭，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，最后达到热平衡，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相等后，容器中空气压力P3。
根据过程方程：p2p1= v1v2k
状态方程：p1v1=RT1
p2v2=RT2
p3v3=RT3
其中：v3=v2 T3=T1
所以：
p2p1= p3p1k
k=lnp2p1lnp3p1 k=cpcv
因为：cp=cv+R
所以：cv=Rk-1 cp=kRk-1

三．实验方法及实验步骤
1、测试前的准备
（1）在所有阀门开启的情况下（即容器与大气相通），用医用注射器将蒸馏水注入U型
压力计至一定高度。水柱内不能含有气泡，如有气泡，要设法排除。
（2）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。
2、记录U型压力计初始读数h。（即容器与大气相通时，压力计中水柱高度）。
3、关闭阀门2。
4、用气囊往有机玻璃容器内缓慢充气，至一定值时，待压力稳定后，记录此时的水柱
高度差△h1。
5、突然打开阀门2，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内
的气压，记录此时的水柱高度差△h2。
6、持续1～2小时，待容器内空气的温度与测试现场的大气温度一致时，记录此时的水
柱高度差△h3。
7、一般要求重复三次试验，取其结果的平均值作为实验最终结果。
四、实验数据处理

大气压力Pa = 1.0187*104 mmH2O =99900Pa
大气温度ta=17℃
P1 = P a + Δh1=10187.90667mmH2O
P2 = Pa + Δh2=10187.28667mmH2O
P3 = P a + Δh3=10187.40667mmH2O

空气绝热指数：
k=lnp2p1lnp3p1 =ln10187.28667/10187.90667ln10187.40667/10187.90667 ≈1.2400
空气定容比热：
cv=Rk-1 =8.314/28.971.2400-1 =1.195KJ/(kg.K)
空气定压比热：
cp=kRk-1=1.2400×8.314/28.971.2400-1=1.483KJ/(kg.K)

五．测试结果分析
1、分析影响测试结果的因素。
答：影响测试结果的因素包括当地的温度与气压，实验仪器是否有漏气。绝热膨胀后的冷却时间长短。
2、讨论测试方法存在的问题。
答：实验过程中开闭阀门以模拟绝热膨胀，但实际上即使做到打开阀门的速度足够快也并不是绝热膨胀。对实验结果有影响。实验过程采用的是mmH2O作为压力的计量单位，实际上水柱的变化量很小，不利于读数。
六．注意事项
1、气囊有时有漏气现象，充气后可以将阀3关闭。
2、在试验过程中，测试现场的温度要求基本恒定，不然，很难测出可靠的数据。