实验一 空气定压比热容测定
一、实验目的
1.增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，了解气体比热容测定的基本原理和构思。
2.学习本实验中所涉及的各种参数的测量方法，掌握由实验数据计算出比热容数值和比热容关系式的方法。
3.学会实验中所用各种仪表的正确使用方法。 二、实验原理
由热力学可知，气体定压比热容的定义式为
cp?(?h)p （1） ?T在没有对外界作功的气体定压流动过程中，dh?为
dQpM, 此时气体的定压比热容可表示
cp?1?Q()p （2） M?T当气体在此定压过程中由温度t1被加热至t2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定
cpmt2t1?QpM(t2?t1) (kJ/kg℃) (3)
式中，M —气体的质量流量，kg/s;
Qp—气体在定压流动过程中吸收的热量，kJ/s。
大气是含有水蒸汽的湿空气。当湿空气由温度t1被加热至t2时，其中的水蒸汽也要吸收热量，这部分热量要根据湿空气的相对湿度来确定。如果计算干空气的比热容，必须从加热给湿空气的热量中扣除这部分热量，剩余的才是干空气的吸热量。
低压气体的比热容通常用温度的多项式表示，例如空气比热容的实验关系式为
cp?1.02319?1.76019?10?4T?4.02402?10?7T2?4.87268?10?16T3(kJ/kgK)
式中T为绝对温度，单位为K。该式可用于250～600K范围的空气，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。
在距室温不远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线性的，即可近似的表示为
cp?A?Bt （4）
由t1加热到t2的平均定压比热容则为
ct2pmt1??t2t1A?Btt?tdt?A?B12?A?Btm (5) t2?t12这说明，此时气体的平均比热容等于平均温度t m = ( t 1 + t 2 ) / 2时的定压比热容。
因此，可以对某一气体在n个不同的平均温度t m i下测出其定压比热容c p m i ，然后根据最小二乘法原理，确定
1
t?A?mi2cpmi?tmi??cpmi?tmi(?tmi)?n?t2pmi22mi （6）
B??t?c(?t)mimi?n?t?n?tmicpmi2mi （7）
从而便可得到比热容的实验关系式。
三、实验设备
图 1 实验装置图
1.整个实验装置由风机、流量计、测试比热容仪器本体、电功率调节系统及测量系统共四部分组成，如图1所示。
2.比热容仪器本体由图2所示。
3.空气（或其它气体）由风机经流量计送入比热容仪本体，经加热、均流、旋流、混流、测温后流出。气体流量由节流阀控制，气体出口温度由输入电加热器的电压调节。
4.该比热容仪可测量300℃以下气体的定压比热容。
2
图 2 比热容仪本体图 四、实验步骤
1.按图1所示接好电源线和测量仪表。经指导教师认可后接通电源，将选择所需的出口温度计插入混流网的凹槽中。
2.小心取下流量计上的温度计。开动风机，调节流阀，使流量保持在预定值附近，测出流量计出口处的干球温度t a和湿球温度t w。
3.将温度计放回原位。调节流量，使它保持在预定值附近。调节电压，开始加热（加热功率的大小取决于气体流量和气流进出口温度差，可依据关系式Q =K 12 Δt /τ进行估算，式中Q为加热功率，W；Δt为比热容仪本体进出口温度差，℃；τ为每流过10升空气所需要的时间, s；K为设备修正系数 ）。
3
4.待出口温度稳定后（出口温度在10分钟内无变化或有微小变化，即可视为稳定），即可采集实验数据。需采集的数据有：
(1)每10升气体通过流量计时所需的时间τ（s）；
(2)比热容仪进口温度 t 1 （℃）与出口温度 t 2 （℃）；
(3)当时大气压力B （mmHg） 和流量计出口处的表压力Δh （mmH2O）； (4)电加热器的电压U （V） 和电流 I ( A )；
5.改变电压，使出口温度改变并达到新的预定值，重复步骤4。在允许的时间内可多做几次实验。
将上述实验数据填入所列的原始数据表中。 五、计算公式
1.根据流量计出口处空气的干球温度 t a和湿球温度 t w，在干湿球温度计上读出空气的相对湿度φ，再从湿空气的焓湿图上查出湿空气的含湿量d (g水蒸汽 / kg干空气)，计算出水蒸汽的容积成分r w
rw?d/622
1?d/6222.电加热器消耗的功率可由电压和电流的乘积计算，但要考虑电流表的内耗。如电压表和电流表采用图1所示的接法，则应扣除电流表的内耗。设电流表的内阻为RmA(Ω)，则可得电加热器单位时间放出的热量
Q?(U?I?0.001RmAI2)?10?3 kJ/s
3.干空气流量为
Mg?pgVRgTa(1?rw)(B??h/13.6)?133.32?0.01/? kg/s
287(ta?273.15)?4.645?10?3(1?rw)(B??h/13.6)??(ta?273.15)4.水蒸汽流量为
Mw?pwVRwTarw(B??h/13.6)?133.32?0.01/? kg/s
461.5(ta?273.15)?2.889?10?3rw(B??h/13.6)??(ta?273.15)5.水蒸汽吸热量为
t2Qw?Mw?(1.844?0.0004886t)dtt1?Mw1.844(t2?t1)?0.0002443(t?t)6.干空气吸热量为
?2221? kJ/s
Qg?Q?Qw
4
7. 计算举例
假定某一稳定工况的实测参数如下：
t0=8℃； tw=7.5℃； B=748.0毫米汞柱 t1=8℃； t2=240.3℃； τ=69.96 秒/10升； Δh=16 毫米水柱; W=41.84瓦 查焓湿图得 d=6.3克/公斤干空气（相对湿度
?=94%）
rw???Q6.3/622?0.0100271?6.3/622
41.84?9.9938?10?334.1868?10千卡/秒
?34.6447?10(1?0.010027)(748?16/13.6)???G?175.14?10?6g69.96(8?273.15) 公斤/秒
2.8889?10?3?0.010027(748?16/13.6)??Gw??1.1033?10?669.96(8?273.15) 公斤/秒
2?3??1.1033?10?6[0.4404Q(240.3?8)?0.00005835(240.3?8)?0.1166?10w千
卡/秒
C0mt2t19.9938?10?3?0.1166?10?3??0.2428175.14?10?6(240.3?8) 千卡/（公斤·℃）
六、 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：
C0mt2t1??t2t1(a?bt)dtt2?t1?a?bC0mt2t1
t2?t12
因此，若以
t2?t12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。
C0m2大卡/公斤·℃t1+t2℃2
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