工程热力学与传热学
实 验 指 导 书
工程技术学院热工教研组编
2009年12月
实验一传热学的先导实验
电位差计的原理与使用
用热电偶测温时需测量热电偶的热电势差，此电势差很小，一般都在毫伏级。该电势可用动圈仪表（毫伏计）测量，但测量误差较大；也可用高灵敏度的数字电压表测量，虽使用方便，但该仪表价格太高。另外一种测量仪表为电位差计，其测量精密度较高。电位差计的工作原理是以一个已知的标准电势与被测电势相比较，使这两个电势差相等，则被测电势即为已知的标准电势。这方法相当于用电桥法测量电阻值，更形象地说如同用天平来称物体的质量，当给定的法码与被测物体平衡时，被测物体的质量就是法码的质量。
图1-1 电位差计的工作原理图1-2 UJ-36型电位差计的盘面
图1-1所示是电位差计的工作原理图。图中由E、R p、R、R N组成工作电路。E为工作电源，当R为一定值且通过它的电流I也为一定值是时其两端电势差也为一定值。由于工作电源E在工作时有消耗电源电压会变动，因而引起I变化。为了保证I不变，可以调整电阻R P使I不变。如何知道I能保持设计值不变呢？这时可用标准电池E N来进行检验。在电路中R N为标准电阻值，当工作电流为设计值时，R N两端的电势差等于标准电池的电势E N，E N等于1.01896 V。因此，在测量前首先用标准电池校正电路的工作电流，用检流计来检查标准电路是否平衡。如果不平衡则调整电阻R P直至平衡，这时工作电路电流I为设计值。测量时将检流计接至测量电路，调整电阻R上的滑动触点Q的位置，直至检流计再次指零，R Q上的势即为测电势。
图1-2所示为常用的UJ-36型电位差计，其盖子背面有操使用说明。
使用步骤如下：
（1）先将热电偶两电极接在有“未知”字样的两个接线柱上（注意极性），再将倍率开关旋向所需的位置上（×1或×0.2），这时已接通电位差计的工作电源，同时也接通了检流计的工作电源，检流计会发生偏转。
（2）调整零旋钮，使检流计指零。
（3）将键开关K拨向“标准”，调整Rr检流计又会偏转，再调整右上角电流调节电阻R P，使检流计回零，这时表示工作电流达到设计值。
（4）在进行测量时，将键开关K拨向“未知”，旋转两个测量盘（步进盘与滑线盘）再次使检流计为零，这时测量盘上的读数即为被测热电偶的电势值。
（5）如果倍率开关指向×0.2，测量盘上的值应乘以0.2。
（6）测试完毕以后一定要将倍率开关旋至“断”的位置，以保护工作电源。
实验二 用平板法测定保温材料的导热系数
一、实验目的
1、用平板法测定保温材料的导热系数；
2、确定导热系数随温度变化的关系。
二、实验原理
平板法测定保温材料的导热系数是以一维稳态导热原理为基础，这时通过平板的热流量为：
()
h c A t t λδ
?Φ=
于是：
122()()()(2
h c h c h c t t t t )A t t A t t A δδδ
λΦΦ=
==′′?+??ΔΦ+Δ （2-1）
在实验中需测得：
试材的厚度为δ； 试材的面积A ；
通过该面积的热流量Φ； 试材的表面温度t h 及t c 。
于是试材的导热系数可由式（2-1）求出。
三、主要仪器与试材
实验本体如图2-1所示，加热器1产生的热量通过试材2被冷却水带走，当加热器上下的热传递条件基本一致时，产生的热量将是上下各一半，即通过任一侧试材的热流量为Φ=P/2。
在整理实验数据时，
231411
()(22h c t t t t t t =+=+，)4
12123t t t t t t Δ=?Δ=?， 121
()2
δδδ=+
图2-1 平板导热装置图
1-冷却水套；2-电加热器；3-试材；4-功率表；
t1、t2、t3、t4是热电偶测点
δ1、δ2为上下两块试材的厚度，要求两块试材的材质一样，且δ1=δ2。在加热器水平方向填有保温性能较好的材料，当试材厚度方向尺寸比宽度方向尺寸小很多时，可以忽略水平方向的热损失。因此可以近似地认为该导热是一维的。
四、实验方法与步骤
1、将试材烘干。
2、记录试材尺寸，当试材的厚度为20~30mm时，两块试材平均厚度之差应小于1mm，两块试材的容重应接近相等，并仔细地将试材装入实验装置内，将热电偶热接点紧贴在试材的两表面上。
3、按图接线，接通冷却水，合上电源加热，经一段时间后进行测量；以后每隔10分钟测数据一次，直至系统达到热稳定状态为止。
4、改变电加热器的电流、电压，待系统达到热稳定后再次记录所需数据。
5、实验数据经教师审阅后，整理现场方可离开。
五、实验注意事项
1、实验前，将两块试材压紧。
2、实验时，在改变加热功率后，要等到系统足够稳定后（10分钟后）方可进行数据测量。
3、电加热功率不可过大，控制在20W以内。
4、实验结束后，切断电源。
六、实验结果处理
对于大多数保温材料其导热系数随温度的变化有以下线性关系：
图2-2 导热系数随温度变化关系图
0(1)bt λλ=+ （2-2） 0(1)m bt m λλ=+ （2-3）
式中，b —比例常数；
t m —试材的平均温度值，)(2
1
c h m t t t +=
。 由上式可知，材料的导热系数随温度呈现线性变化。这时所得的导热系数也
代表平均温度时材料的导热系数。
测出不同t m 值下的导热系数λm 值以后，以λ为纵坐标，以t m 为横坐标，描出λm =f
（t m ）曲线，如图2-2所示。当t m =0时纵坐标的截距为λ0，比例常数b 为：
000
()/m m
t tg b λλα
λλ?=
=
b 的单位为1/℃，tg α为图2-2所示直线的斜率。把λ0及b 的数值代入式（2-3），即得所测试验材料导热系数随温度变化的关系式。
也可用线性回归法求出材料导热系数随温度变化的关系式。
七、实验报告要求
1、实验的目的及装置系统图。
2、记录所用仪表的规格、型号、名称。
3、记录并整理数据，计算导热系数λ值。
八、思考题
怎样判定热流是否稳定？
实验三 球体法测定保温材料的导热系数
一、实验目的
测定颗粒材料的导热系数。
二、实验原理
由同心等温热球面（直径d 1，温度t 1）和冷球面（直径d 2，温度t 2）围成的空间装满“均匀”试材，球的中心部位装有电热器，全中热量均通过两球中间颗粒材料夹层而传至外界，利用球壁稳态导热公式可得颗粒材料的导热系数λ为：
211212()
2(d d d d t t λπ)
Φ?=
? （3-1）
式中，Φ—热流量，W ；
λ—试材的导热系数，W/（m ℃） d 1—内球的外径（热球面），m ； d 2—外球壳的内径（冷球面），m ； t 1—热球面温度，℃； t 2—冷球面温度，℃。
测得通过试材的热流量Φ、内外球壁温度t 1与t2，把以上数据代入导热系数计算式（3-1）中即可求出λ的数值。如果试材是颗粒状的，或纤维状的，则所得到的是整体导热系数或当量导热系数。
三、主要仪器与试材
主要仪器：球壁导热装置如图3-1所示，UJ-36型电位差计 球体：内球d 1=80mm ，外球d 2=200mm 试材：珍珠岩
四、实验步骤
1、将实验材料烘干，在称其重量后将试材安装入实验装置内。
2、按图接线，经检查无误后，接通电源加热，加热一段时间后测量t 1、t 2，
图3-1 球壁导热装置
1-内球；2-外球；3-实验材料；4-直流稳压电源；5-测温热电偶
直至全系统达到热稳定状态为止。
3、记录实验数据。
五、实验注意事项
1、实验时，不要用手直接触摸球体表面，以防止烫伤。
2、实验结束后，切断电源。
六、实验结果处理
将所测数据代入式（3-1），算出实验材料的导热系数λ。
实验四 测定空气横掠圆管时的受迫对流换热系数
一、实验目的
1、测定空气横掠圆管时的受迫对流换热系数。
2、整理空气横掠圆管时受迫对换热准则方程式。
二、实验原理
对流换热系数h 的定义式为：
()c
w f h t t A
Φ=
? （4-1）
式中，t w —管壁平均温度，℃；
t f —流过圆管空气的温度，℃； A —管壁的换热面积，m 2；
Φc —管的对流换热量，W 。
对流换热系数h 与周围流体的速度、流体的物性、换热面的几何尺寸（直径）等参数有关，这种关系可写成准则关系式：
(Nu f Re Pr )=i （4-2）
对于空气，当温度变化不大时，Pr 可看成常数，上式可写成
n Nu CRe = （4-3）
式中，Nu —努谢尔特数，Nu=hd/λ
Re —雷诺数，Re=ud/υ Pr —普朗特数，Pr=υ/α
这里：d 为管外径（m ）；
u 为流体在实验管中最窄截面处的速度（m/s ）； λ为流体的导热系数（W/m ℃）； υ为流体的运动粘度（m 2/s ）。
流体的物性参数λ、α及υ可以用边界层平均温度t m =(t w +t f )/2作为定性温度查到。
通过对实验数据的整理，可求出式（4-3）中的待定常数C 或n 。
三、主要仪器与试材
空气横掠圆管受迫对流换热装置如图4-1所示；
UJ-36型电位差计；
毕托管；
不锈钢圆管试件。
图4-1 空气横掠圆管受迫对流换热装置
四、实验步骤
1、选择好某一直径的实验管，将其装入实验系统中。
2、按图4-1接线。
3、调整调压器电源，准备加热实验试件。
4、开启变频器电源，先启动风机后加热实验管。调整变频器频率，给定风速，待系统稳定后（试件的壁温不变），测出连接毕托管的电子差压计测量得到的流体的动压头Δh。
5、用电位差计测出试件壁温t。
6、用功率表测出试件的换热量Φ=P。
7、再次调整风速，重复4、5、6步骤，得到10种不同风速的数据组。
8、检查原始数据是否完全，经教师审阅后清理现场。
五、实验注意事项
1、先开动风机，后开电源，对试件进行加热；实验结束后，先断电源，停止对试件加热，后关闭风机电源。
2、实验时，不要用手直接触摸试件表面，以防止烫伤。
3、实验结束后，切断各仪器电源。
六、实验结果处理
1、用电功率表测出加热功率。
2、根据管内热电偶测得的管内壁温度t W ′，换算出管外壁温度：
21222
21121ln 4W W r r t t L r r r πλ?
?Φ′=???????
式中，r 1、r 2—管子的内外半径，m ；
λ—管子导热系数（取λ=14），W/（m·℃）；
Φ—工作段加热功率，W ；
L —工作段有效长度，m 。
3、换热系数的计算。
这里要说明，由于空气是透明的，所测得的热流量除通过对流换热传给空气以外，还有部分是辐射换热散发的热流量。这里可以近似应用大空间中小的凸形物体的辐射散热计算公式。
440100100f W r T T A εσ??
????Φ=???????????????
式中，ε — 管子表面的发射率（黑度）；
σ0 — 黑体辐射系数，取5.67，W/（m 2·K 4）； T W 、T f — 管表面和周围物体的绝对温度，K ；
Φr — 辐射散发的热流量，W 。
440()100100f W c r W f T T P hA t t A εσ??
????Φ==Φ+Φ=?+???????????????
440100100()
f W W f T T P A
h A t t εσ??
????????????????????????????=
? 3、根据流体温度查出物性参数ρ、λ、υ等数值。 4、最窄面处的空气速度的计算：
首先算出空气来流速度V ：
ρ
p
V Δ=
2
再计算出流道中最窄面处的空气速度u ：
0.20.2V
u d =
=
? 5、雷诺数的计算：
ud d Re υυ
=
=6、努谢尔特数的计算：
hd
Nu λ
=
7、数据整理，将测试的结果制成表格。 8、努谢尔特准则方程的得出：
1）作图法。根据以上数据，取lnNu 、lnRe 在坐标纸上描点，通过这些点作出最合理的直线，求出此直线的斜率tg α。根据n=tg α和截距a=lnC ，可求得C 和n 。
2）回归法。利用本实验所得到的Re 和Nu 的数据，采用回归方法进行计算，可求得式（4-3）中的C 和n 。
附表1 镍铬—镍硅热电偶温度毫伏数值对照表
热电动势mV
温度
℃0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -40 -1.527 -1.563-1.600 -1.636-1.673-1.709-1.745-1.781 -1.817 -1.853
-30 -1.156 -1.193-1.231 -1.268-1.305-1.342-1.379-1.416 -1.453 -1.490
-20 -0.777 -0.816-0.854 -0.892-0.930-0.968-1.005-1.043 -1.081 -1.118
-10 -0.392 -0.431-0.469 -0.508-0.547-0.585-0.624-0.662 -0.701 -0.739
0 -0.000 -0.039-0.079 -0.118-0.157-0.197-0.236-0.275 -0.314 -0.353
0 0.000 0.0390.079 0.1190.1580.1980.2380.227 0.317 0.357
10 0.397 0.4370.477 0.5170.5570.5970.6370.677 0.718 0.758
20 0.7980.8380.8790.9190.960 1.000 1.041 1.081 1.122 1.162
30 1.203 1.244 1.285 1.325 1.366 1.407 1.448 1.489 1.529 1.570
40 1.611 1.652 1.693 1.734 1.766 1.817 1.858 1.899 1.949 1.981
50 2.022 2.062 2.102 2.142 2.182 2.222 2.262 2.302 2.342 2.382
60 2.436 2.477 2.519 2.560 2.601 2.643 2.684 2.726 2.767 2.809
70 2.850 2.892 2.933 2.975 3.016 3.058 3.100 3.141 3.183 3.224
80 3.266 3.307 3.349 3.390 3.432 3.473 3.515 3.556 3.598 3.639
90 3.681 3.722 3.764 3.805 3.847 3.888 3.930 3.971 4.012 4.054
100 4.095 4.137 4.178 4.219 4.261 4.302 4.343 4.384 4.426 4.467
110 4.508 4.549 4.590 4.632 4.673 4.714 4.755 4.796 4.837 4.878
120 4.919 4.960 5.001 5.042 5.083 5.124 5.164 5.205 5.246 5.287
130 5.327 5.368 5.409 5.450 5.490 5.501 5.571 5.612 5.652 5.693
140 5.733 5.774 5.814 5.855 5.895 5.936 5.976 6.016 6.057 6.097
150 6.137 6.177 6.218 6.258 6.298 6.338 6.378 6.419 6.459 6.499
160 6.539 6.579 6.619 6.650 6.699 6.730 6.779 6.810 6.859 6.899
170 6.939 6.9797.0197.0597.0997.1397.1797.2197.2597.299
180 7.3387.3787.4187.4587.4987.5387.5787.6187.6587.697
190 7.7377.7777.8177.8577.8977.9377.9778.0178.0578.097
续附表1
热电动势mV
温度
℃0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2008.1378.1778.2108.2568.2968.3368.3768.4168.4568.497 2108.5378.5778.6178.6578.6978.7378.7778.8178.8578.898 2208.9388.9789.0189.0589.0999.1399.1799.2209.2609.300 2309.3419.3819.4219.4629.5029.5439.5839.6249.6649.705 2409.7459.7869.8269.8679.9079.9489.98910.02910.07010.111 25010.15110.19210.23310.27410.31510.35510.39610.43710.47810.519 26010.56010.60010.64110.68210.72310.76410.80510.84610.88710.928 27010.96911.01011.05111.09311.13411.17511.21611.25711.29811.339 28011.38111.42211.46311.50411.54611.58711.62811.66911.71111.752 29011.79311.83511.87611.91811.95912.00012.04212.08312.12512.166 30012.20712.24912.29012.33212.37312.41512.45612.49812.63912.581 31012.62312.66412.70612.74712.78912.83112.87212.91412.95512.997 32013.03913.08013.11213.16413.20513.24713.28913.33113.37213.414 33013.45613.49713.53913.58113.62313.66513.70613.74813.79013.832 34013.87413.91513.95713.99914.04114.08314.12514.16714.20814.250 35014.29214.33414.37614.41814.46014.50214.54414.58614.62814.670 36014.71214.75414.79614.83814.88014.92214.96415.00615.04815.090 37015.13215.17415.21615.25815.30015.34215.38415.42615.46815.510 38015.55215.59415.63615.67915.72115.76315.80515.84715.88915.931 39015.97416.01616.05816.10016.14216.18416.22716.26916.31116.353 40016.39516.43816.48016.52216.56416.60716.64916.69116.73316.776 41016.81816.86016.90216.94516.98717.02917.07217.11417.15617.199 42017.24117.28317.32617.36817.41017.45317.49517.53717.58017.622 43017.66417.70717.74917.79217.83417.87617.91917.96118.00418.046 44018.08818.13118.17318.21618.25818.30118.34318.38518.42818.470
附表2 铜—康铜热电偶温度毫伏数值对照表
热电动势mV
温度
℃0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -40 -1.510 -1.544-1.579 -1.614-1.648-1.682-1.717-1.751 -1.785 -1.819
-30 -1.157 -1.192-1.228 -1.263-1.299-1.334-1.370-1.405 -1.440 -1.475
-20 -0.794 -0.830-0.867 -0.903-0.940-0.976-1.013-1.049 -1.085 -1.121
-10 -0.421 -0.458-0.496 -0.534-0.571-0.608-0.646-0.683 -0.720 -0.767
0 -0.039 -0.077-0.116 -0.154-0.193-0.231-0.269-0.307 -0.345 -0.383
0 0.039 0.0780.117 0.1560.1950.2340.2730.312 0.351 0.391
10 0.430 0.4700.510 0.5490.5890.6200.6690.709 0.749 0.789
20 0.830 0.8700.911 0.9510.992 1.032 1.073 1.114 1.155 1.196
30 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 1.611
40 1.653 1.695 1.738 1.780 1.822 1.865 1.907 1.950 1.992 2.035
50 2.078 2.121 2.164 2.207 2.260 2.294 2.337 2.380 2.424 2.467
60 2.511 2.556 2.590 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 2.908
70 2.953 2.997 3.042 3.087 3.131 3.176 3.221 3.266 3.312 3.357
80 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.630 3.676 3.721 3.767 3.813
90 3.859 3.906 3.952 3.998 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231 4.277
100 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701 4.749
110 4.796 4.844 4.891 4.939 4.987 5.035 5.083 5.131 5.197 5.227
120 5.275 5.324 5.372 5.420 5.469 5.517 5.556 5.615 5.663 5.712
130 5.761 5.810 5.859 5.908 5.957 6.007 6.056 6.105 6.155 6.204
140 6.254 6.303 6.353 6.403 6.452 6.502 6.552 6.602 6.652 6.702
150 6.753 6.803 6.853 6.903 6.9547.0047.0557.106 7.156 7.207
160 7.258 7.3097.360 7.4117.4627.5137.5647.615 7.666 7.718
170 7.769 7.8217.872 7.9247.9768.0278.0798.131 8.183 8.235
180 8.287 8.3398.391 8.4438.4958.5488.6008.652 8.705 8.757
190 8.810 8.8638.915 8.9689.0219.0749.1279.180 9.233 9.286
工程热力学实验 一、热力设备认识 （时间：第7周周二3、4节；地点：工科D504） 一、实验目的 1. 了解热力设备的基本原理、主要结构及各部件的用途； 2. 认识热力设备在工程热力学中的重要地位、热功转换的一般规律以及热力设备与典型热力循环的联系。 二、热力设备在工程热力学课程中的重要地位 工程热力学主要是研究热能与机械能之间相互转换的规律和工质的热力性质的一门科学，这就必然要涉及一些基本的热力设备(或称热动力装置)，如内燃机、制冷机、藩汽动力装置、燃气轮机等。了解这些热力设备的基本原理、主要结构、和各部件的功能，对正确理解工程热力学基本概念、基本定律十分必要。工程热力学中涉及的各循环都是通过热力设备来实现的，如活塞式内燃机有三种理想循环：定容加热循环、定压加热循环和混合加热循环；蒸汽动力装置有朗肯循环；燃气轮机有定压加热循环和回热循环；制冷设备有蒸汽压缩制冷循环、蒸汽喷射制冷循环等。卡诺循环则是由两个定温和两个绝热过程所组成的可逆循，具有最高的热效率，它指出了各种热力设备提高循环热效率的方向。因此，对这些热力设备的工作原理和基本特性有一个初步了解，对一些抽象概念有一个感性认识，能够加深对热力学基本定律的理解，掌握一些重要问题(如可逆和不可逆)的实质，有助于学好工程热力学这门课程。 三、各种热力设备的基本结构与原理 1.内燃机 内燃机包括柴油机和汽油机等，是-种重量轻、体积小、使用方便的动力机械。以二冲程柴油机为例，其基本结构如图1所示。
图1 内燃机结构图 内燃机的工质为燃料燃烧所生成的高温燃气。根据燃料开始燃烧的方式不同可分为点燃式和压燃式，点燃式是在气缸内的可燃气体压缩到一定压力后由电火花点燃燃烧；压燃式是气缸内的空气经压缩其温度升高到燃料自燃温度后，喷入适量燃料，燃料便会自发地燃烧。压燃式内燃机的工作过程分为吸气、压缩、燃烧、膨胀及排气几个阶段。吸气开始时进气门打开，活塞向下运动把空气吸入气缸。活塞到达下死点时进气门关闭而吸气过程结束。进气门和排气门同时关闭，活塞向上运动压缩气缸内空气，空气温度与压力不断升高，直到活塞到达上死点时，压缩过程结束。这时气缸内空气温度已超过燃料自燃温度，向气缸内喷入适量燃料，燃料便发生燃烧。燃烧过程进行的很快，接着是高温燃气发生膨胀，推动活塞向下运动带动曲轴作出机械功。活塞到达下死点时，排气门打开，气缸内的高温高压燃气通过排气门排至大气，活塞又向上运动将气缸内的剩余气体推出气缸，活塞到达上死点时排气过程结束，完成一个循环。当活塞再一次由上死点向下运动时重新开始一个循环。这样通过气缸实现了燃料的化学能变为热能，热能又变为机械能的过程。 汽油机的工作过程基本上与柴油机差不多，不同之处在于汽油机的汽油预先在化油器内蒸发汽化并和空气混合后一起吸入气缸，压缩过程结束后由电火花点燃燃烧。其它过程与柴油机完全相同。 内燃机是主要用在工程机械、船舶和航空等领域，以及海上采油平台用内燃机发电。 汽油机的总体构造分为基本机构和辅助系统，如图2所示。 基本机构包括: 曲柄连杆机构:气缸盖、气缸体、曲轴箱、活塞、连杆和曲轴，其功用是将燃料的热能
二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系的测定 一、实验目的 1. 观察二氧化碳气体液化过程的状态变化和临界状态时气液突变现象，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、饱和状态等基本概念的理解。 3. 掌握二氧化碳的p-v-T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、实验原理 当简单可压缩系统处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确切的关系，可表示为： (,,)=0 (7-1-1) F p v T 或 =(,) (7-1-2) v f p T 在维持恒温条件下、压缩恒定质量气体的条件下，测量气体的压力与体积是实验测定气体p-v-T关系的基本方法之一。1863年，安德鲁通过实验观察二氧化碳的等温压缩过程，阐明了气体液化的基本现象。 当维持温度不变时，测定气体的比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。 在低于临界温度时，实际气体的等温线有气、液相变的直线段，而理想气体的等温线是正双曲线，任何时候也不会出现直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近于理想气体的等温线。所以，理想气体的理论不能说明实际气体的气、液两相转变现象和临界状态。 二氧化碳的临界压力为73.87bar(7.387MPa)，临界温度为31.1℃，低于临界温度时的等温线出现气、液相变的直线段，如图1所示。30.9℃
是恰好能压缩得到液体二氧化碳的最高温度。在临界温度以上的等温线具有斜率转折点，直到48.1℃才成为均匀的曲线（图中未标出）。图右上角为空气按理想气体计算的等温线，供比较。 1873年范德瓦尔首先对理想气体状态方程式提出修正。他考虑了气体分子体积和分子之间的相互作用力的影响，提出如下修正方程： ()()p a v v b RT + -=2 (7-1-3) 或写成 pv bp RT v av ab 320-++-=() (7-1-4) 范德瓦尔方程式虽然还不够完善，但是它反映了物质气液两相的性质和两相转变的连续性。 式（7-1-4）表示等温线是一个v 的三次方程，已知压力时方程有三个根。在温度较低时有三个不等的实根；在温度较高时有一个实根和两个虚根。得到三个相等实根的等温线上的点为临界点。于是，临界温度的等温线在临界点有转折点，满足如下条件： ( )??p v T =0 (7-1-5)
[实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 一、实验目的 1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。 2、确定热导率和温度之间的函数关系。 二、实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m ·K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。 球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。 设有一空心球体，若内外表面的温度各为t 1和t 2并维持不变，根据傅立叶导热定律： dr dt r dr dt A λπλφ24-=-= （1） 边界条件221 1t t r r t t r r ====时时 （2） 1、若λ= 常数，则由（1）（2）式求得 1 22121122121)(2)(4d d t t d d r r t t r r --=--=πλπλφ[W] ) (2)(212112t t d d d d --=πφλ [W/(m ·K)] (3) 2、若λ≠ 常数，（1）式变为 dr dt t r ) (42λπφ-= （4） 由（4）式，得 dt t r dr t t r r ??-=21 21)(42 λπφ 将上式右侧分子分母同乘以（t 2－t 1），得 )()(4121222 12 1t t t t dt t r dr t t r r ---=??λπφ (5)
式中 122 1)(t t dt t t t -?λ项显然就是λ在t 1和t 2范围内的积分平均值，用m λ表示即 1 221)(t t dt t t t m -=?λλ，工程计算中，材料的热导率对温度的依变关系一般按线性关系处理，即)1(0bt +=λλ。因此， )](21[)1(210 1202 1 t t b t t dt bt t t m ++=-+=?λλλ。这时，(5)式变为 ) (2) (4)(21211222121t t d d d d r dr t t r r m --= -=?πφπφλ [W/(m ·K)] （6） 式中，m λ为实验材料在平均温度)(21 21t t t m +=下的热导率， φ为稳态时球体壁面的导热量， 21t t 、分别为内外球壁的温度， 21d d 、分别为球壁的内外直径。 实验时，应测出21t t 、和φ，并测出21d d 、，然后由（3）或（6）得出m λ。 如果需要求得λ和t 之间的变化关系，则必须测定不同m t 下的m λ值，由 ) 1() 1(202101m m m m bt bt +=+=λλλλ （ 7） 可求的b 、0λ值，得出λ和t 之间的关系式)1(0bt +=λλ。 三、实验设备 导热仪本体结构和测量系统如图1-1所示。
第5章教学实践与分析 第5章教学实践与分析 下面将基于CSCL的研究性学习平台的活动设计流程应用于《热力学基本原理》教学设计中。《热学》是湖南大学《大学物理》（上册）第11章和第12章的教学内容。我们选取其中的两个主题：《热力学中能量知识能力结构》和PBL在热力学中的应用开展教学活动。 5.1 热力学中能量知识能力结构的研究 1. 课程目标分析 《大学物理》协作式研究性学习互动平台的使用对象定位在湖南大学所有理工科一二年级必修《大学物理》课程的学生。要求学习者通过这样一个互动平台能够更加方便的与其他学习者或者教师进行协同学习，共同讨论，共同提高，通过教师布置的课题任务进一步加深对大学物理学知识的理解，能够熟练的运用研究性学习学会与人合作，学习和生活，体现协作式研究性学习的特点，知其然更知其所以然，促进知识的建构。 2. 知识内容分析 在热力学能量知识结构研究这一主题下，对于热力学基本原理的学习和理解是进一步加深对能量守恒定律认识的一个重要过程。通过分析热力学过程中功、热量与内能变化之间的关系引入热力学第一定律。作为应用的具体例子，讨论和计算理想气体几
种典型准静态过程（主要为等温、等容、等压、绝热过程）中功、热量与内能变化的情况，热机效率的计算为综合应用。对功变热及热传导过程进行分析可以得到反映力学过程进行的方向性的基本规律——热力学第二定律的两种表述；对可逆与不可逆过程的分析可以揭示出热力学第二定律两种表述的共同本质；对典型不可逆过程作微观分析可以挖掘出不可逆过程的微观实质——从无序走向有序；利用熵来描述热力学系统的无序程度，可以导出热力学第二定律的数学表达式。 热力学能量知识结构对于大学低年级的学生来说并不是全新的知识，热学部分的知识学生在初高中阶段就有了不同程度的了解，如何使学生系统准确的掌握 热力学过程所服从的基本规律，从而建立起热力学理论体系，并进一步用于分析和研究各种具体的热现象与热力学过程才是这个章节的重点。 本课程采用网络协作式研究性学习活动方式，教学目标主要靠小组协作探究来落实，通过活动过程分析和成果分析等来考察是否达到了学生的学习目标。 3. 学习者分析 学生在网络环境下的自我调控能力有待加强，并且缺乏网络环境下的学习计划、自控和反思能力。所以在整个学习活动的每一阶段都需要教师给与引导和监督，否则进行协作式研究性学习只会流于形式。以任务主题的形式进行协作式研究性学习，可以
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 ( )p p h c T ?=? （1） 在没有对外界作功的气体定压流动过程中，p dQ dh M =, 此时气体的定压比热容可表示 为 p p T Q M c )(1??= （2） 当气体在此定压过程中由温度t 1被加热至t 2时，气体在此温度范围内的平均定压比热容可由下式确定 ) (1221 t t M Q c p t t pm -= (kJ/kg ℃) (3) 式中，M —气体的质量流量，kg/s; Q p —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t 1被加热至t 2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 3162741087268.41002402.41076019.102319.1T T T c p ---?-?+?-=(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 Bt A c p += （4） 由t 1加热到t 2的平均定压比热容则为 m t t t t pm Bt A t t B A dt t t Bt A c +=++=-+=? 2 21122 1 21 (5) 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
建筑与城市规划学院实验报告 实验项目：室内热环境参数对比试验
一．实验目的 建筑物室外的各种气候因素通过建筑物的围护结构、外门窗及各类开口，直接影响室内的气候条件。为获得良好的室内热环境，必须了解当地各主要气候因素的概况及变化规律，并以此作为建筑设计的依据。 一个地区的气候状况是许多因素综合作用的结果。对室内热环境参数，需要测试的项目有空气温度，湿度，风速及风力等。我们知道影响室内热环境的主要因素是室外气候状况，但对于同一幢楼房中不同的楼层，不同的朝向，同一套间内不同朝向的房间，在相同的室内气候条件下，尤其是在室外恶劣气候条件下，其室内热环境参数由于所处的位置不同而有较大的差异。 对此我们是有感性认识的。这次实验将这种差异量化，从这些差异值寻找经济实用的解决方法，掌握测量方法和注意事项。 二．测试时间与地点 2011年6月19日（十一周周六十二周周日），华中科技大学紫菘公寓12栋601室，寝室窗户朝南而开。测试正中距地面1.5米高的位置（气温为城市近郊气象台离地面1.5米高处空气的温度）。其他测点若干个，就沿房间纵，横轴每2m一个设置若干个测点。（为了便于说明问题，附设一个加测点，即外墙内表面距离窗台下300mm处布置一测点，测量外墙内表面温度。） 测试选择时间在6月19日（本应该选择夏天中最炎热的一天或冬天最寒冷的一天，但根据实际情况选择了这个时间测量），测量时间为正午12点到第二天正午12点，一共24个小时，每隔半小时测量一次并记录数据。
三．测量仪器 温湿度自记仪，温度自记仪，黑球温度计，电子微风仪 四．测点布置 测点布置在房间正中距地面1.5米高的位置（图示B点）。其他测点若干个，沿房间纵，横轴每2m一个设置若干个测点（图示C点）。应画出被测房间的平面图，剖面图，标明基本尺寸及测点位置，并说
2016年热工学实践实验内容 实验3 二氧化碳气体P-V-T 关系的测定 一、实验目的 1. 了解CO 2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。 2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。 3. 掌握CO 2的P-V-T 间关系测定方法。观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。 二、实验任务 1．测定CO 2气体基本状态参数P-V-T 之间的关系，在P —V 图上绘制出t 为20℃、31.1 ℃、40℃三条等温曲线。 2．观察饱和状态，找出t 为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。 3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。 4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t 的关系图。 三、实验原理 1. 理想气体状态方程：PV = RT 实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程： ()RT b v v a p =-??? ? ?+2 （3-1） 式中: a / v 2 是分子力的修正项； b 是分子体积的修正项。修正方程也可写成 : 0)(23 =-++-ab av v RT bp pv （3-2） 它是V 的三次方程。随着P 和T 的不同，V 可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实 根；一个实根、两个虚根。 1869年安德鲁用CO 2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO 2并测定p 与v ，得到了P —V 图上一些等温线，如图2—1所示。从图中可见，当t >31.1℃时，对应每一个p ，可有一个v 值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t =31.1℃时，而p = p c 时，使曲线出现一个转折点C 即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t <31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。 2．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系，可表示为： F （P ，V ，T ）= 0
程热力学 氧化碳临界状态观测及 P-V-T 关系 一、实验目的 了解CO 2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。 增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。 掌握CO 2的p-v-t 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 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CO 的p-v-t 关系。在P-V 坐标系中绘出低于临界温度(t=20 C)、临界温度 (t=31.1 C)和高于 临界温度(t=50 C)的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值 相比较，并分析其差异原因。 2、 测定CQ 在低于临界温度(t=20 C 、27C )时饱和温度和饱和压力之间的对应关系， 并与图四中的t s -p s 曲线比较。 3、 观测临界状态 (1) 临界状态附近气液两相模糊的现象。 (2) 气液整体相变现象。 (3) 测定CQ 的p c 、V c 、t c 等临界参 数，并将实验所得的 V c 值与理想气体状态方程和范 德瓦 尔方程的理论值相比教，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、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成(如图一所 示)。 1、 2、 3、 和技巧。 4、 图一 试验台系统图
蛍渥水 H -------------------------------- * CU J空间 承压玻璃 4” 十一 Ezz E力油 高压容器 图二试验台本体 试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2 —玻璃杯；3 —压力机；4—水银；5—密 封填料；6—填料压盖；7 —恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CQ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：F( p,v,t)=0 或t=f(p,v) (1) 本实验就是根据式(1),采用定温方法来测定CQ的p-v-t关系，从而找出CQ的p-v-t关系。 实验中，由压力台送来的压力由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CQ气体的承压玻璃管，CQ被压缩，其压力和容器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，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测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。 四、实验步骤 1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。 2、恒温器准备及温度调节： (1)、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
第一章 《工程热力学》实验 §1-1 二氧化碳临界状态及P-V-T 关系实验 一、实验目的和任务 目的： 1．巩固工质热力学状态及实际气体状态变化规律的理论知识，掌握用实验研究的方法和技巧。 2．熟悉部分热工仪器的正确使用方法（如活塞式压力计、恒温水浴等），加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解，为今后研究新工质的状态变化规律奠定基础。 任务： 1.测定CO 2的t v p --关系，在v p -坐标中绘出几种等温曲线，与标准实验曲线及克拉贝龙方程和范得瓦尔方程的理论计算值相比较并分析差异原因。 2.观察临界状态，测定CO 2的临界参数（c c c t v p 、、），将实验所得的c v 值与理想气体状态方程及范得瓦尔方程的理论计算值作一比较，简述其差异原因。 3.测定CO 2在不同压力下饱和蒸气和饱和液体的比容（或密度）及饱和温度和饱和压力的对应关系。 4.观察凝结和汽化过程及临界状态附近汽液两相模糊的现象。 二、实验原理 1.实际气体在压力不太高、温度不太低时，可以近似地认为理想气体，并遵循理想气体状态方程： mRT pV = (1) 式中 p ―绝对压力（Pa ） V ―容积(m 3) T ―绝对温度(K) m ―气体质量(kg) R ―气体常数， 2CO R =8.314/44=0.1889(kJ/kg ·K) 实际气体中分子力和分子体积，在不同温度压力范围内，这两个因素所引起的相反作用按规定是不同的，因而，实际气体与不考虑分子力、分子的体积的理想气体有一定偏差。1873年范得瓦尔针对偏差原因提出了范得瓦尔方程式： (2) 或 0)(2 3=+++-b av v RT bp pv (3) 式中 a ―比例常数， c c p RT a ) (272 =； 2 /v a ―分子力的修正项； RT b v v a p =-+))((2
工程热力学课程教案 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
《工程热力学》课程教案 *** 本课程教材及主要参考书目 教材： 沈维道、蒋智敏、童钧耕编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2001.6手册： 严家騄、余晓福着，水和水蒸气热力性质图表，高等教育出版社，1995.5 实验指导书： 华北电力大学动力系编，热力实验指导书，2001 参考书： 曾丹苓、敖越、张新铭、刘朝编，工程热力学（第三版），高等教育出版社，2002.12 王加璇等编着，工程热力学，华北电力大学，1992年。 朱明善、刘颖、林兆庄、彭晓峰合编，工程热力学，清华大学出版，1995年。 曾丹苓等编着，工程热力学（第一版），高教出版社，2002年 全美经典学习指导系列，[美]M.C. 波特尔、C.W. 萨默顿着郭航、孙嗣莹等 译，工程热力学，科学出版社，2002年。 何雅玲编，工程热力学精要分析及典型题精解，西安交通大学出版社，2000.4 概论（2学时） 1. 教学目标及基本要求 从人类用能的历史和能量转换装置的实例中认识理解：热能利用的广泛性和特殊性；工程热力学的研究内容和研究方法；本课程在专业学习中的地位；本课程与后续专业课程乃至专业培养目标的关系。 2. 各节教学内容及学时分配 0-1 热能及其利用（0.5学时） 0-2 热力学及其发展简史（0.5学时） 0-3 能量转换装置的工作过程（0.2学时） 0-4 工程热力学研究的对象及主要内容（0.8学时） 3. 重点难点 工程热力学的主要研究内容；研究内容与本课程四大部分（特别是前三大部分）之联系；工程热力学的研究方法 4. 教学内容的深化和拓宽 热力学基本定律的建立；热力学各分支；本课程与传热学、流体力学等课程各自的任务及联系；有关工程热力学及其应用的网上资源。 5. 教学方式 讲授，讨论，视频片段 6. 教学过程中应注意的问题
传热学实验指导书 XX大学 XX学院XX系 二〇一X年X月
一、导热系数的测量 导热系数是反映测量热性能的物理量，导热是热交换三种基本形式之一，是工程热物理、材料科学、固体物理及能源、环保等各研究领域的课题之一。要认识导热的本质特征，需要了解粒子物理特性，而目前对导热机理的理解大多数来自固体物理实验。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子、分子围绕平衡位置的振动以及电子的迁移，在金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。因此，材料的导热系数不仅与构成材料的物质种类有关，而且与它的微观结构、温度、压力及杂质含量相联系。在科学实验和工程设计中所采用材料导热系数都需要用实验方法测定。 1882年法国科学家J ·傅里叶奠定了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础上，从测量方法来说，可分为两大类：稳态法和动态法，本实验是稳态平板法测量材料的导热系数。 【实验目的】 1、了解热传导现象的物理过程 2、学习用稳态平板法测量材料的导热系数 3、学习用作图法求冷却速率 4、掌握一种用热电转换方式进行温度测量的方法 【实验仪器】 1、YBF-3导热系数测试仪 一台 2、冰点补偿装置 一台 3、测试样品（硬铝、硅橡胶、胶木板） 一组 4、塞尺 一把 5、游标卡尺（量程200mm ） 一把 6、天平（量程1kg ，分辨率0.1g ） 一台 【实验原理】 为了测定才材料的导热系数，首先从热导率的定义和它的物理意义入手。热传导定律指出：如果热量是沿着Z 方向传导，那么在Z 轴上任一位置Z 0，处取一个垂直截面A （如图1）以dt/dz 表示Z 处的温度梯度，以dQ/d τ表示该处的传热速率（单位时间通过截面积A 的热量），那么传导定律可表示为： ()0z z dz dt d dQ A =-==Φλτ 1-1 式中的负号表示热量从高温向低温区传导（即热传导的方向与温度梯度的方向相反）。式中的λ即为导热系数，可见热导率的物理意义：在温度梯度为一个单位的情况下，单位时间内通过单位截面面积的热量。 利用1-1式测量测量的导热系数，需解决的关键问题有两个：一个是在材料中造成的温度梯度dt/dz ，并确定其数值；另一个是测量材料内由高温区向低温区的传热速率dQ/d τ。 1、温度梯度dt/dz 的测量
水的饱和蒸汽压力和温度关系 实验报告
水的饱和蒸汽压力和温度关系 一、实验目的 1、通过水的饱和蒸汽压力和温度关系实验，加深对饱和状态的理解。 2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽P-t关系图表的编制方法。 3、学会压力表和调压器等仪表的使用方法。 二、实验设备与原理 456 7 1. 开关 2. 可视玻璃 3. 保温棉（硅酸铝） 4. 真空压力表（-0.1～1.5MPa） 5. 测温管 6. 电压指示 7. 温度指示8. 蒸汽发生器9. 电加热器10. 水蒸汽11.蒸馏水12. 调压器 图1 实验系统图 物质由液态转变为蒸汽的过程称为汽化过程。汽化过程总是伴随着分子回到液体中的凝结过程。到一定程度时，虽然汽化和凝结都在进行，但汽化的分子数与凝结的分子数处于动态平衡，这种状态称为饱和态，在这一状态下的温度称为饱和温度。此时蒸汽分子动能和分子总数保持不变，因此压力也确定不变，称为饱和压力。饱和温度和饱和压力的关系一一对应。 二、实验方法与步骤 1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。 2、将调压器指针调至零位，接通电源。 3、将调压器输出电压调至200V，待蒸汽压力升至一定值时，将电压降至30-50V保温（保温电压需要随蒸汽压力升高而升高），待工况稳定后迅速记录水蒸汽的压力和温度。 4、重复步骤3，在0～4MPa（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。 5、实验完毕后，将调压器指针旋回至零位，断开电源。 6、记录室温和大气压力。
四、数据记录 五、实验总结 1. 绘制P-t关系曲线将实验结果绘在坐标纸上，清除偏离点，绘制曲线。
第七章工程热力学综合实验 实验1 二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系的测定 一、实验目的 1. 观察二氧化碳气体液化过程的状态变化和临界状态时气液突变现象，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、饱和状态等基本概念的理解。 3. 掌握二氧化碳的p-v-T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、实验原理 当简单可压缩系统处于平衡状态时，状态参数压力、 间有确切的关系，可表示为： (,,)=0 (7-1-1) F p v T 或 =(,)(7-1-2) v f p T 在维持恒温条件下、压缩恒定质量气体的条件下，测量气体的压力与体积是实验测定气体p-v-T关系的基本方法之一。1863年，安德鲁通过实验观察二氧化碳的等温压缩过程，阐明了气体液化的基本现象。 当维持温度不变时，测定气体的比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。 在低于临界温度时，实际气体的等温线有气、液相变的直线段，而理想气体的等温线是正双曲线，任何时候也不会出现直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近于理想气体的等温线。所以，理想气体的理论不能说明实际气体的气、液两相转变现象和临界状态。
二氧化碳的临界压力为73.87b a r (7.387M Pa )，临界温度为31.1℃，低于临界温度时的等温线出现气、液相变的直线段，如图1所示。30.9℃是恰好能压缩得到液体二氧化碳的最高温度。在临界温度以上的等温线具有斜率转折点，直到48.1℃才成为均匀的曲线（图中未标出）。图右上角为空气按理想气体计算的等温线，供比较。 1873年范德瓦尔首先对理想气体状态方程式提出修正。他考虑了气体分子体积和分子之间的相互作用力的影响，提出如下修正方程： ()()p a v v b R T + -=2 (7-1-3) 或写成 pv bp RT v av ab 3 2 -++-=() (7-1-4) 范德瓦尔方程式虽然还不够完善，但是它反映了物质气液两相的性质和两相转变的连续性。 式（7-1-4）表示等温线是一个v 的三次方程，已知压力时方程有三个根。在温度较低时有三个不等的实根；在温度较高时有一个实根和两个虚根。得到三个相等实根的等温线上的点为临界点。于是， 临界温度的等温线在临界点有转折
2012年热工学实践实验内容 实验3 二氧化碳气体P-V-T 关系的测定 一、实验目的 1. 了解CO 2临界状态的观测方法，增强对临界状态概念的感性认识。 2. 巩固课堂讲授的实际气体状态变化规律的理论知识，加深对饱和状态、临界状态等基本概念的理解。 3. 掌握CO 2的P-V-T 间关系测定方法。观察二氧化碳气体的液化过程的状态变化，及经过临界状态时的气液突变现象，测定等温线和临界状态的参数。 二、实验任务 1．测定CO 2气体基本状态参数P-V-T 之间的关系，在P —V 图上绘制出t 为20℃、31.1 ℃、40℃三条等温曲线。 2．观察饱和状态，找出t 为20℃时，饱和液体的比容与饱和压力的对应关系。 3．观察临界状态，在临界点附近出现气液分界模糊的现象，测定临界状态参数。 4．根据实验数据结果，画出实际气体P-V-t 的关系图。 三、实验原理 1. 理想气体状态方程：PV = RT 实际气体：因为气体分子体积和分子之间存在相互的作用力，状态参数（压力、温度、比容）之间的关系不再遵循理想气体方程式了。考虑上述两方面的影响，1873年范德瓦尔对理想气体状态方程式进行了修正，提出如下修正方程： ()RT b v v a p =-??? ? ?+2 （3-1） 式中: a / v 2 是分子力的修正项； b 是分子体积的修正项。修正方程也可写成 : 0)(23 =-++-ab av v RT bp pv （3-2） 它是V 的三次方程。随着P 和T 的不同，V 可以有三种解：三个不等的实根；三个相等的实 根；一个实根、两个虚根。 1869年安德鲁用CO 2做试验说明了这个现象，他在各种温度下定温压缩CO 2并测定p 与v ，得到了P —V 图上一些等温线，如图2—1所示。从图中可见，当t >31.1℃时，对应每一个p ，可有一个v 值，相应于（1）方程具有一个实根、两个虚根；当t =31.1℃时，而p = p c 时，使曲线出现一个转折点C 即临界点，相应于方程解的三个相等的实根；当t <31.1℃时，实验测得的等温线中间有一段是水平线（气体凝结过程），这段曲线与按方程式描出的曲线不能完全吻合。这表明范德瓦尔方程不够完善之处，但是它反映了物质汽液两相的性质和两相转变的连续性。 2．简单可压缩系统工质处于平衡状态时，状态参数压力、温度和比容之间有确定的关系，可表示为： F （P ，V ，T ）= 0
二氧化碳P、V、T关系的测定 一、实验目的及要求 1．目的 (1)学习在准平衡状态下，测定气体三个基本状态参数关系的方法。 的临界参数。 (2)观察在临界状态附近汽液两相互变的现象，测定CO 2 (3)掌握活塞式压力计及恒温器等仪器仪表的使用方法。 2．要求 (1)牢固树立热力学平衡态的概念，通过实验掌握系统的划分，明确热力学三 个基本状态参数的含义和特性以及它们和平衡态之间的关系。 (2) 能描述临界现象，懂得临界参数的含义。 (3) 充分理解准静态过程、准静功、简单热力系、状态方程和状态参数坐标图。 二、实验原理 在准平衡状态下，气体的绝对压力p、比容v和绝对温度T之间存在某种确定的函数关系，即状态方程 F p v T= (,,)0 理想气体的状态方程具有最简单的形式： = pv RT 实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映p、v、T之间关系的实际气体的状态方程。因此，具体测定某种气体的p、v、T关系，并将实测结果描绘在平面的坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。 因为在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，所以具体测定时有必
要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。 三、实验设备 本实验装置所测定的气体介质是二氧化碳。 整套装置由试验台本体、测温仪表、活塞式压力计和恒温器四大部分所组成，其系统示意图见图一 图一试验台系统图 试验台本体的结构如图二所示。
图二试验台本体 1—高压容器 2—玻璃杯 3——压力油 4——水银 5—填料压盖 空间 10——温度计6—密封填料 7—恒温水套 8—承压玻璃 9—CO 2 它的工作情况可简述而下： 由活塞式压力计送来的压力油首先进入高压容器，然后通过高压容器和玻璃 杯之间的空隙，使玻璃杯中水银表面上的压力加大，迫使水银进入预先灌有CO 2 气体受到压缩。如果忽略中间环节的各种压力气体的承压玻璃管，使其中的CO 2 损失，可以认为CO 气体所受到的压力即活塞式压力计所输出的压力油的压力， 2 气体的其数值可在活塞式压力计台架上的压力表中读出。至于承压玻璃管中CO 2 容积，则可由水银柱的高度间接测出（下面还将详细述及）。 承压玻璃管外还有一个玻璃套管，其上下各有一个接头，分别用橡皮管与恒
《传热学》实验指导书 建筑环境与设备工程教研室
实验一 强迫对流换热实验 一、实验目的 1、了解热工实验的基本方法和特点； 2、学会翅片管束管外放热和阻力的实验研究方法； 3、巩固和运用传热学课堂讲授的基本概念和基本知识； 4、培养学生独立进行科研实验的能力。 二、实验原理 1、翅片管是换热器中常用的一种传热元件，由于扩展了管外传热面积，故可使光管的传热热阻大大下降，特别适用于气体侧换热的场合。 2、空气（气体）横向流过翅片管束时的对流换热系数除了与空气流速及物性有关以外，还与翅片管束的一系列几何因素有关，其无因次函数关系可表示如下： N u =f(R e 、P r 、、 、、、、o l o t o o o D P D P D B D D H /δn) (1) 式中：N u = γ D h ?为努谢尔特数； R e = γm o u D ?= η m o G D ? 为雷诺数； P r = h ν=λ μ?C 为普朗特数； H 、δ、B 分别为翅片高度、厚度、和翅片间距； P t 、P l 为翅片管的横向管间距和纵向管间距；n 为流动方向的管排数； D o 为光管外径，u m 、G m 为最窄流通截面处的空气流速（m/s ）和质量流量 （kg/m 2s ）， 且G m =u m ?ρ。λ、ρ、μ、γ、α为气体的特性值。 此外，换热系数还与管束的排列方式有关，有两种排列方式，顺排和叉排，由于在叉排管束中流体的紊流度较大，故其管外换热系数会高于顺流的情况。 对于特定的翅片管束，其几何因素都是固定不变的，这时，式（1）可简化为： N u =f （R e 、P r ） （2） 对于空气，P r 数可看作常数，故 N u =f （R e ） （3） 式（3）可表示成指数方程的形式 N u =CR e n （4） 式中，C 、n 为实验关联式的系数和指数。这一形式的公式只适用于特定几何条件下的管束，为了在实验公式中能反映翅片管和翅片管束的几何变量的影响，需要分别改变几何参数进行实验并对实验数据进行综合整理。 3、对于翅片管，管外换热系数可以有不同的定义公式，可以以光管外表面为基准定义换热系数，也可以以翅片管外表面积为基准定义。为了研究方便，此处采用光管外表面积作为基准，即： ) (wo a o T T L D n Q h -???= π （5）
天津国土资源和房屋职业学院 课堂教学大纲 课程名称：热工学基础 课程代码： ________ 06030091 ______________ 使用专业：物业设施管理（智能建筑方向） 执笔者： _____________ 瓦超_____________ 系（部）主任签字： _____________________ 制定日期：2014 年 1 月
修订日期：年月
课程代码：06030109 课程类别：职业基础课 总课时数：48 编写日期：2014年1月20日一、适用专业课程名称：热工学基础 适用专业：物业设施管理(智能建筑方向) 执笔人：孟超 审核人：郝江霞 《热工学基础》课程教学大纲 本教学大纲适用于土建类建筑设备类专业，本大纲的教学对象是高职学院物业设施管理专业三年制学生。 二、教学目的和要求 L教学目标 本课程以掌握基本概念为主要目的，立足于工程实际，培养学生认识问题、分析问题、基本解决问题的能力。帮助学生基本掌握热工学基础知识，了解提高其热效率的基本途径和方法，并能应用所学的知识，对简单问题进行计算，为学习专业知识奠定必要的热力分析与热工计算的理论基础和基本技能。 2教学要求 通过学习热工学基础这门专业基础课，应达到下列基本要求： (1)掌握工质气体状态参数、理想气体状态方程，并能进行气体基本热力过程的分析和简单计算； (2掌握热力学第一定律的实质及其能量方程的应用； (3)掌握热力学第二定律的实质和意义； (功掌握卡诺循环及卡诺定律、热泵的理论基础； (5) 了解水蒸气的热力性质及相应的图表，并能应用这些图表进行简单热力过程的分析和计算； (理解气体和蒸汽的节流、气体压缩与制冷循环的基本原理及工程
工程热力学实验一 二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定实验 [实验目的] 1、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。 2、增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。 3、掌握CO2的p-v-t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。 [实验设备及原理] 整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。 图一试验台系统图 试验台本体如图二所示。其中：1—高压容器；2 —玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6 —填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；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： F(p,v,t)=0 或t=f(p,v) （1） 本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定 CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。 实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高 压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2 气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压 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值，由装在压力台上的 压力表读出。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径截面不变等条件来换算 图二实验台本体 得出。 [实验内容] 1、测定CO2的p-v-t关系。在p-v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，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。 2、测定CO2在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，
工程热力学实验指导书 土木工程学院 2009年5月19日
目录 一、气体定压比热测量实验 (3) 二、二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定实验 (6)
实验一气体定压比热测量实验 一、实验目的和要求 1、了解气体比热测定装置的基本设备与测量原理。 2、熟悉本实验中的温度测量、压力测量、热量测量、流量测量的方法。 3、掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。 4、分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。 二、实验装置和原理 实验装置由风机、流量计、比热仪主体、电功率调节及测量系统等四部分组成，如图1所示，比热仪主体如图2所示。
流后流出。在此过程中，分别测定：室温；空气在流量计进口处的干、湿球温度（t 1，t 1w ）；气体经比热仪主体的出口温度（t 2）；每流过10L 空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（W ）；以及实验时相应的大气压（B ）和流量计出口处的表压（Δh ）。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（c pm ）。 气体的流量由调节阀控制，气体出口温度由输入电热器的功率来调节。本比热仪可测300℃以下的定压比热。 三、实验内容 开启风机，调节流量，使它保持在额定值附近。调节电热器的输入功率，根据测得的室温；空气在流量计进口处的干、湿球温度（t 1，t 1w ）；气体经比热仪主体的出口温度（t 2）；每流过10L 空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（W ）；以及实验时相应的大气压（B ）和流量计出口处的表压（Δh ）等数据，并查用相应的物性参数，计算出被测气体的定压比热（c pm ）。 四、实验步骤和数据处理 1、接通电源及测量仪表，将U 型管（测量压力）安装好，将出口温度计插入混流网的凹槽中。 2、开动风机，旋转调节阀，读出每10L 空气通过流量计所需时间（τ，秒），使流量保持在额定值附近。 3、调节电热器功率至某值[可以根据下式预先估计所需电功率：τt W ?≈12，式中：W 为电热器输入电功率（W ）；Δt 为进出口温度差（℃）——可假设从25℃加热到200℃，取n 个间隔，预估出Δt ]；τ为每流过10L 空气所需的时间（s ）]，连续加热进入设备的空气，记录加热后的出口温度。 4、需要记载的数据：室温t 0；比热仪进口干、湿球温度——即流量计的进口温度（t 1，t 1w ，℃）；连续变化的出口温度（t 2，℃）；当时相应的大气压力（B ，mmHg ）和流量计出口处的表压（Δh ，mmH 2O ）；电热器的输入功率（W ，W ）。 5、根据流量计进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 /kg (a ))，并根据下式计算出水蒸气的容积成分： /622 1/622 w d r d = + 6、根据电热器消耗的电功率，可算出电热器单位时间放出的热量（kcal /s ）： 3 4.186810W Q = ? 7、干空气质量流量（kg /s ）为：