工程热力学——实验指导书样本

辽宁工业大学土木建筑工程学院实验指导书建筑环境与设备工程专业气体定压比热测定实验指导书（注意本指导书中设计性实验相关提示）气体定压比热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）、流量等基本测量。

本实验所测定的其他为空气。

计算中用到比热及混合其他（湿空气）等方面的基本知识，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，以利于培养分析问题和解决问题的能力。

为培养学生实际动手能力和创造力本实验为设计性实验，请参阅设计项实验提示。

一、 实验要求1、 了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2、 熟悉本实验中的温度、压力、热量、流量的测量方法。

3、 根据实验装置的基本原理和设计性实验方案提示，设计出测定空气定压比热的实验流程，4、 通过改变本设计性实验的测量参数，如改变气体流量大小、电加热功率的大小对实验结果有何影响，并根据已学过的知识解释其原因5、 掌握由测量数据计算出比热值和比热公式的方法。

6、 分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、 实验原理气体的定压比热定义为：P P Th C )(∂∂=…………………………………⑴在没有对外界作功的气体等压流动过程中，则气体的定压比热可以表示为：P P TQm C )(1∂∂=………………………………⑵当气体在此等压过程中由温度1t 加热至温度2t 时，气体在此温度范围内的平均比热值可以由下式确定：℃·/)(1221kg KJ t t m Q C p t t Pm-=…………………………⑶式中：m ——气体的质量流量（kg/S ）p Q ——气体在等压流动过程中的吸热量（KJ/S ）由于实验测定的气体为空气，即测定干空气的定压比热。

空气是含有水蒸气的湿空气。

干空气的吸热量等于湿空气的吸热量减去水蒸汽的吸热量。

当湿空气气流由温度1t 加热到2t 时，其中水蒸汽的吸热量可用下式计算：[]SKJ t t t t m dtt m Q w t t w m /)(000243.0)(844.1)0004886.0844.1(21221221-+-=+=⎰ ……………⑷式中：w m ——气流中的水蒸汽质量（kg/S ） 则干空气的平均定压比热由下式确定：℃·/)()(12'1221kg KJ t t m Q Q t t m Q C m p p t t Pm--=-=………………⑸式中：'p Q ——湿空气气流的吸热量（KJ/S ）三、 实验装置整个实验装置如图1所示，由风机、流量计、比热仪本体、电流表、电压表、调压器及稳压电源等组成。

热能与动力工程专业工程热力学实验指导书编写教师：商福民能源动力学院热工实验室实验一 空气定压比热的测定一、实验目的比热是理想气体十分重要的热力性质。

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。

本实验将通过流通量热法使学生掌握测定空气平均定压质量比热的基本方法，以加深对比热理论的理解，增强热物性实验研究方面的感性认识，促进理论联系实际，培养分析问题和解决问题的能力。

二、实验原理让空气连续而稳定地（即所谓稳定流动）流经一个特制的加热器，在加热器中空气被加热，温度升高，比容变大，流速加快，而压力只有一小部分消耗在摩阻上，当流动阻力相对工质压力而言很小时，若加热器入口压力恒定，则我们就可以近似地认为空气是定压流动。

当空气流速和温度都达到稳定后，若加热器对外热损失很小而忽略不计，则加热器内热源的放热全部被空气吸收（注意：必须是当达到稳定流动时才如此，因为温度等不稳定，说明有一部分热量储存在加热器本体内）。

此热平衡关系可用下式表示：)(1221t t mc Q tt p -=式中：t 1、t 2 —加热器入、出口空气温度，℃；m —空气的质量流量，kg/s ；21tt p c —空气在t 1、t 2范围内的平均定压质量比热，J/(kg·K)；Q —加热器内热源单位时间内的放热，W 。

如上所述21tt p c 待求，而Q 、t 1、t 2、m 大小均可在实验中测出，方法如下：1．t 1、t 2大小由温度计直接读得。

2．111RT V p m =，式中T 1、p 1为加热器入口空气温度T 1=t 1+273.15和绝对压力p 1=p g +p b （Pa ），p g 和p b 大小由U 型管压力计和大气压力计读得（注意单位的统一）。

空气的容积流量V （m 3/s ）大小由流量计上直接读取（m 3/h ）（注意单位的换算）。

3．本实验用的是电加热器，电热源是一只电热丝，因而其放热量Q＝IU（W）。

工程热力学实验指导书目录实验课注意事项 (3)有关从事实验的基础知识 (4)实验—二氧化碳p—v—T关系测定实验 (7)实验二可视性饱和蒸汽压力和温度关系实验 (13)实验三喷管实验 (16)实验四气体定压比热测定实验 (16)实验注意事项1、实践的观点是辩证唯物的认识之第一的基本的观点。

所以对待实验课必须严肃认真。

课前先做预习，明确目的要求。

课内亲自动手，留心观察现象，准确测取数据，及时分析问题，实验结束后，根据材料，进行科学的分析及综合，做出有材料，有观点，有分析，有讨论的精简扼要的实验报告。

2、爱护国家财产，珍惜实验设备，动手操作前先弄清仪器设备的使用方法，不要不懂装懂，乱行启动，以致损坏设备，造成损失，影响教学，非本次实验用的仪器设备，一律不准使用。

3、认真执行的原则，在保证实验质量的前题下，努力降低水电等物质的消耗额。

4、遵守下列安全规定，做好安全工作。

(1)进入实验室后，要严肃认真，不得追逐嬉笑。

(2)不要赤足或穿拖鞋进入实验室，以防触电。

有关从事实验的基础知识一、从事科学实验的基本态度实验人员首先要具有一种最基本的态度即实事求是的态度。

我们这里所说的“实事求是”就是要把实验中所观测到的现象、数据、规律忠实地记录下来，把它们当作第一手的材料来对待，科学推理以实验观测为依据，科学理论要用实验观测来检验，因此记录下来的应该是实际观测到的情况，而不能在任何理由下加以编造，修改或歪曲。

例如某个参数根据理论计算其值应该是100，而在实验中测到只是20的值记录下来，然后再去找原因，而不能用任何其他数字来搪塞。

实验中直接观测到的现象和数字，当然也可能不够准确，也可能有错误，但是某次实验数据不可靠也只能用反复多次的实验来核对，不能够“与书本已有的陈述不符”或“与依据某种理论的计算结果不符”就来修改记录或取消某次记录，对待实验观察必须严肃认真，决不能随便记录某个数字。

二、有关从事实验的基础知识(一)、实验课和重要性实验课在帮助同学们学好本课程的主要内容方面，在培养同学运用理论和实践相结合的方面及独立地从事科学实验的能力方面有极为重要的意义。

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 hc 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 TQM 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)(1221t 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 tt B A dt t t Bt A c+=++=-+=⎰221122121(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。

《工程热力学》实验指导书喷管特性实验一、实验目的1、验证并进一步加深对喷管中气流基本规律的理解，树立临界压力、临界流速和最大流量等喷管临界参数的概念；2、比较熟练地掌握用热工仪表测量压力（负压）、压差及流量的方法；3、明确在渐缩喷管中，其出口处的压力不可能低于临界压力，流速不可能高于音速，流量不可能大于最大流量。

二、实验装置喷管实验台1.进气管2.空气吸气口3.孔板流量计4.U形管压差计5.喷管6.支架7.测压探压针8.可移动真空表9.手轮螺杆机构10.背压真空表11.背压用调节阀12.真空罐13.软管接头渐缩喷管三、实验原理1、喷管中气流的基本规律，来流速度，喷管为渐缩喷管.2、气流动的临界概念当某一截面的流速达到当地音速（亦称临界速度）时，该截面上的压力称为临界压力（）。

临界压力与喷管初压（）之比称为临界压力比，有：当渐缩喷管出口处气流速度达到音速，通过喷管的气体流量便达到了最大值（），或称为临界流量。

可由下式确定：式中：—最小截面积（本实验台的最小截面积为：19.625 mm2）。

3、气体在喷管中的流动渐缩喷管因受几何条件的限制，气体流速只能等于或低于音速（）；出口截面的压力只能高于或等于临界压力（）；通过喷管的流量只能等于或小于最大流量（）。

根据不同的背压（），渐缩喷管可分为三种工况：A—亚临界工况（），此时m<,B—临界工况（），此时m=,C—超临界工况（），此时m,四、操作步骤1、用“坐标校准器”调好“位移坐标板”的基准位置；2、打开罐前的调节阀，将真空泵的飞轮盘车一至二圈。

一切正常后，全开罐后调节阀，打开冷却水阀门。

而后启动真空泵；3、测量轴向压力分布：用罐前调节阀调节背压至一定值（见真空表读数），并记录；然后转动手轮，使测压探针向出口方向移动。

每移动5mm便停顿下来，记录该点的位置及相应的压力值，一直测至喷管出口之外；4、流量的测量：把测压探针的引压孔移至出口截面之外，打开罐后调节阀，关闭罐前调节阀，启动真空泵，然后用罐前调节阀调节背压，每次改变50mmHg柱，稳定后记录背压值和U形管差压计的读数。

工程热力学课程实验指导书兰州理工大学2006年6月实验1空气定压比热测定实验指导书一、实验目的1.掌握气体比定压热容的测量原理及其操作方法；2.掌握本实验中测温、测压、测热、测流量的方法；3.掌握由基本数据计算比热值的方法；4.分析实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。

二、实验装置如图1.1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1.2所示，由多层杜瓦瓶、电热器、均流阀、绝缘垫、旋流片、混流网、出口温度计等组成。

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200℃以下气体的定压比热。

图1.1 比热仪全套装置图1.2 比热仪主体三、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，其平均定压比热可以由下式确定：21,21|()ptp m tmQcq t t=-J／(kg.℃)式中：Q p－湿空气在定压加热过程中的吸热量J／sq m－湿空气的质量流量kg／s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Q v时，干空气的定压比热可由下式确定：21,,21|()p v t pm a t m a Q Q c q t t -=- J ／(kg.℃)式中： Q p －湿空气在定压加热过程中的吸热量 J ／s Q v －水蒸气的吸热量 J ／s q m ，a －干空气的质量流量 kg ／s由1t 加热到2t 的平均定压比热则可表示为：()212112,212t t t p m t a bt dt t t ca bt t ++==+-⎰ 若以（t 1+t 2）/2为横坐标，21,t p mt c 为纵坐标，如图3所示，则可根据不同温度范围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。

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…………………………………………………………二、二氧化碳临界状态观测及关系测定实验………………………………实验一气体定压比热测量实验一、实验目的和要求、了解气体比热测定装置的基本设备与测量原理。

、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。

、掌握由基本数据计算出比热值和求得比热公式的方法。

、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，如图所示，比热仪主体如图所示。

经比热仪主体的出口温度（）；每流过10L空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（）；以及实验时相应的大气压（）和流量计出口处的表压（Δ）。

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（）。

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℃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（，）；气体经比热仪主体的出口温度（）；每流过10L 空气所需的时间（τ）；电热器的输入功率（）；以及实验时相应的大气压（）和流量计出口处的表压（Δ）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（）。

四、实验步骤和数据处理、接通电源及测量仪表，将型管（测量压力）安装好，将出口温度计插入混流网的凹槽中。

、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。

、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：为电热器输入电功率（）；Δ为进出口温度差（℃）——可假设从℃加热到℃，取个间隔，预估出Δ]；τ为每流过10L 空气所需的时间（）]，连续加热进入设备的空气，记录加热后的出口温度。

《工程热力学》课程实验指导书实验一空气绝热指数测定一、实验目的1、测定空气的绝热指数K和空气的比热C p和C V2、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；3、演示刚性容器充放气过程的热过程现象二、实验装置及原理空气绝热指数测定装置如图所示，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压力P1，压力稳定后，突然打开阀门5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平衡后容器中空气压力P3。

三、实验方法与步骤1、测试前的准备1）将阀门5的锥形塞拔出，抹上一些真空油，以改善阀门的密封性能。

抹油后安装就位并拧紧。

2）在阀门5开放的情况下（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120～150mm左右的水柱高。

水柱内应不含气泡。

如有气泡，应设法排除。

3)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上。

2、测试步骤1）记录U型空压计初始读数h0。

2）关闭阀门5，把容器拧紧。

3）用气囊往有机玻璃容器内缓慢充气，容器内的压力由U型压力计的水柱差显示。

此时的压差150～200mm水柱为宜。

待压力稳定后，记录下此时的压差值△h。

4）突然打开阀门5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的气压。

记录此时的压差值△h2.5）持续1～2小时后，待容器内空气的温度与测试现场的大气温度一致时，记下此时容器内空气压力的压力差△h36）一般要求重复三次测试，取其测试结果的平均值。

四、实验注意事项1、气囊往往要漏气，充气后必须用夹子将胶皮管夹紧。

2、在测试过程，测试现场的温度要求保持基本恒定。

不然，很难测出可靠的数据。

五、实验报告及要求1、按照原始数据求出k值。

2、分析影响测试结果的因素。

喷管压力流量变化规律实验一、实验目的1、巩固和验证气流在喷管中流动的基本原理，熟悉不同形式喷管的机理。

2、了解气流在喷管中流速、压力、流量的变化规律及测试方法。

3、加深对临界状态基本概念的理解。

二、实验原理1、喷管中气体流动的基本规律在亚音速等熵流动中，气体在渐缩管里，速度增加，而压力、密度降低；在渐扩管里，速度减小而压力、密度增大。

在超音速等熵流动中，情况正好与亚音速流动的特点相反，气体在渐缩管中速度减小而压力、密度增大，在渐扩管中速度增加，压力、密度减小。

因此要想获得超音速气流，就必要使亚音速气流首先在渐缩管中加速，当气流被加速到音速，即达到临界状态时，就要改用渐扩管，以使气流继续加速到超音速。

2、喷管中流量的计算根据气体一元稳定等熵流动的连续方程、能量方程、绝热气体状态方程、等熵过程方程，得到气流在喷管中流量m 的表达式为：由式（1）可以看出：当P 2=P 0时，m=0；因此，只有在0＜P 2≤P c ，渐缩喷管的出口压力或缩放喷管的喉部压力达到临界压力时，喷管中的流量m 将存在最大值m max ，计算如下：很显然，满足式（2）的P 2即为临界值P c 。

对应于该截面上的气流速度W 2将达到音速a 。

将k=1.4代入（2）式得：P 2=P c =0.528P 0 （3） 将式（2）代入（1）式得m max 的表达式为：）（1/12102202002222s kg p p p p v p k k f v w f m k k k ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-==+）（，得令21201022-⎪⎭⎫⎝⎛+==k kk p p dp dm喷管中的实际流量前面（1）（4）式给出理想流动的流量表达式，实际上，由于气流与管壁的摩擦所产生的边界层，减少了流动截面积。

因此，实际流量是小于理论流量的。

二者之比称为流量系数。

本实验台是采用锥形入口孔板流量计来测量喷管的实际流量。

根据孔板流量计上所测量的压差△P （在U 形管压差计上读出），求得流量m 与压差△P 的关系表达式：）（510373.14εβγ⨯∆⨯=-P m 式中：γ几何修正系数（标定值，本实验条件下可取为1）△P 为U 形压差计读数（mmH 2O ），Pa 为大气压，ta 为大气温度。

《工程热力学》实验指导书赵文彬实验一 气体定压比热容测定实验一、实验目的1、了解气体比热测定装置的基本原理和构思。

2、熟悉实验中测温、测压、测热、测流量的方法。

3、掌握由基本数据计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、实验原理引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有：pdv du q +=δ 和 vdp dh q -=δ 定压时0=dppp T h dT vdp dh dT q c ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛=δ 此式直接由p c 的定义导出，故适用于一切工质。

在没有对外界作功的气体的等压流动过程中：p Q mdh δ1=则气体的定压比热容可以表示为：()1221t t m Q c p t t pm-=kJ/kg •℃式中：m ——气体的质量流量，kg/s ；p Q ——气体在等压流动过程中的吸热量，kJ/s 。

由于气体的实际定压比热是随温度的升高而增大，它是温度的复杂函数。

实验表明，理想气体的比热与温度之间的函数关系甚为复杂，但总可表达为：+++=2et bt a c p式中a 、b 、e 等是与气体性质有关的常数。

在离开室温不很远的温度范围内，空气的定压比热容与温度的关系可近似认为是线形的，假定在0-300℃之间，空气真实定压比热与温度之间进似地有线性关系：bt a c p +=则温度由1t 至2t 的过程中所需要的热量可表示为：()dt bt a q t t ⎰+=21由1t 加热到2t 的平均定压比热容则可表示为：()221122121t t ba t t dtbt a ct t t t pm ++=-+=⎰ 若以（t 1+t 2）/2为横坐标，21t t pmc 为纵坐标（如下图所示），则可根据不同温度范围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bt a +。

大气是含有水蒸气的湿空气。

当湿空气气流由温度1t 加热到2t 时，其中水蒸气的吸热量可用式下式计算：()dt t m Q t t w w ⎰+=210001172.0844.1式中：w m ——气流中水蒸气质量，kg/s 。