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教学实验2006

气体定压比热容实验

指导书

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所谓比热容是指单位物理量的物体温度升高1度所需的热量，简称比热。根据选用计量物量的单位不同，有质量比热、容积比热和摩尔比热之分。通常用质量千克作为计量物量的单位，得到的是质量比热，它的单位是千焦/千克•开（kJ/kg•K）。用符号表示，则
或kJ/kg•K（1）
标准状态下1米3气体温度升高1度所需的热量称作容积比热，单位是千焦/米3•开（kJ/m3•K）用符号表示。
气体的定压比热容是计算在定压变化过程中气体吸入（或放出）的热量的一个重要参数，所以气体定压比热容的测定实验是工程热力学基本实验之一，计算中用到比热及混合气体（湿空气）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，有利于培养分析问题和解决问题的能力。
一、实验目的
了解气体比热测定装置的基本原理和构思。
熟悉本实验中测温、测压、测热、测流量的方法。
掌握由基本数据计算出比热值和比热公式的方法。
分析本实验产生误差的原因及减小误差的可能途径。
二、实验原理
引用热力学第一定律解析式，对可逆过程有：
和（2）
定压时
（3）
此式直接由的定义导出，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：
（４）
则气体的定压比热容可以表示为：
kJ/kg•℃（5）
式中：——气体的质量流量，kg/s；
——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：
（6）
式中、、等是与气体性质有关的常数。例如空气的定压比热容的实验关系式：
kJ/kg•K
式中：——绝对温度，K。
该式适用于250～600K，平均偏差为0.03%，最大偏差为0.28%。
由于比热随温度的升高而增大，所以在给出比热的数值时，必须同时指明是那个温度下的比热。根据定压比热的定义，气体在℃时的定压比热等于气体自温度升高到时所需热量除以，即：

当温度间隔为无限小时，即为某一温度时气体的真实比热。如果已得出的函数关系，温度由至的过程中所需要的热量即可按下式求得：

用逐项积分来求热量十分繁复。但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，即可近似表示为：
（7）
则温度由至的过程中所需要的热量可表示为：
（8）
由加热到的平均定压比热容则可表示为：
（9）
大气是含有水蒸气的湿空气。当湿空气气流由温度加热到时，其中水蒸气的吸热量可用式（8）计算，其中，，则水蒸气的吸热量为：

=kJ/s（10）
式中：——气流中水蒸气质量，kg/s。
则干空气的平均定压比热容由下式确定：
（11）
式中：——为湿空气气流的吸热量。
仪器中加热气流的热量（例如用电加热器加热），不可避免地因热辐射而有一部分散失于环境。这项散热量的大小决定于仪器的温度状况。只要加热器的温度状况相同，散热量也相同。因此，在保持气流加热前的温度仍为和加热后温度仍为的条件下，当采用不同的质量流量和加热量进行重复测定时，每次的散热量当是一样的。于是，可在测定结果中消除这项散热量的影响。设两次测定时的气体质量流量分别为和，加热器的加热量分别为和，辐射散热量为，则达到稳定状况后可以得到如下的热平衡关系

两式相减消去项，得到
kJ/kg•℃（12）
三、实验设备
实验所用的设备和仪器仪表由无油气泵、气体饱和加湿器、湿式气体流量计、流量调节阀、U型压力计、温度测量仪表、比热仪本体、电功率调节及测量系统组成。实验装置系统如图1所示。

图1测定空气定压比热容的实验装置系统
装置中采用湿式气体流量计测定气体流量。流量计上装有温度计及压力计测量空气参数。装置可以采用小型单级无油气泵作为气源设备，并用气体饱和加湿器把气体加湿至饱和状态，其目的一保证湿式气体流量计中水位保持稳定，二是使含湿量的测量及计算简化。气流流量用调节阀调整。
比热容测定仪本体由内壁镀银的多层杜瓦瓶、出口温度计（铂电阻温度计）电加热器和均流网，绝缘垫和混流网组成。气体自进口管引入，进口初始温度由湿式气体流量计上的温度计测量，离开电加热器的气体经均流网均流均温，由出口温度计测量加热终了温度，后被引出。该比热仪可测300℃以下气体的定压比热。

四、实验方法及数据处理
实验中需要测定干空气的质量流量、水蒸气的质量流量、电加热器的加热量（即气流