1、工 程 热 力 学 实 验 指 导 书 许思传 同济大学汽车学院 二一二年三月实验：喷管中气体流动特性实验 .543一、实验目的 3二、实验原理 3三、实验装置 3四、实验步骤 4实验：空气比定压热容测定实验 .7一实验目的 7二. 实验装置和原理 7三.实验步骤和数据处理 .8四注意事项 10实验：真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验 .11一实验目的 11二实验装置 11三实验步骤 12四数据记录及计算结果 13五、注意事项 14实验：二氧化碳 pvT 关系的观察和测定 15一实验目的 15二实验原理 15三实验装置 17四实验步骤 19五、实验数据的整理 19六、实验报告 20
2、七、注意事项 20实验：可视性饱和蒸汽温度和压力关系实验 .21一实验目的 21二实验装置 21三实验方法与步骤 21四实验结果整理 22五注意事项 22实验：空气绝热指数测定实验 .23一实验目的 23二实验装置及测试原理 23三实验方法及实验步骤 24四、实验数据处理 24五测试结果分析 25六注意事项 25实验：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
3、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，可得如图1-2 所示的压力曲线。这组曲线表明，渐缩喷管内任何截面上的压力都不会低于临界压力。当
4、背压低于临界压力时，气流在喷管外发生突然膨胀，压力降低到背压。（4 ）调节背压，使 / 1 开始逐渐降低，流量相应自零开始逐渐增大。当bP/p1= r/p1 时，流量达最大值。以后再继续降低时，流量保持不变。这说明气流在喷管bPc中达到了最大流量，见图 1-3。四、实验数据0 1 2 3 4 pb pcp(pb=pc) 0.076 0.0645 0.042 0.0405 0.0395 0.058 0.06p(pbpc) 0.087 0.0645 0.0365 0.0365 0.0365 0.0635 0.054五Matlab 拟合曲线渐缩喷管压力曲线由于流量只有 3 组数据，无法很好的拟合出喷
5、管的流量曲线，理论曲线如下图六实验注意事项1.在关闭真空泵之前，务必先关闭真空泵阀门，以免冷却水倒灌入真空罐。0.528实验：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
6、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（t a,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（t 1,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（P b）和流量计出口处表压力（p g） 。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（c P） 。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。 主 20V主20V主主h主-1 主三.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
7、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： 12 .式中：W 为功率表读数（W） ； t 为比热仪进出口温t度差（） ； 为每流过 10 升空气所需时间（s ） 。冷 空 气热 空 气图 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（t 1）和出口温度（t 2） ；当时相应的大气压（p b） ；流量计出口处的表压(p g，由 mmH2O 换算成 pa)；干球温度 t1、湿球温度
8、 tw、相对湿度 加热功率，即功率表读数（W） ；=180s t1 =15C t2 =39Cpb=100.04mmH2O pg=11kPa t1 =15C tw =10C =39%W=3.67W5.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：查图：d=2.5g/kg(a)=0.4%62/1dyv则干空气的摩尔成分为: ya=1-yv=99.6%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：=3.67 WQ7.干空气质量流量为：= kg/samTRVpqabgTpy/10)(34.5108.水蒸气质
9、量流量为：= kg/svvm, vbgy5.461/)(312.9.水蒸气定压比热容的经验公式为：cp,v=1844+0.4886tv =1982.27 J/（kg.K）水蒸气吸收的热量为：Qv=qm = J/sdtt )486.01(261.34010.干空气的定压比热容为： =999.5 J/(kg K)(,12,tqaCpmA)(12,tqQamV11 空气的定压比热容为niicw1=waca+wvcv =1003.4 J/（kg.K）12.比热随温度的变化关系假定在 0150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 ：12)(tdbaCptm
10、因此，若以 为横座标，C pm 为纵座标（图 2-3） ，则可根据不同温度范围内的平21t21t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。1.05982kJ/gtCpm0150t+2C0图 -3 比 定 压 热 容 随 温 度 的 关 系四注意事项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
11、适量的水实验：真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验一实验目的1、通过观察饱和蒸汽压力和温度变化的关系，加深对饱和状态的理解，从而树立液体温度达到对应于液面压力的饱和温度时，沸腾便会发生的基本概念。2、通过对实验数据的整理，掌握饱和蒸汽 PT 关系图表的编制方法。3、学会温度计、压力表、调压器和大气压力计等仪表的使用方法。4、能观察到小容积和金属表面很光滑（ 汽化核心很小）的饱态沸腾现象。二实验装置实验装置如图 3-1 所示图3-1 真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验装置示意图1、压力表，2 、排气阀，3 、缓冲器，4 、可视玻璃及蒸汽发生器，5、电源开关，6 、电功率调节
12、，7、温度计（0300） ，8、可控数显温度仪，9、电压表三实验步骤1、熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能。2、将电功率调节器调节至电压表零位，然后接通电源。3、将调压器输出电压调至200220V，待蒸汽压力升至一定值时，将电压降至 2050V 保温，待工况稳定后迅速记录下水蒸气的压力和温度。重复上述实验，在01Mpa（表压）范围内实验不少于6次，且实验点应尽量分布均匀。4、实验完毕后，将调压器旋回零位，并断开电源。5、记录室温和大气压力。四数据记录及计算结果1测量的数据列表 3-1 所示。表 3-1 测量数据表饱和压力bar 饱和温度 误差 备注实验次数 压力表读书P大气压B绝对压力P=
13、P+B温度计读数t理论值t= 100%1 1.0 1.01325 2.01325 116.4 120.40 4.00 3.32%2 2.0 1.01325 3.01325 130.2 133.43 3.23 2.42%3 3.0 1.01325 4.01325 142.1 143.50 1.40 0.98%4 4.0 1.01325 5.01325 150.7 151.81 1.11 0.73%5 5.0 1.01325 6.01325 157.6 158.85 1.25 0.79%6 6.0 1.01325 7.01325 163.9 164.81 0.91 0.55%2、绘制Pt关系曲线：
14、将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。图 3-2 实验结果曲线图3、总结经验公式：将实验曲线绘制在双对数坐标纸上，则基本呈一直线，故饱和水蒸气压力和温度的关系可近似整理成下列经验公式： = 1004p图 3-3 经验公式曲线图4、误差分析：通过比较发现测量比标准值低1%左右，引起误差的原因可能有以下几个方面：（1） 读数误差。（2） 测量仪表精度引起的误差。（3） 利用测量管测温所引起的误差。五、注意事项1、实验装置通电后必须有专人看管。2、实验装置使用压力为 1MPa（表压），切不可超压操作。3、加热过程中，箱体上方的金属管温度很高，严禁触碰。实验：二氧化碳 pvT 关系的观察和测定一
15、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 pvT 关系（在 pv 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 41 二氧化碳 pvT 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 pv 图上，可得到如图 41 所示的二氧化碳 pv T 关系曲线。当温度低于临界
16、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 pv 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。三实验装置图 42 实验装置系统1、压缩室本体 2、活塞式压力计 3、恒温器图 43 压缩室本体示意图1、玻璃毛细管 2、水银室 3、压力油室 4、温度计 5、恒温水套 实验所用的设备和仪器仪表有压缩
17、室本体、恒温器、压力表、温度计和活塞式压力计等。实验装置系统如图 4-2 所示。气体的压力由活塞式压力计 2 的手轮来调节。压缩气体时，缓缓转动手轮以提高油压。气体的温度由恒温器 3 给水套供水而维持一定，并由水套内的温度计读出。压缩气体的压缩室本体由一根预先刻度并封有二氧化碳气体的玻璃毛细管和水银室组成，如图 4-3 所示。玻璃毛细管 1 插入水银室 2 中，之后，再打开玻璃管下口。实验时，缓缓恒温水套转动活塞式压力计 2 的手轮，逐渐增大压力油室 3 中的油压，使毛细管中的水银面缓缓上升，压缩毛细管内的二氧化碳气体。二氧化碳气体的体积可由毛细管上的刻度读出。玻璃恒温水套 5 用以维持毛细管
18、 1 内气体温度不变的条件，并且可以透过它观察气体的压缩过程。四实验步骤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
19、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
20、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。五、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） 顶尖高度（mm ）液面高度（mm）汞柱高度（mm）液态体积（mm）5.
21、85 365 355 335 205.5 365 331 316 155.4 365 285 280 5表 4-1 温度 16.7C 时液态体积查表 P=5.85MPa，t=16.7 C，=0.001223V=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）0.0513g2、用表格方式列出实验所得的二氧化碳 pvT 关系的数据。3、在 pv 图上画出测定的一组或几组等温线，并标明临界状态点。二氧化碳 P-v-T 图绘制1） 温 度 为 18.8 度P（MPa） 汞柱高度（mm） 比体积（m/kg）3 96 0.0183843.5 142 0.0271934 17
22、8 0.0340874.5 213 0.04078955 238 0.0455775.5 262 0.0501736 318 0.0608976.25 338 0.0647276.5 339 0.06491856.75 340 0.065117 341 0.06530152） 温 度 为 31.1 度P（MPa） 汞柱高度（mm） 比体积（m/kg）3 72 0.0191523.5 121 0.0321864 163 0.0433584.5 192 0.0510725 215 0.057195.5 237 0.0630426 255 0.067836.25 265 0.070496.5 272
23、 0.0723526.75 280 0.074487 288 0.0766083） 温 度 为 36.1 度P（MPa） 汞柱高度（mm） 比体积（ m/kg）3 65 0.01953.5 117 0.03514 155 0.04654.5 185 0.05555 210 0.0635.5 231 0.06936 247 0.07416.25 257 0.07716.5 264 0.07926.75 272 0.08167 279 0.0837六实验结论与思考这次实验误差很大，和理论值相差一个数量级，有以下几个几个问题：1）水银室的横截面积提供，只能对于的质量做估计计算；2）由于实验时间紧张，
24、加压过程迅速，而且没有留下足够的时间让二氧化碳平衡，然后再开始测量数据，这样导致我们的测量数据不准确。思考题：实验中为什么要保持加压（或降压）过程缓慢进行？保持加压（或降压）过程缓慢进行才能保证过程为准静态过程，让二氧化碳平衡，同时防止二氧化碳进入油室，否则在液化不充分时测量的数据就没有太大的参考价值。实验：可视性饱和蒸汽温度和压力关系实验一实验目的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 PT 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
25、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 3050 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 01Mpa 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。图 5- 实 验 装 置 示 意 图电 接 点 压 力 真 空 表电 压 表 电 源缓 冲 器温 度 计蒸 馏 水四实验结果整理1 根据记录的数据，在座标纸上绘制 pT 实验曲线。2 将实验结果与教材相对照，验证饱和蒸汽的 pT 关系。在直角坐标系中绘图得在对数坐标中绘图得，基本可以认为是直
26、线饱和压力 饱和温度表压力/Mpa 绝对压力/Mpa 温度计示数/ 理论值/ 误差0.118 0.218 118.1 122.833 3.85%0.220 0.320 133.2 135.69 1.83%0.319 0.419 144.2 145.20 0.69%0.402 0.502 150.9 152.01 0.73%0.519 0.619 159.6 160.03 0.27%0.614 0.714 164.0 165.75 1.06%0.715 0.815 169.5 171.19 0.99%0.802 0.902 174.2 175.48 0.73%5 误差分析 通过比较发现测量比标准
27、值低 1%左右，引起误差的原因可能有以下几个方面：1 读数误差2 测量仪表精度引起的误差。3 利用测量管测温所引起的误差。六、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。p/MPaT/实验：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
28、是用于测定比热容比的。气囊有机玻璃容器阀门 2U 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=( 12)状态方程： p11=1p22=2p33=3其中： 3=2 3=1所以：p2p1=(p3p1)k=lnp2p1lnp3p
29、1 =因为： cp=+所以： =1 =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12小时，待容器内空气
30、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 = 10306 mmH2O大气温度ta = 6 P1 = P a + h1=10456 mmH2OP2 = Pa + h2=10339 mmH2OP1 = P a + h3=10312.66 mmH2O空气绝热指数：k=lnp2p1lnp3p1 =1.35空气定容比热：= 1 = 23.76/()空气定压比热：=1=32.07/()大气压力Pa = 10306 mmH2O大气温度ta = 6 P1 = P a + h1=10451 mmH2OP2
31、 = Pa + h2=10341 mmH2OP1 = P a + h3=10314 mmH2O空气绝热指数：k=lnp2p1lnp3p1 =1.32空气定容比热：= 1 = 25.99/()空气定压比热：=1=35.08/()大气压力Pa = 10306 mmH2O大气温度ta = 6 P1 = P a + h1=10466 mmH2OP2 = Pa + h2=10341 mmH2OP1 = P a + h3=10313.5 mmH2O空气绝热指数：k=lnp2p1lnp3p1 =1.36空气定容比热：= 1 = 23.1/()空气定压比热：=1=31.18/()五测试结果分析1、分析影响测试结果的因素。（1）环境中大气温度及压力的波动;（2）设备存在误差，例如：漏气；（3）操作存在误差，例如：开关阀门不够迅速；（4）只做了一次实验，无法通过取平均值来减少误差。2、讨论测试方法存在的问题。在突然打开阀门 2，并迅速关闭的过程中，有造成一定的误差。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。
