工程热力学实验报告 .docx

工程热力学卖睑报告车辆工程（汽车）参与实验：实验三观摩实验：实验一、二、四、六目录工程热力学实脍报告1实验I：喷管中气体流动特性实验3一、实验目的3二、实验原理3三、实验装置3四、实验步骤4五、实验数据及MatIab拟合图像4六.注意事项6实验II：空气定压比热容测定实验6一 .实验目的6二 .实验装置和原理7三 、实验数据及处理7四.实验结论与分析9实验III：真空条件下水蒸汽饱和蒸汽压及汽化潜热的测定实验10一 .实验目的10二 .实验原理10.实验装置10四 .实验步骤11五 .数据记录及计算结果11六、注意事项13七 .实验结论13八 .实验心得13实验IV：二氧化碳P-VT关系的观察和测定14一 .实验目的14二 .实验原理14三 .实验装置15四 .实验步骤17五 .实验数据及图表17六 、实验结论及讨论20实验VI：空气绝热指数测定实验20七 .实验目的20八 .实验装置及测试原理20九 .实验方法及实验步骤21十 实验数据处理22十一 测试结果分析23实验I：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一轴向位移曲线和流量一背压曲线。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、实验装置实验装置如图所示图实验装置示意图喷管各截面的压力和背压，由真空表测定，流量由U型压差计测定。四、实验步骤1通过渐缩喷管试验台，绘制压力一位移曲线及流量一背压曲线。（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。（4）调节背压，使8/4=1开始逐渐降低，流量相应自零开始逐渐增大。当Pmpi=PcJpi时，流量达最大值。以后再继续降低时，流量保持不变。这说明气流在喷管中达到了最大流量。2 .在缩放喷管试验台上，同样绘制上述两种曲线。（1）调节背压，使其大于、等于及小于设计值。（2）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。在这组曲线中，可以看到气流在管内充分膨胀、膨胀不足以及膨胀过度的现象。而且压力发生突变的位置随背压的提高向最小截面移动。（3）重复1中（4）步骤，可得不同工况下缩放喷管的流量曲线。这里也同样出现最大流量现象，但其最高背压将不同于渐缩喷管的最高背压。五、实验数据及MaHab拟合图像1、渐缩喷管Pc=0.533Mpa00.511.522.533.5Pb(0.0476Mpa)<Pc0.0970.09650.09550.09150.0840.07150.05950.0520Pb=Pc0.0970.09650.0950.0910.0840.07250.05950.054Pb(0.06Mpa)>Pc0.09750.0970.09550.0860.0820.07050.0650.062CJiaI/QW等黝戛IQ流量曲线理论图像为图1-3渐缩喷管流量曲线2、渐缩渐扩管Pc=0.533Mpa00.511.522.53Pb(0.0476Mpa)<Pc0.040.03450.02650.02450.0370.0450.0455Pb=Pc0.03950.0350.0290.04350.04650.050.0525Pb(0.06Mpa)>Pc0.040.03550.04350.04750.05150.05450.05753.0103mkgsOIllllllllllU0.20.40.60.81.0pb/pl图1-5缩放喷管流量曲线流量曲线理论图像为六.注意事项L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。2 .所有读数均为真空度读数，实际压力为大气压力减去真空度。3 .由于控制背压读书会比较困难，宜在指针相对稳定转动的时候读取中间值。实验II：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：1一多层杜瓦瓶，2电加热器，3均流网，4一绝缘垫，5一旋流片，6混流网，7一出口温度计。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。在此过程中，分别测定气体在流量计出口处的干、湿球温度（ta,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（tt2）;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（Pb）和流量计出口处表压力（pg）。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（Cp）。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。图2-1比热仪全套装置图三、实验数据及处理1 .实验数据记录实验数据记录：1234567T(三)48.147.3531.331.350.55050进口温度tl1514.91414151414出口温度t225.635.343.859.188.9107.8125.2大气压Pb(Pa)99350993509960099600993009930099300表压Pg(InmH20)44.54539.539.5525353表压Pg(Pa)436.3959441.2993387.3627387.3627509.9458519.7525519.7525干球温度tl(C)17171717171817.5湿球温度twCC)12.512.51212121313相对湿度W51%51%56%50%50%44%48%|加热功率N(W)4.979.4513.723.233.333.1392 .实验数据处理:根据以下公式：水蒸气的摩尔成分：yv干空气的摩尔成分为:J/6221+J/622ya=l-yv加热器单位时间放出的热量：Q=WW干空气质量流量为:P,Y /仇+ 4)ll°"kg/s也学占产户/曰4plVyv(p+ph)×l×l3水蒸气质11G里为：qm=kg/sRJv461,5x7；,水蒸气定压比热容的经验公式：cp,v=1844+0.4886tvJ/(kg.K)水蒸气吸收的热量为：QV=qr2(1844+0.4886OJfJ/sJrl干空气的定压比热容为：Cp,a=_&=QQvJ(kgK)a-0qm*2-h)空气的定压比热容为：C=ZVVE=WaCa+WvCvJ/(kg.K)计算得到:计算：1234567水蒸气摩尔成分yv湿量d7.267.266.756.756.757.367.570.010736 0. 011694 0. 0120240. 989264 0. 988306 0. 9879760.000236 0. 000239 0. 0002391. 6E-06 1. 76E-06 1. 81E-060. 220425 0. 309642 0. 3782861893. 308 1460.146 1451. 1910.0115370.0115370.0107360.010736干空气摩尔成分ya0.9884630.9884630.9892640.989264干空气底量流量qma(kgs)0.0002480.0002520.0003830.000383水蒸气底量流量qj11y(kgs)1.8E-061.83E-062.59E-062.59E-06干空气定压比热容 Cp,a(J(kgK)1877. 425 1824. 835 1186.3571328. 93水蒸气帔收热量QV(Js)0.035370.0692640.1432970.217305水蒸气定压比热容Cp,v(J(kgK)水蒸气质量成分WV1852.3060.0071691852.3060.0071691852.3060.006671852.3060.006671852.3060.006671852.7950.0072661852.5510.007471午空气质量成分Wa空气定压比热容Cp(J(kgK)0.9928311877.2450.9928311825.0320.993331190.7990.993331332.4210.993331893.0340.9927341462.9990.9925291454.190.5*(tl+t2)20.325.128.936.5551.9560.969.6以号为横座标，CPml，为纵座标，做出平均比热随温度的变化关系如图:2000o$1600丁；1400宾，.一G1426«÷1OS924121000SOOOIO203040SO607005(tl*t2X图中第1、2、5组数据偏离线性较大，可能是数据测量错误，故舍去。以其他组数据计算得到平均比热随温度变化的计算式为：Cpm=1059.2+6.1426y四.实验结论与分析1 .实验结论当排除误差数据后，空气平均定压比热近似随温度线性变化：Cpm=1059.2÷6.1426-2 .误差分析(1)此次实验8组数据由4个小组每组测定两组数据，可能存在部分小组未等到出口温度稳定就测了数据，造成误差较大。(2)某一小组一直无法获得稳定数据，即不改变加热器功率出口温度也会来回跳动，造成实验结束时仍无法测得第二组数据。推测实验装置存在问题。(3)本组的流量计存在漏水现象，可能也会对实验结果造成影响。(4)各组所读干、湿球温度和相对湿度差异较大，可能存在读数误差或实验过程中实验条件受其他实验影响而发生变化。实验11L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.实验原理通过加热水得到饱和水蒸气，再通过减少加热功率至某一恒定值，当加热功率与散热功率相等时，温度保持不变，测量此时的水蒸气的温度和压力即为饱和水蒸气压力与温度。三.实验装置实验装置如图3-1所示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，7、温度计(0-300),8、可控数显温度仪，9、电压表四.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。IMPa(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。五.数据记录及计算结果1.测量的数据列表3-1所示。表3-1测量数据表实验次数饱和压力bar饱和温度误差备注压力表读书P'大气压B绝对压力P=P'+B温度计读数t，理论值tt=t,-1tT×100%12.21.023.22135135.5-0.50.37%22.81.023.82141.1141.9-0.80.56%33.41.024.42146.2147-0.80.54%44.31.025.32152.6154.1-1.50.97%55.21.026.22158.9160.3-1.40.87%66.51.027.52168.3168.10.20.12%2、绘制P-t关系曲线：将实验结果点在坐标上，清除偏离点，绘制曲线。实验结果曲线示意图Oooooooo 98765432 1 1 1 1 1 1 1 1UJlmN果357911气压值/bar-实际测量值-理论值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：t=IoO正经验公式曲线示意图4 2 2 8 62 2 Z.1.12 2 2 2照安旭娟14ZO.-12Z压力对数4、误差分析：通过比较发现测量比标准值低1%,引起误差的原因可能有以下几个方面:（1）压力表读数误差。（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。（4）等待过程中，温度没有完全稳定下来。六、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IMPa（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。七.实验结论1 .饱和水蒸气温度随压力升高而升高。2 .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：t=lOOp八.实验心得饱和水蒸气的温度和压力是对应关系，只需要这两个独立参数就可以得到饱和水蒸气的平衡状态图，从而描述工质的状态和分析变化的过程，从而可以得出P-T图。饱和是一个动态平衡的过程，当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，水蒸气达到饱和状态。而液体的饱和蒸气压与液体的温度存在正相关关系，若当前温度下饱和蒸气压与外界相同，沸腾就会发生。在等待稳定温度和压力的过程中，水蒸气的温度会持续而缓慢降低，到达饱和蒸汽状态时温度会在小范围内上下跳动，然而并不是只有在饱和状态时温度会上下波动，在整个实验过程中，由于水蒸气分子紊乱的热运动或者实验仪表的示数误差，也可能在未饱和状态下产生温度的小范围上下波动。因此，在判断水蒸气是否达到饱和状态时，一定要等到温度示数长时间保持一个稳定值才可以将其视作饱和温度值。记录每一组饱和状态参数时必须记录当时的大气压力值，保证绝对压力值准确。因为六组数据得出的过程中经历时间较长，多则达数小时，所以大气压力可能会发生一定的变化,所以一定要分别记录六次的大气压值。实验IV：二氧化碳P-V-T关系的观察和测定一.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p-V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)=O或V=/(p,T)图41二氧化碳pyT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py图上，可得到如图41所示的二氧化碳一口一r关系曲线。当温度低于临界温度（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己完全消失，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,临界温度为31.1°C。在P-U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48.1C才成为均匀的曲线。三.实验装置图4-2实验装置系统1、压缩室本体2、活塞式压力计3、恒温器图4-3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及对应的二氧化碳体积匕压力间隔一般可取05Mpa,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X3、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)O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几在临界状态附近压力间隔应小些，可取O.O5Mpa0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%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L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.实验数据及图表1、实验数据记录:t()25.7p(MPa)2.02.53.03.54.04.55.05.56.06.2h(mm)97156198226248266281293304309p(MPa)6.46.66.87.07.17.27.37.47.57.6h(mm)312316322330340344346348349349t()30.4p(MPa)2.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0h(mm)6417194115138153168182195p(MPa)4.24.44.64.855.25.45.65.86.0h(m)205215225232240249255262268273p(MPa)6.26.46.66.877.27.47.67.88.()h(mm)279285290295301308313321332339p(MPa)8.28.48.5h(mm)341341342t()50.3p(MPa)2.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0h(mm)2187130162187208225238251262p(MPa)7.37.57.88.08.18.28.38.48.5h(mm)2682722772812822832852862882、计算质面比常数左：即毛细管中二氧化碳的质量小与截面积A之比。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=30.4,压力为0=&2MPa,再在下表4-1中查找出在相同温度、压力下二氧化碳液体的比容的数据测定该实验台C02在上述状态下的液柱高度，记为A=(m)；由比容的定义及尸(Pir)=°,有AA*XA,.*T=20、p=100atmR',V0=0.001407(m3kg)m*A 0.001407=17. 058 (kgm2)则任意温度、任意压力卜，C02的比容为V=tn"k(n3kg)式中=W-4为任意温度压力下二氧化碳液柱的高度,h-任意温度压力下水银柱的高度；承压玻璃管内径顶端刻度。3表4-1二氧化碳液体比容umkg的部分数据压力pMPa温度t01020304.0530.0010695.066250.0010590.0011476.07950.0010500.0011290.0012768.1060.0010350.0011010.0012120.00140710.13250.0010220.0010860.0011700.0012902、用表格方式列出实验所得的二氧化碳p-vT关系的数据。T(K)298.85P(MPa)2.02.53.03.54.04.55.05.56.06.2V(m3kg)0.01570.01230.00980.00810.00690.00580.00490.00420.00360.0033P(MPa)6.46.66.87.07.17.27.37.47.57.6v(m3kg)0.00310.00290.00250.00210.00150.00120.OOll0.00100.00090.0009T(K)303.55P(MPa)2.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0V(m3kg)0.02100.01900.01720.01590.01470.01330.01240.01150.01070.0100P(MPa)4.24.44.64.85.05.25.45.65.86.0V(m3kg)0.00940.00880.00820.00780.00730.00680.00640.00600.00570.0054P(MPa)6.26.46.66.87.07.27.47.67.88.0V(m3kg)0.00500.00470.00440.00410.00380.00330.00300.00260.00190.0015P(MPa)8.28.48.5V(m3kg)0.00140.00140.0013T(K)323.45P(MPa)2.53.03.54.04.55.05.56.06.57.0V(m3kg)0.02020.01630.01380.01190.01040.00920.00820.00740.00670.0060P(MPa)7.37.57.88.08.18.28.38.48.5V(m3kg)0.00570.00550.00520.00490.00490.00480.00470.00460.00453、在py图上画出测定的一组或几组等温线，并标明临界状态点。9v(m3kg)六、实验结论及讨论1、实验中为了保证经历的过程是准静态过程，以及系统的温度不会突变，要保持加压（或降压）过程缓慢进行。2、实验前要注意水浴温度是否稳定，本次实验险些因为没注意到温度变化导致实验失败。3、由于未考虑汞柱以及油柱的高度，本实验结果存在一定误差，但汞柱压力相对MPa级的压力变化影响很小，可以忽略。4、实验得出的曲线和观察到的现象与预期一致。实验VL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极空气的定压比热容。及定容比热容。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做气体的比热容比，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，本装置就是用于测定比热容比的。U型压力计图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。k根据过程方程：在=（上）Pi×v2状态方程：p1v1=RT1P2/2=RT2P3v3=RRT3 = T1k=包 cv其中：V3=V2所以："=田"PiVp17Inm/k-PI/啮因为：cp=cv+R所以：=合三.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），用医用注射器将蒸储水注入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Ahl。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4h2.6、持续12小时，待容器内空气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4h3°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x测试项目hohh2h3测试次数xmmmmmmmm102466010020282741163033884138大气压力Pa=10418mmH2O大气温度力=14.9P=Pa+l1mmH2OPl-Pa+l2mmH2OP=Pa+3mmH2OPiP:P,110664104781051821070010492105343107561050210556空气绝热指数:k11.276421.30331.2732平均值1.2842空气定容比热：RCv=1.00985kJ(kg*K)空气定压比热：kRCP=ECp=1.29685kJ(kg*K)五.测试结果分析1、分析影响测试结果的因素。实验装置的气密性、开关阀门2的时间、容器中的空气与实验环境的空气进行热交换的时间（是否达到热平衡）等都会影响测试结果。2、讨论测试方法存在的问题。（1）压力表读数误差。（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。（4）等待过程中，温度没有完全稳定下来。