气体定压比热容测量实验教学系统开发

辛 喆，何志祝，李淑艳，魏 青，江秋博，刘志颖，王东泽，李 辉

气体定压比热容测量实验教学系统开发

辛 喆1，何志祝1，李淑艳1，魏 青1，江秋博1，刘志颖2，王东泽2，李 辉2

（1. 中国农业大学 工学院，北京 100083；2. 清华大学 动力工程及工程热物理国家级实验教学示范中心，北京 100084）

为了满足大学工程热力学课程的实验教学要求，针对传统实验装置因加热温差范围过大而导致实验结果不准确的问题，设计开发了一套新型气体定压比热容测定实验系统。设计的新型气体定压比热容测定实验系统通过结合预热段、保温、两次测量算法改进等方式，使实验结果更加准确可靠，真实地反映了实验原理，具有较高的精度，完全满足本科研究性实验教学要求。

气体定压比热容；实验系统；实验教学

在大学工程热力学课程的实验教学中，气体比热测量一般采用稳定流动法，原理是在实验段中用电加热丝加热流动的气体，测量气体进出口的温升，进而求得气体在平均温度下的比热容[1-9]。比热容的测量误差主要来源于进出口温度测量误差、加热器功率测量误差、气体流量测量误差、湿空气中水蒸气吸热引起的误差和实验段向环境散热引起的误差。目前常见的实验教学装置均缺乏合理的保温措施，实验段向环境散热引起的误差十分明显，且随着温度升高而明显增大，可达20%~30%[10-14]。然而，空气的气体比热容随温度的变化十分微弱，从0 ℃到300 ℃仅增大了3.9%，远远小于散热引起的实验误差，常见的实验教学装置无法合理地表现出不同温度下的空气比热容变化规律，其实验结果可能使得学生产生误解。为此，本文提出了改进措施以降低散热引起的实验误差，尽可能反映出真实合理的实验规律。

1 实验装置

气体比热容测量的实验装置由风机、流量计、湿度传感器、压力变送器、温度传感器、预热段、实验段，及控制采集系统组成，实验装置如图1所示。装置中采用直流离心风机作为气源设备，高精度质量流量计测定气流流量，压力变送器测定进气压力，湿度传感器测定空气湿度，各项数据均可通过采集系统实时采集到上位机。实验段（图2）由内壁镀银的4层杜瓦瓶、加热器、旋流片、混流网及进出口温度传感器（PT100）组成。气体自进口管引入，进口温度传感器测量其初始温度，气体首先通过预热器被加热到指定温度，然后再通过实验段的电加热器，测量实验段的进出口温度，加热器的加热功率，气体质量流量，可计算出气体的定压比热容。预热器的设计使得实验段的进口温度可控，加热器始终只将气体温度升高5~10 ℃，解决了传统实验装置加热温差范围较大的问题。该比热仪可测300 ℃以下气体的定压比热容。

图1 实验装置

图2 实验段结构

温度测量采用Pt100温度传感器，测量误差为±0.1 ℃，进出口温差如果为10 ℃，由温度引起的误差不超过1%；加热功率由直流稳压电源测量，电压和电流的测量精度优于0.1%，所以加热功率的测量误差小于0.1%，可忽略不计；气体质量流量计测量误差约2%。综上，由进出口温度、加热功率和流量引起的测量误差约为3%。

实验过程中，实验段内的热空气与环境间存在散热，导致气体出口温度比理想状态下要低，气体的实验比热容比理想比热容数值高；而且随着气体被加热的温度越高，气体的实验比热容与理想比热容的偏差越大。此外，多层真空杜瓦瓶的内壁也有一定的热容量，在整个实验段达到稳态前一直会吸收实验段中气体的热量，增加了平衡时间，有可能高于1 h。

为了提升杜瓦瓶的绝热效果，在杜瓦瓶外侧均匀缠绕加热丝，并在加热丝外侧缠绕耐高温保温材料，在加热丝层安装温度传感器进行温度控制，确保杜瓦瓶的温度与气体进口温度相同（图2）。进入杜瓦瓶的气体先通过预热器提升到实验要求的温度，同时杜瓦瓶的表面温度也提升到实验要求温度，气体的进口温度与杜瓦瓶的温度相同，就大幅降低了气体向杜瓦瓶及环境的散热。

2 实验原理

2.1 算法改进前

假定在0~300 ℃之间，空气定压比热容与温度之间进似地有线性关系：

图3 定压比热容随温度变化曲线

2.2 算法改进后

尽管本实验装置已经做了充分的保温措施，但仍然不可避免地存在微小的对环境的散热，为了使实验装置能够准确分辨出0 ℃~300 ℃的空气定压比热容变化，这部分微小散热不能直接忽略不计。为此，通过不开实验段加热器和开实验段加热器，前后两次测量进出口温差相对比，以消除给定温度下的实验装置对外的散热量影响。

通过上述的两次测量，可以最大程度地消除实验装置各种对外散热量的影响，此时定压比热容的测量误差主要来源于温度和流量的测量误差，由前文可知约为3%，与空气定压比热容从0 ℃~300 ℃的变化幅度（即3.9%）相当。通过标定温度、流量传感器和多次重复测量取平均值，可以进一步降低上述测量误差。

3 实验结果

分别采用改进前后的算法，即改进前对散热量不进行修正，改进后对散热量进行修正，计算气体定压比热容。空气质量流量为4.31×10–4kg/s。实验结果见表2、表3和图4，改进算法前实验-不修正散热量时，气体定压比热容随着温度的升高而增大，高温时可达30%，明显偏离了理论值；改进算法后实验-修正散热量时，测量值在2%以内随机波动，整体上可以反映出实际的变化趋势，受温度和流量测量精度的限制，测量精度已经难以进一步提高。

表2 空气定压比热容测量结果（改进算法前）

表3 空气定压比热容测量结果（改进算法后）

图4 空气定压比热容测量结果比较

4 结语

本文设计的新型气体定压比容测定实验系统通过结合预热段、保温、2次测量等方式，有效解决了传统实验装置的弊端，使实验结果更加准确可靠，真实地反映了实验原理，符合当前大学本科实验教学的要求。本文设计的新型气体定压比容测定实验系统对大学研究型实验教学具有一定指导作用，同时也有较大的实际意义和应用价值。

[1] 沈维道，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2016.

[2] 李书光，王殿生.物理实验教程[M].东营：中国石油大学出版社，2006.

[3] 袁朝霞.气体热容量的量子理论[J].四川师范大学学报（自然科学版），1989(2): 76–80.

[4] 卡拉别奇扬茨，田安民.高压气体热容[J].四川大学学报（自然科学版），1959(2): 51–61.

[5] 丁翼鸣，俞庆森，林瑞森，等.气体流动热量计和苯、苯-环己烷气体热容的测量[J].物理化学学报，1993, 9(4): 542–547.

[6] 邵爽，俞庆森，方文军，等.乙酸─4-甲基-2-戊酮体系汽体热容的测定与研究[J].浙江大学学报（工学版），1995, 29(4): 523–526.

[7] 范砧.燃料气比热容的计算方法[J].工业炉，2006, 28(1): 121–122.

[8] 张克武，张宇英.气体不平衡状态理论方程的推广应用（Ⅶ）：液体定压比热容理论方程[J].化工学报，1997, 48(4): 417–423.

[9] 纪威.湿空气热物理性质计算方程及其修正系数[J].内蒙古工业大学学报：自然科学版，1994(3): 22–28.

[10] 李永田.湿法脱硫烟气组分测定与比热容计算[J].工业技术创新，2016, 3(5): 937–940.

[11] 赵敏，强晓明，章韦芳.一种新型比热容测量仪[J].大学物理，2016, 35(2): 30–31.

[12] 赵小明，刘志刚，陈钟颀.流动型量热法测量液体比热容实验研究[J].西安交通大学学报，1999, 33(3): 52–55.

[13] 赵小明，刘志刚，陈钟颀.流动型高压液体及其混合物定压比热容测量装置的建立[J].上海交通大学学报，1999, 33(8): 1008–1012.

[14] 赵小明，陆世豪，刘志刚.准稳态法测量液体比热容的实验研究[J].工程热物理学报，2004, 25(增刊1): 26–28.

Development of experimental teaching system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure

XIN Zhe1, HE Zhizhu1, LI Shuyan1, WEI Qing1, JIANG Qiubo1, LIU Zhiying2, WANG Dongze2, LI Hui2

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Power Engineering and Engineering Thermophysics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to meet the experimental teaching requirements of the Engineering Thermodynamics course in the university, a new experimental system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure is designed and developed to solve the problem of inaccurate experimental results caused by the large range of heating temperature difference in traditional experimental devices. The new experimental system for measuring specific heat capacity of gas at constant pressure is designed by combining preheating section, heat preservation and two measurement algorithm improvements, which makes the experimental results more accurate and reliable. It truly reflects the experimental principle and has high accuracy, and fully meets the requirements of undergraduate research experiment teaching.

gas specific heat capacity at constant pressure; experimental system; experimental teaching

0551.3-45

A

1002-4956(2019)10-0089-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.021

2019-03-01

辛喆（1964—），女，北京，博士，教授，博士生导师，研究方向为热能与动力工程。E-mail: xinzhe@cau.edu.cn