实验一二氧化碳P-V-T关系测定及临界状态观测实验

1、实验一二氧化碳 p-v-t 关系测定及临界状态观测实验experiment of co2一、实验目的1、解 co2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识；2、加深对课堂所讲的有关工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解；3、掌握 co2的 p-v-t 关系测定方法， 学会用实验测定实际气体状态变化规律方法及技巧；4、学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。二、实验内容本实验内容包括以下三个部分：1、测定 co2的 p-v-t 关系，在p-v 图上画出低于临界温度（20t） 、临界温度（1 .31t）及高于临界温度（50t）的三条等温线，并与标准实验曲线及理论

2、计算值相比较，分析产生差异的原因；2、测定 co2在低于临界温度时 （t20、25及 27）饱和温度与饱和压力的关系；3、观测临界现象1）临界状态附近气液两相分界模糊的现象；2）气液整体相变现象；3）测定 co2的ct、cp、cv等临界参数，并将实验所得的cv值与由理想气体状态方程及范德瓦尔方程所得的理论值相比较，简述产生差异的原因。三、实验原理简单可压系统处于平衡状态时，其状态参数压力p、比容 v、温度 t 之间存在着确定的关系，即状态方程为0),(tvpf（1）或),(tvfp（2）当保持 t 不变时测定比容与压力的对应数值，可获得到等温线数据，从而可作出p-v 图。在低于临界温度时，实际

3、气体的等温线有气液相变的直线段，而理想气体的等温线是正双曲线，任何时候也不会出现直线段。只有在临界温度以上，实际气体的等温线才逐渐接近理想气体的等温线。所以理想气体的理论不能解释实际气体的气液两相转变及临界状态。co2的临界压力为barpc87.73，临界温度为1 .31ct。在低于临界温度时，等温线出现气液相变的直线段，如图1 所示。9.30t是恰好能压缩得到液体co2的最高温度。在临界点附近出现气液分界模糊的现象。在临界点温度以上的等温线具有斜率转折点，直到48.1才成为均匀的曲线（图中未标出）。1973 年范德瓦尔首先对理想气体状态方程式提出了修正，他考虑了气体分子体积和分子之间的相互作

4、用力的影响，提出如下和修正方程：trbvvapg)(2（3）或写作0)(23abavvtrbppvg（4）范德瓦尔方程虽然也还不够完善，但它反映了物质气液两相的性质及两相转变的连续性。本实验就是根据方程（2） ，采用定温实验的方法来测定co2的 p-v 之间关系，从而得出co2的 p-v-t 关系，并观测其临界现象。四、实验设备及数据测量1、整个实验装置由试验本体、活塞式压力计、及恒温器三大部分组成，如图2。实验设备相关参数见表1（注：有些设备参数可能与表中有不同，请学生自行记录）。表 1 设备规格仪器型号量程精度压力表校检器cj-50 160mpa 标准压力表59-08434 0100kgf

5、/m2 1/6kgf/m2 2、试验台本体如图3 所示。3、实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部， 迫使杯中水银进入预先装有co2气体的承压玻璃管。 co2被压缩，其压力和容积通过压力台上活塞杆的进退来调节，温度则由恒温器供给的水套里的水温来调节；4、实验工质co2的压力由装在压力台上的压力表读出（若要提高精度考虑水银柱高度的修正）。5、工质温度则由插在恒温水套中的温度计读取。6、工质比容首先由承压玻璃管内co2的高度来度量，而后根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算获得，这种方法称为质面比法。下面介绍测定承压玻璃管内co2比容的质面比法：由于充入承压玻璃管内的co2质量

6、不便于测定， 而玻璃管内径或截面积也不易准确测量，因而实验中采用间接方法来确定比容： 认为 co2比容与其在承压玻璃管内的高度之间存在线性关系，具体作法示例如下：已知 co2液体在某一状态下的比容值（可由表 2 获得）。例如： t=20、 p=100atm 时， v=0.00117m3/kg；1.高压容器2.玻璃杯3.压力油4.水银5.密封填料6.填料压盖7.恒温水管8.承压玻璃管9.co2空间 10.温度计图 3 二氧化碳 p-v-t 关系实验台本体结构图表 2 二氧化碳液体比容的部分数据（单位：m3/kg）压力（ atm）温度（）0 10 20 30 测定该实验台co2在上述状态下的液柱高

7、度，记为*h（m） ；由比容的定义及（1） ，有t=20、p=100atm 时, 00117.0*mahv（ m3/kg ）kham00117.0*（kg/ m2）则任意温度、任意压力下，co2的比容为khamhv（m3/kg ）式中0hhh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；40 0.001069 50 0.001059 0.001147 60 0.001050 0.001129 0.001276 80 0.001035 0.001101 0.001212 0.001407 100 0.001022 0.001086 0.001170 0.001290 0h

8、-承压玻璃管内径顶端刻度。五、具体实验步骤1、按照实验原理图装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯；2、将蒸馏水注入恒温器内，注到水面离顶盖23 为止。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环流动；3、使用恒温器调节温度；1）转动电接点温度计顶端的帽形磁铁，调节凸轮示标，使其上端面与所要调定的温度要一致。调好后要将帽形磁铁用横向镙钉锁紧，以防转动；2）视水温情况开关加热器，当水温未达到所要调定的温度时，恒温器指示灯亮；当指示灯灭时表明水温已达到所需设定的恒温；3）观察玻璃水套上的两个温度计，若二者读数相同，且恒温器的温度计与电接点温度计标定的温度一致（或基本一致）时，则可认为承压玻璃管内co2 的

9、温度处于所标定的温度。4）当需要改变试验温度时，重复1） 3）即可。4、加压前的准备1) 由于压力台的油缸容量比主容器的容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，则不仅加不上压力，还会损坏试验设备，所以务必严格按照操作步骤进行：2）关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台的油杯进油阀；3）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台油缸中就充满了油；4）先关闭油杯阀门，然后开启压力表，摇进螺杆，使压力表中的读数与二氧化碳空间中的压力相近后，再开启进入本体油路的阀门；5）摇进活塞螺杆，给本体充油，如此交

10、替直到压力表有压力读数为止。6）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，若均已稳定即可进行实验。7）由于压力较低时，实验本体中的水银柱液面还位于下面，无法读数，因此需要预先施加一定的压力，使得水银柱到达可读数的区域，一般压力大约在3540atm 时即可读取水银液面的高度。5、实验中原始数据的记录1) 设备数据的记录（仪器的名称、型号、规格、 量程、精度） ；2) 常规数据的记录（室温、大气压、实验环境等）；3) 实验相关的其它初始数据的记录；6、需测定的数据（详见八）1) 测定低于临界温度时的定温线（20t） ，并记录下该温度下的饱和点数据；2) 测定25t、27t时饱和点数据

11、；3) 测定临界温度t=31.1时的等温线及临界参数，并观察临界现象；4) 测定高于临界温度时的等温线（t=50） 7、实验注意事项：1) 做各条定温线时， 实验压力 p100atm，实验温度 t50；2) 一般情况下压力间隔可取为25atm，但在接近饱和状态及临界状态时，压力间隔应取得较小些，可取为 0.5atm 。在实际操作过程中，可参照标准实验曲线来具体确定。 （在汽液共存区， 由于压力变化很小，这时可按水银柱位置的变化来适当取数据间隔。）3) 实验中读取水银柱液面高度h 时要注意，应使视线与水银柱半圆形的液面中间平齐。4) 实验中要特别注意：加压与降压过程一定要缓慢进行，并请思考这是为

12、什么？特别是降压过程必须严格操作规程，按照与加压相反的顺序，逐渐将压力降下去，操作中严格禁止违反操作规程。六、实验准备及预习要求预习要求：详细阅读本实验指导书，达到1）熟悉本实验目的及基本原理，清楚什么是质面比方法2）清楚实验的基本操作步骤3）清楚本实验要测定哪些参数七、实验数据测量及现象观测（一）测定低于临界温度时的定温线（20t）1、使用恒温器调定温度，并保持恒温2、压力记录从40atm开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准； 3、按照适当的压力间隔取值，直到p=100atm； （注：在汽液共存区，由于压力变化很小，这时可按水银柱

13、位置的变化来适当取数据间隔。）4、由于在20t时需要测定质面比，参照表2 中二氧化碳液体比容的数据，测定相应压力下的所需要数据。5、注意加压后co2的变化，特别注意饱和温度与饱和压力的对应关系，液化、汽化等现象。要将所测得的实验数据及观察到的现象一并填入实验报告中；（二）测定25t及27t时饱和温度与饱和压力的对应关系；（三）测定临界等温线及临界参数，并观察临界现象（t31.1 ）1、依照上述（一）中所述方法测定临界等温线，并在该曲线拐点处找出临界压力cp及临界比容cv， 并将数据填入数据表中；2、临界现象观测：1）整体相变现象：在临界温度以下时的等温线测定实验中我们可以看到，相变表现为一个逐

14、渐积累的渐变过程，需要一定的时间。 然而在临界点时， 由于汽化潜热等于0，饱和汽线与饱和液线合于一点，所以此时汽液的相互转变是个突变过程，当压力稍有变化时，汽、液以突变的形式相互转化。2）汽液两相模糊现象处于临界点时co2具有共同参数（p，v，t ） ，因而此时 co2气、液两相的差别消失。下面就用实验来证明这个结论。因为此时处于临界温度，如果按等温过程使 co2压缩或膨胀， 那么管内什么现象也看不到的。现在我们按 绝热过程 来进行。首先在压力等于76atm 附近，突然降压， co2状态点由等温线沿绝热线降到液相区，管内 co2出现了明显的液面。这就说明，如果这时管内的co2是气体的话，那么这

15、种气体离液相区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩 co2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们 co2液体离气相区也是非常近的，可以说是接近气态的液体。 既然此时的co2即接近气态又接近液态，所以只能处于临界点附近。即在临界点附近出现饱和汽、液两相分界不清的现象。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。（四）测定高于临界温度的等温线（50t） ，将数据填入报告中。八、数据处理及思考题（一）数据处理及分析1、仿照标准实验曲线（图1） ，在 p-v 图中绘出所测得和三条等温线；并在图中标出所测得的几个饱和点；2、将实验测得的等温线与图1 所示的标准等温线相比较，分析二者间的差异及产生差异的原因；3、在 p-t 图中绘出饱和温度与饱和压力的对应关