二氧化碳PVT关系测定实验指导书

一、实验目的
1.了解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.增加对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。
3.掌握CO₂的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
4.学会活塞式压力计，恒温器等热工仪器的正确使用方法。
二、实验内容
1.测定CO₂的p-v-t关系。在p-v坐标系中绘出低于临界温度（t=20℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
2.测定CO₂在低于临界温度（t=20℃、27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的t_s-p_s曲线比较。
3.观测临界状态
1）临界状态附近气液两相模糊的现象。
2）气液整体相变现象。
3）测定CO₂的p_c、v_c、t_c等临界参数，并将实验所得的v_c值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。
三、实验设备及原理
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。

图一试验台系统图

图二试验台本体
试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO₂空间；10—温度计。、
对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数p、v、t之间有：
F(p,v,t)=0
或t=f(p,v) （1）
本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO₂的p-v-t关系，从而找出CO₂的p-v-t关系。
实验中，由压力台送来的压力由压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO₂气体的承压玻璃管，CO₂被压缩，其压力和容器通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力，由装在压力台上的压力表读出（如要提高精度，可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。温度由插在恒温水套中的温度计读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1.按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯。
2.恒温器准备及温度调节：
1）入恒温器内，注至离盖30～50mm。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。
2）使用电接点温度计时，旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁，调动凸轮示标，使凸轮上端面与锁要调定的温度一致，再将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。使用电子控温装置时，按面板温度调节装置调整温度点。
3）视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。
4）观察玻璃水套上的温度计，若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO₂的温度处于所标定的温度。
5）当所需要改变实验温度时，重复（2）～（4）即可。
3.加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能使压力表显示压力读数。压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下：
1）关闭压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。
2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力台油缸中抽满了油。
3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
4）摇进活塞螺杆，使本体充油。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
5）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。若均已调定后，即可进行实验。
4.作好实验的原始记录：
1）设备数据记录：仪器、仪表名称、型号、规格、量程、精度。
2）常规数据记录：室温、大气压、实验环境情况等。
3）测定承压玻璃管内CO₂质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO₂的比容，认为CO₂的比容V与其高度是一种线性关系。具体方法如下：
a.已知CO₂液体在20℃，9.8MPa时的比容V（20℃，9.8Mpa）=0.00117m³/kg。
B.实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO₂液柱高度Δh₀（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c.∵V（20℃，9.8Mpa）=

∴

其中：K——即为玻璃管内CO₂的质面比常数。
所以，任意温度、压力下CO₂的比容为：

_（m3/kg）
_{式中，Δh=h-h0}
_{h——任意温度、压力下水银柱高度。}
_{h0——承压玻璃管内径顶端刻度。}
5.测定低于临界温度t=20℃时的定温线。
1）将恒温器调定在t=20℃，并保持恒温。
2）压力从4.41Mpa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，将来不及平衡，使读数不准。
3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。
4）注意加压后CO₂的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
5）测定t=25℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6.测定临界参数，并观察临界现象。
1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力p_c和临界比容v_c，并将数据填入表1。
2）观察临界现象。
a.整体相变现象
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
b.汽、液两相模糊不清的现象
处于临界点的CO₂具有共同参数（p,v,t），因而不能区别此时CO₂是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。下面就来用实验证明这个结论。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO₂压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在，我们按绝热过程来进行。首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO₂状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO₂出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的CO₂是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，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，这时CO₂液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的CO₂既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7.测定高于临界温度t=50℃时的定温线。将数据填入原始记录表1。
五、实验结果处理和分析
1.按表1的数据，如图三在p-v坐标系中画出三条等温线。
2.将实验测得的等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
3.将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的t_s-p_s曲线相比较。
CO₂等温实验原始记录表1

t=20℃				t=31.1℃（临界）				t=50℃
p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	现象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	现象	p (Mpa)	Δh	v=Δh/K	现象




进行等温线实验所需时间
分钟				分钟				分钟

图三标准曲线

4.将实验测定的临界比容V_c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。
临界比容V_c[m³/Kg] 表2

标准值	实验值	V_c=RT_c/P_c	V_c=3/8	RT/P_c
0.00216

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