二氧化碳P-V-T关系测定及临界状态观测.doc

实验一 　二氧化碳P-V-T关系测定及临界状态观测 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（℃）、临界温度（℃）及高于临界温度（℃）的三条等温线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，分析产生差异的原因； 2、测定CO2在低于临界温度时（20℃、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、、等临界参数，并将实验所得的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 （1） 或 （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，临界温度为℃。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。℃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用力的影响，提出如下和修正方程： （3） 或写作 （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 1～60MPa 标准压力表 59-08434 0～100Kgf/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 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 测定该实验台CO2在上述状态下的液柱高度，记为（m）； 由比容的定义及（1），有 ∵ T=20℃、p=100