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1、二一四年四月 二氧化碳临界状态观测及P-v-t 关系测定实验 工程热力学与传热学实验 指导教师 李蕾 实验目的 1、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； 2、了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态的感性认识； 3、掌握CO2的P-v-t关系的测定方法，学会用实验方法研究实际气 体状态变化规律。 【难点】实际气体状态变化规律 实验原理 一、实际气体状态变化的特点： （通过实际气体定温压缩时状态变化 的情况来加以说明） 1. 当温度比较高时，实际气体进行定 温压缩时，其状态变化和理想气体的 情况比较接近，如图上曲线ab所示， 它基本上接近于等边双曲线 ； 2. 当定温压缩过
2、程的温度降低时，实 际气体的状态变化逐渐和理想气体的 情况发生越来越大的差别，如图上曲 线ef所示； 实验原理 3. 当定温压缩过程的温度更低时 ，压缩过程中实际气体将发生相 变，如图上曲线mn所示。在点1 的状态下，开始有气体发生相变 ，生成液体。 随着压缩过程的进展，当气体的容 积进一步缩小时，不断有气体凝结 成液体，但温度和压力均保持不变 ，即气体和液体本身的状态未变， 直到点2时气体全部变成液体。 在点1和点2间的状态(气液共存)称 为饱和状态。处于饱和状态的气体 和液体分别称为饱和蒸气及饱和液 体 实验原理 4. 临界状态（Tc线） 饱和蒸气和饱和液体的状态完 全相同，两种物相间没有
3、明显 的区别，这一状态称为临界点c 。临界点的温度、压力、比体 积称为临界温度、临界压力、 临界比体积，分别用Tc、pc及 vc表示。 实验原理 1、饱和状态下开始液化的各饱和蒸 气点所连接的线，如上图上Ac线，称 为饱和蒸气线或上界线。 2、液化结束的各饱和液体点所连接 的线，如图上Bc线，称为饱和液体线 或下界线。 3、线AcB以及临界温度线的临界点c 以上部分，把图面所表示的实际气体 的状态划分为三个区域： 曲线AcB所包围的区域为气液两相共存 的饱和状态区； 饱和液体线Bc和临界温度线的临界点c 以上线段的左边区域为液相状态区； 饱和蒸气线Ac和临界温度线的临界点c 以上线段的右边区域
4、为气相状态区。 实验原理 Co2标准曲线， 临界温度大概在 31.1。 实验原理 二、状态参数间关系： 简单可压缩系统工质处于平衡状态 时，状态参数压力、温度和比容之 间有确定的关系，可表示为： F（P，V，T）= 0 可见，保持任意一个参数恒定，测 出其余两个参数之间的关系，就可 以求出工质状态变化规律。 如维持温度不变，测定比容与压力 的对应数值，就可以得到等温线的 数据。 测定CO2的P-v-t关系。在P-v坐标图中 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,与标准实验 曲线相比较。 实验装置和内容 实验装置 压力台 恒温器 实验
5、台本体 实验装置和内容 实验装置 压力台 恒温器 实验台本体 实验台本体 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，其压力和容积 通过压力台上的活塞的进、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，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 度来度量，而后再根据承压玻璃管 内径均匀、截面积不变等条件换算 得出。 实验方法与步骤 实验步骤： 1、测定低于临界温度t=20的等温线 （1）使用电节点温度计调节恒温水浴温度t=20要保
6、持恒温； （2）压力记录从4MPa开始，当玻璃管内水银柱水银升起来后，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）两相区内三毫米高度变化记录一次压力值，两相区外，三个压 力变化记录一次高度值； （4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应 关系，液化、汽化等现象，要将测得的实验数据及观察到的现象一 并填入表中。 实验方法与步骤 实验步骤： 2、测定31.1临界等温线，观察临界现象 （1）重复1的步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界 压力pc和临界比容 vc，并将数据填入表中。 （2）观察临界现象。 理论上CO2的临界温度是31.
7、1，临界压力理论上是7.52MPa，故实验 时温度在此附近时，通过不断地加压能看到水银柱上面出现少许白 雾（液化），随后加压白雾消失，无论再怎么加压也不会出现液化 现象。 实验方法与步骤 实验步骤： （3）当实验温度低于31.1时，一 直加压会出现少许液体，这是气液 共存现象。当温度高于31.1时， 无论怎么加压也不会出现液化现象 ，当然如果此时忽然卸压会出现少 许液化，这是因为突然降压，绝热 降温造成的。 3、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。 注意事项 注意事项： （1）做各条定温时，实验压力P10MPa，实验温度t50，恒 温水的温度应稳定足够长的时间，使毛细管
8、内外的温度均衡后再 开始测量数据。； （2）实验中取h时，应使视线与水银柱凸面一齐； （3）实验中加压及减压过程一定要缓慢均匀以实现准平衡过程 ，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压！ 数据记录及整理 1CO2比容的确定 实验中由于CO2的质量m不便测定，承受玻璃的内径d也不易测准，因 而只能用间接方法确定V值： 已知CO2液体在20，9.8MPa时的比容V=0.00117M3。 实验中，实际测定出20，9.8Mpa时的CO2液柱高度h0（m）。 数据记录及整理 2列数据表及绘制P-V图。 实验数据计算整理后，绘制出实际CO2气体P-V的关系图，并与标 准曲线比较。 数据记录及整理 2临界状态表
