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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（）、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CO
2、2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
3、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
4、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-50160MPa标准压力表59-084340100Kgf/m21/6Kgf/m22、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
5、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
6、=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（）0102030400.001069500.0010590.001147600.0010500.0011290.001276800.0010350.0011010.0012120.0014071000.0010220.0010860.0011700.001290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
7、及（1），有 T=20、p=100atm时, （ m3/kg）（kg/ m2）则任意温度、任意压力下，CO2的比容为（m3/kg）式中为任意温度压力下二氧化碳液柱的高度, -任意温度压力下水银柱的高度； -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
8、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
9、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
10、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（），并记录下该温度下的饱和点数据；2) 测定、时饱和点数据；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（=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
11、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（）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
12、，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，这时可按水银柱位置的变化来适当取数据间隔。）4、由于在时需要测定质面比，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）测定及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（31.1）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及临界比容，并将数据
13、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
14、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（），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系；4、将实验测定的临界比容与按理想气体状态方程及范德瓦尔方程所得理论值进行比较，并分析差异的原因；（二）思考题1、实验中为什么要保持加压和降压过程缓慢进行？2、若要精确测出CO2的绝对压力，还应考虑装置中水银柱和油柱的高度，试写出考虑这两个因素后，CO2绝对压力的计算公式，并请简要绘出示意图。九、实验报告内容及格式1、实验目的2、实验内容3、实验装置4、实验原理（测试实验系统图）5、实验步骤6、实验结果与分析（包括实验数据、处理图形、主要关系式和有关程序
