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1、工质临界状态的观测一、实验目的1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。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掌握工质饱和温度与饱和压力关系的测定方法。学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。4了解工质临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。5通过实验理解饱和状态与临界状态的区别。二、实验原理在准平衡状态下，工质的压力P、比容V和温度之间存在某种确定关系，即状态方程 理想气体的状态方程具有最简单的形式：PV=RT实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来（
2、虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、V、之间关系的实际气体的状态方程。）因此，具体测定某种气体的P、V、关系，并将实测结果表示在坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持温度不变的条件下进行的。三、实验内容1 设计数据记录及整理计算用的表格；2 测定工质（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。3测定工质（
3、CO2）的饱和温度与饱和压力关系，在p-坐标系中绘出饱和温度与饱和压力关系曲线。4观测工质临界状态（1）临界状态附近汽液两相模糊的现象。（2）汽液整体相变现象。（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。四、实验设备简介整个实验装置由稳压系统、恒温系统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 实验装置示意图试验台本体结构如图二所示。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承压汞容器；9CO2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
4、、t之间有： F(p,v,t)=0或 t=f(p,v) （1）本实验根据式（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。当工质处于饱和状态时，其状态参数、之间有：F(p, t)=0或 t=f(p) （2）本实验根据（2）式，通过现象观察（即汽、液同时存在时，工质处于饱和状态。），就可测出饱和温度与饱和压力之间的关系。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气体的承压玻璃管内，CO2被压缩，其压力的大小可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
5、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（承压玻璃管内径1.5mm）。五、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）把水注入恒温器内，注至离盖3050mm。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。（2）在温度控制器AL808E的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。（3）此时控制面板上视水温情况，开、关加热器、制冷机组，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）观察温控仪显示
6、的温度：（与玻璃水套上的热电偶配套），既是承压玻璃管内的CO2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，才能在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
7、至压力表上达到所要求的压力读数为止。特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀与压力表阀；再开油杯进油阀；倒退螺杆抽油至极限位置；然后关油杯进油阀，开压力表控制阀与油路控制阀（注意：油路控制阀、压力表阀决不能同时处于开启状态！），推进螺杆逐渐加压直到所需值。（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）承压玻璃管内CO2质量不便测量
8、，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，因为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。b 实际测定实验台上在20，9.8Mpa时的CO2在容器内所占高度h0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）c V（20，9.8Mpa）=式中：A为玻璃管内截面积；为玻璃管内CO2总质量。 其中：K即为玻璃管内CO2的质量面积比（常数）。所以，任意温度、压力下CO2的比容为： 式中h任意温度、压力下水银柱高度。 h0承压玻璃管内顶端所处高度。5测定低于临界温度t=
9、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）在4.5 MPa至9.8 MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。（4）注意加压后CO2的状态变化，特别是注意液化、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记录表中。6测定饱和温度与饱和压力之间的对应关系。（1）将恒温器在2030之间选取几个不同的温度点，并保持恒温。（2）缓慢地摇进活塞螺杆（以足够保证定温条件），让压力从4.41Mpa开始慢慢增加，当玻璃管内水银面上汽态
10、与液态的CO2同时存在时，停止供油5分钟左右，当压力温度都不再变化时，记录此时的压力与温度。7测定临界温度t=31.1时的定温线。（1）将恒温器调定在t=31.1，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）在4.5 MPa至9.8 MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。（4）注意加压后CO2的状态变化，特别是临界现象（在临界状态附近要多测些数据）。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。8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
11、在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容vc。（2）观察临界现象。临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度，当温度高于临界温度时，无论加多大的压力也不能使气体液化。理论上CO2的临界温度是31.1，故实验时温度在此附近时，通过不断地加压能在某一个状态点（理论上此时对应的压力为7.52MPa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在2030之间所看到的汽液共存现象。9测定高于临界温度t=50时的定温线。（1）将恒温器调定在t=50，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
12、及平衡，使读数不准。（3）在4.5 MPa至9.8 MPa之间按照适当的压力间隔保持不同的平衡状态并测取h值。（4）注意加压后CO2的状态变化，是否还能观察到前面实验所看到的饱和现象与临界现象？要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入记录表中。六、注意事项1除t=20时，须加压到绝对压力10MPa（表压9.9MPa）外，其余各等温线均在59 MPa间测出h值，表压不得超过10MPa，温度不应超过50。2一般压力间隔可取0.20.5 MPa，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。3加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时与加压的操作步骤正好相反。决不可直接打开油杯阀卸压！4实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交指导教师签字后方可离开实验室。5遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处理。七、实验结果处理和分析1将计算结果所得数据在p-v坐标系中画出三条等温线。2将实验测得的等温线与附图中所对应的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3将所测的饱和温度与饱和压力对应值画在p-坐标图上，并找出二者相互依变的趋势。4用文字描述你所看到的临界现象。 附图一：附图二：附表一：临界比容Vcm3/Kg 标准值实验值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216附表二：t=20t=31.1（临界）t=50Phv现象Phv现象Phv现象
