二氧化碳PVT实验指导书

第七章工程热力学综合实验

实验1 二氧化碳临界状态观测及p-v-T关系的测定

一、实验目的

1. 观察二氧化碳气体液化过程的状态变化和临界状态时气液突变现象，增加对临界状态概念的感性认识。

2. 加深对课堂所讲的工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。

3. 掌握二氧化碳的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、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。

二、实验原理

当简单可压缩系统处于平衡状态时，状态参数压力、

间有确切的关系，可表示为：

(,,)=0 (7-1-1)

F p v T

或

=(,)(7-1-2)

v f p T

在维持恒温条件下、压缩恒定质量气体的条件下，测量气体的压力与体积是实验测定气体p-v-T关系的基本方法之一。1863年，安德鲁通过实验观察二氧化碳的等温压缩过程，阐明了气体液化的基本现象。

当维持温度不变时，测定气体的比容与压力的对应数值，就可以得到等温线的数据。

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于理想气体的等温线。所以，理想气体的理论不能说明实际气体的气、液两相转变现象和临界状态。

二氧化碳的临界压力为73.87b a r (7.387M Pa )，临界温度为31.1℃，低于临界温度时的等温线出现气、液相变的直线段，如图1所示。30.9℃是恰好能压缩得到液体二氧化碳的最高温度。在临界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）。图右上角为空气按理想气体计算的等温线，供比较。

1873年范德瓦尔首先对理想气体状态方程式提出修正。他考虑了气体分子体积和分子之间的相互作用力的影响，提出如下修正方程：

()()p a v

v b R T

+

-=2

(7-1-3)

或写成

pv bp RT v av ab 3

2

-++-=() (7-1-4)

范德瓦尔方程式虽然还不够完善，但是它反映了物质气液两相的性质和两相转变的连续性。

式（7-1-4）表示等温线是一个v 的三次方程，已知压力时方程有三个根。在温度较低时有三个不等的实根；在温度较高时有一个实根和两个虚根。得到三个相等实根的等温线上的点为临界点。于是，

临界温度的等温线在临界点有转折

点，满足如下条件：

(

)∂∂p v

T =0

(7-1-5)

(

)∂∂2

2

0p v

T = (7-1-6)

三、实验设备

1．整个实验装置有活塞式压力计、恒温器和实验本体及防护罩三大部分组成，如图2所示；

2. 实验台本体如图3所示；

3. 实验中气体的压力由活塞式压力计的手轮来调节。压缩气体时，缓缓转动手轮以提高油压。气体的温度由恒温器给恒温水套供水而维持恒定，并有恒温水套内的温度计读出；

4. 实验工质二氧化碳的压力由装在活塞式压力计上的压力表读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高

度来度量，然后再根据承压 图2 实验系统装置图 玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算得出；

5. 玻璃恒温水套用以维持承压玻璃管内气体温度不变的条件，并且可以透过它观察气体的压缩过程。

四、实验步骤

1.按图2安装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯；

2.使用恒温器调定温度

(1).将蒸馏水注入恒温器内，使其离盖3～5厘米。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流；

(2).旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁调动凸轮示标，使凸轮上端面与所要调定的温度一致，并将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动；

(3)视水温情况，自动开、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，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需的温度；

(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（或基本一致时），则可（近视）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度；

(5)当需要改变试验温度时，重复(2)～(4)即可。

3. 加压步骤

因为活塞压力计的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。活塞压力计抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏实验设备，所以务必认真掌握其如下步骤：

(1)关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启活塞压力计上油杯的进油阀；

(2)摇退活塞压力计上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时活塞压力计油缸中抽满了油；

(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，经本体充油，如此重复，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，若已稳定，可进行实验。

五、计算公式及实验过程注意事项

1. 测定承压玻璃管内CO 2的质面比常数k 值

由于充进承压玻璃管内的CO 2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方法来测定CO 2的比容v 。CO 2的比容v 与其高度是一种线形关系，具体算法如下：

(1).已知CO 2液体在20℃，100a ta 时的比容为

C ata (,).20100000117

o

=（m 3/kg ） (7-1-7)

(2).实地测出CO 2在20℃，100a ta 时的液柱高度∆h *(m)，其值为

∆h *

.=0035 (m) (7-1-8)

(3).由(1)可知，因为

v C ata h A m

(,).*

20100000117o

=

=∆ (m 3

/kg) (7-1-9)

所以

m A h

k =

=∆*

.000117

(kg/m 2

) (7-1-10)

即

k h

=

=

=∆*

(000117)

0035000117

299145 (kg/m 2

) (7-1-11)

对于任意温度、压力下的比容v 为：

v h m A

h k

=

=∆∆/ (m 3/kg) (7-1-12)

式中：∆h h h =-0

h —任意温度、压力下水银柱的高度，[m]； h 0—承压玻璃管内径顶端的刻度，[m]； m —玻璃管内CO 2的质量，[kg]； A —玻璃管内截面积，[m 2]；

k —玻璃管内CO 2的质面比常数，[kg/m 2]。