实验一二氧化碳PVT关系测定与临界状态观测实验

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（20

t℃）及高于临界温度=

=

t℃）、临界温度（1.31

（50

t℃）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（=t20℃、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c t、c p、c v等临界参数，并将实验所得的

v值与由理想气体状态方程及范德瓦尔方程所得的

c

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

v

F（1）

T

p

,

)

,

(=

或 ),(T v f p = （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。

CO 2的临界压力为bar p c 87.73=，临界温度为1.31=C t ℃。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。9.30=t ℃是恰好能压缩得到液体CO 2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：

T R b v v a p g =-+))((2 （3）

或写作

0)(23=-++-ab av v T R bp pv g

（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CO 2的p-v 之间关系，从而得出CO 2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：

3

压力（atm）

温度（℃）

0 10 20 30

测定该实验台CO 2在上述状态下的液柱高度，记为*h ∆（m ）；

由比容的定义及（1），有

∵ T=20℃、p=100atm 时,

00117.0*=⨯∆=m A h v （ m 3/kg ）

∴ k h A m =∆=00117.0*

（kg/ m 2

） 则任意温度、任意压力下，CO 2的比容为

k h A m h v ∆=∆= （m 3

/kg ） 式中0h h h -=∆为任意温度压力下二氧化碳液柱的高度,

h -任意温度压力下水银柱的高度；