二氧化碳实验

二氧化碳的pVT 关系测定和临界状态观测

【实验目的】

1． 学习流体pVT 关系的实验测定方法，加深理解流体pVT 状态图pV 图的特点和气液相变、饱和蒸气压、沸点的意义。

2． 通过CO 2临界状态的观测，增强对气液临界现象的感性认识，理解临界参数的重要意义。

3． 学习活塞式压力计的正确使用。

【实验原理】

对于物质的量确定的系统，当处于平衡状态时，其状态函数p 、V m 、T 之间存在关系：m (,,)0f p V T ，该方程描述的物质状态图是以p 、V m 、T 为坐标的立体曲面。在不同温度下截取恒温剖面，相交曲线投影在p -V m 平面上，可以得到由一族恒温线组成的p -V m 图，如图1所示。它直观地表达了物质的pVT 关系。

温度较高时，等温线是一条光滑曲线；温度较低时，等温线上的有一水平线段，反映气-液相变化的特征，水平线段的两个端点（如i 和k 两点）分别代表互为共轭的饱和气体和饱和液体。饱和气体和饱和液体的体积随温度的变化在p -V m 图上构成气液共存区的边界线，称双节线。随着温度升高，水平线段不断缩短，饱和气体线和饱和液体线最后汇于一点（c 点），即临界点（Critical point ）。临界点的温度、压力和体积分别称临界温度T c 、临界压力p c 和临界体积V c ，是物质固有的特征参数。温度低于T c 是气体液化的必要条件。温度、压力高于临界点的流体称超临界流体，其应用技术是目前研究的热点。

图1 CO 2的p - V m 图

本实验测定CO 2的一系列等温线，观测气-液相变和临界现象。实验装置如图2所示，由活塞式压力计、超级恒温槽和试验台本体及其防护罩等几部分组成。试验台本体如图3所示。

图3 试验台本体示意图

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—恒温水套；8—承压玻璃管；9—CO 2；10—温度计

实验中由活塞式压力计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CO 2气体的承压玻璃管中，CO 2被压缩，其压力和容积通过活塞式压力计上的活塞杆的进、退来调节。温度由超级恒温槽供给的水套里的水温来调节。CO 2的压力由压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度计（温度计应该事先校正）读出。CO 2体积由承压玻璃管内柱的高度变化来测量。

由于充进承压玻璃管内的CO 2质量和玻璃管截面积不易测量，实验中采用间接办法来确定CO 2的比体积。假设CO 2的比体积v 与其高度呈线性关系。已知CO 2液体在20℃，9.8MPa 时的比体积v (20℃，9.8MPa)=0.00117m 3·kg -1，若实际测得在20℃，9.8MPa 时的CO 2液柱高度Δh o (m)，则

v (20℃，9.8MPa)=31/0.00117m kg o h A m ∆=－

2//0.00117(kg m )o m A h K =∆=－

K 为玻璃管内CO 2的质面比常数2(kg m )－。所以，实验温度、压力下CO 2的比体积为：

/(/)/v h m A h K =∆=∆

式中：0h h h ∆=-。h 为实验温度、压力下水银柱高度；0h 为承压玻璃内管顶端刻度。

【实验知识点】

1． 流体pVT 关系的实验测定方法，

2． CO 2临界现象的观测。

3． 活塞式压力计的使用

4． 低温恒温槽的使用

【实验注意事项】

1．活塞式压力计的使用：

（1）活塞式压力计油缸充油时，关闭压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启活塞式压力计上进油杯的进油阀，摇退活塞式压力计上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。

(2) 给本体加压：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；摇进活塞螺杆，使本体充油，直至压力表上有读数为止。

2．低温恒温槽的使用：设定温度在实验的温度，恒定至少10分钟以上才能开始实验。

3．注意加压和减压要足够缓慢，一方面使得体系易达到平衡，另一方面也避免对仪器的损坏。

4．实验过程中，要注意加压后CO 2的变化，仔细测试和观察CO 2最初液化和完全液化时的压力和水银高度。特别要注意观察饱和气体与饱和液体之间的变化和液化、气化等现象。

5．要准确记录CO 2开始液化的压力，此时应该缓慢地反复加压减压多次，记录只有极少量液体时系统的压力。

6．准确记录CO 2完全液化时的压力，此时也应该缓慢地反复加压减压多次。开始液化和完全液化的压力应该尽量接近。

7．观察临界现象时，减压要迅速，现象才明显。但不可减压过多，否则容易将仪器装置损坏。

8．每条曲线上至少应该有10个以上实验数据。

【实验数据记录和处理】

室温：18.3℃ 大气压：101.78kPa h 0＝3.40cm 23.76

28.10 24.70 0.01062 0.000468 4.16

24.78 21.38 0.00920 0.000405 4.36

23.42 20.02 0.00861 0.000379 4.56

22.04 18.64 0.00802 0.000353 4.76

20.74 17.34 0.00746 0.000328 4.96

19.44 16.04 0.00690 0.000304

5.1618.3014.900.006410.000282

5.3617.2013.800.005940.000261

5.561

6.1012.700.005460.000240

5.7615.0811.680.005020.000221出现液体

5.8014.7011.300.004860.000214

5.8611.387.980.003430.000151

5.9211.157.750.003330.000147

5.9410.457.050.003030.000133

5.969.00 5.600.002410.000106

6.00

7.80 4.400.001890.000083

6.20 6.82 3.420.001470.000065

6.34 6.54 3.140.001350.000059

6.58 6.35 2.950.001270.000056

6.96 6.30 2.900.001250.000055全部液化

7.36 6.28 2.880.001240.000055

7.75 6.20 2.800.001200.000053

8.36 6.18 2.780.001200.000053

9.56 6.14 2.740.001180.000052

10.56 6.10 2.700.001160.000051

11.56 6.08 2.680.001150.000051

表2：t＝23.0℃CO2等温线数据

P(MPa) h(cm)Δh(cm)ν(m3/kg)Vm(dm3mol-1)实验现象

3.7628.162

4.760.010650.000469

4.1624.8421.440.009220.000406

4.5622.0618.660.008030.000353

4.9619.6416.240.006990.000307

5.3617.4614.060.006050.000266

5.7615.4412.040.005180.000228

5.9614.3010.900.004690.000206

6.1613.069.660.004160.000183出现液体

6.1812.008.600.003700.000163

6.2210.00 6.600.002840.000125

6.34

7.74 4.340.001870.000082

6.66 6.66 3.260.001400.000062

6.97 6.40 3.000.001290.000057

7.16 6.36 2.960.001270.000056全部液化

7.56 6.30 2.900.001250.000055

8.36 6.26 2.860.001230.000054

9.16 6.20 2.800.001200.000053

表3：t＝25.0℃CO2等温线数据

P(MPa) h(cm)Δh(cm)ν(m3/kg)Vm(dm3mol-1)实验现象

3.7628.262

4.860.010690.000471