CO2的PVT关系测定和临界状态观测

实验报告

课程名称：___中级化学实验______指导老师：__王永尧_____成绩：__________________ 实验名称：_CO2的PVT 关系测定和临界状态观测_实验类型：______同组学生姓名：_______ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）

一．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P-V 状态图和不同类型等温线的特征。

2.掌握实际气体液化的条件和气-液相变、饱和蒸气压的意义。

3.通过对CO 2临界现象的感性认识，理解临界点和超临界流体的重要意义。

4.学习活塞式压力计的正确使用。

二．实验原理

PVT 关系是物理化学研究的重要课题之一，总体上，PVT 关系可以通过三种方法得到：（1）直接实验测定，通过数据拟合参数得到状态方程（2）经验半经验方法，主要是建立在一定理论基础或物理意义的各种状态方程（3）理论推导。 对于物质的量确定的系统，当处于平衡状态时，其状态函数PVT 之间存在着一定的关系：f （P ，Vm ，T ）=0，该方程描述的物质状态图是以P 、Vm 、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-Vm 平面上，可以得到由一组恒温线组成的P-Vm 图。温度较高时，等温线是一条光滑曲线；温度较低时，等温线上有一水平线段，反映气-液相变化的特征，水平线段的两个端点分别代表互为共轭的饱和气体和饱和液体，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，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。试验台本体示意图见左图。

由于充进承压玻璃管内的CO 2质量和玻璃管截面积不便测量，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 时的比容V(293K ，

9.8MPa)=0.00117m 3

/Kg ，若实际测定在20℃，9.8MPa 时的CO 2液柱高度Δh(m)，则

K 即为玻璃管内CO 2的质面比常数。所以，任意温度、压力下CO 2的比体积为：

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

专业：_应用化学0701___ 姓名：__洪俊杰_______

学号：___3070601067____ 日期：__12.25_______ 地点：

_____________

三．实验仪器和试剂

仪器：PVT关系测定实验装置1套，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。

试剂：CO2工作物质；压力油。

四．实验步骤

1. 加压前的准备：

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）摇退活塞式压力计上的活塞螺杆，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）摇进活寒螺杆，使本体充油。如此反复，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。若均已调定后，即可进行实验。

2. 测定气－液相变等温线：

1）将超级恒温槽调定在t=10℃，并保持恒温。

2）压力记录从水夹套管上有刻度开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进（退）活塞螺杆，以保证平衡。

3）平衡后，记录该温度下的压力与水银高度。按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa。注意加压后CO2变化，仔细测试和观察CO2最初液化和完全液化时的压力和水银高度。特别要注意饱和气体和饱和液体之间的变化以及液化、气化等现象。

4）重复测定t=20、25、27、29℃时的实验数据。

3、测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象：

a）观察临界乳光现象：保持临界温度不变。摇进活塞杆至压力达P C附近，然后突然摇退活塞杆（注意勿使实验本体晃动！）降压。在此瞬间玻璃管内将出现圆锥状的乳白色的闪光现象。这就是临界乳光现象。这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不均匀和光的散射所造成的。可以反复几次，来观察这一现象。

b）整体相变现象：由于在临界点时，气化潜热等于零，饱和气体线和饱和液相线合于一点，所以这时气液的相互转变不像临界温度以下时那样逐渐积累、需要一定的时间且表现为渐变过程，这时当压力稍作变化时，气、液是以突变的形式相互转化。

c）气、液两相模糊不清现象：首先在压力等于7.64MPa附近，突然降压，CO2状态点由等温线沿绝热线降到液相区，管内CO2出现了明显的液面。这就是说，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，这时CO2液体离气相区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。这就是临界点附近饱和气、液相模糊不清现象。

4、测定高于临界温度时的等温线：调节温度t=35℃，t=45℃，记录数据。

五．数据记录和处理

室温：12.5℃大气压：102.80Kpa

根据20℃时的数据，算出K=12564.1kg·m-2

=2.63

h

表1 CO2等温测定P~V关系数据记录

续表1

根据表中数据作图

图1 CO 2的P~Vm 图

2

4

6

8

10

p /M P a

Vm/L·mol

-1

六、实验结果与讨论。

表2 CO 2的饱和蒸汽压数据

温度/℃ 10.0 20.0 25.0 27.0 29.0 P 实验值/Mpa 4.430 5.650 6.333 6.637 7.010 P 理论值/Mpa

/

5.730

6.432

6.734

7.129

误差分析：实验值都比理论值小，可能原因是平衡时间不够，在气压计不稳定的时候就读数，导致误差，还有可能是温度偏低，操作原因等。

表3 临界比体积Vc （m 3

·kg -1

）

Vc （文献值）

Vc （实验值）

Vc=RTc/Pc Vc=3RTc/8Pc 0.00216 0.00294

0.00339 0.00127

RE%=+36.11%，误差较大。首先可能是临界温度控制不好，并导致了临界现象观测出现偏差，最后导致误差偏大。比较表3中数据，显然实验值偏向理想气体数据，可能是温度偏高了。

七、心得与体会

临界点问题：由于恒温槽无法准确控温，也就无法达到理论上需要的31.1℃的温度，所以无法得到临界点的数据。如果要观察到临界点现象，需要小心调节温度，不断重复测量数据和观察现象，但这样的工作会非常烦琐。如果是要得到临界点的数据，在实验过程在要在小范围内得到大量数据，即小范围高密度的温度变化、小范围高密度的压力变化，但实验操作比较困难。