工程热力学B3.1 二氧化碳临界状态观察P―v―t关系实验

二氧化碳临界状态观察P―v―t关系实验

一、实验目的

1．通过实验了解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、实验内容

1．测定CO2的P―v―t关系。在P―v坐标图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，并分析差异原因。

2．测定CO2在低于临界温度时（t=20℃，25℃）饱和温度与饱和压力之间的对应关系并与图11-4中绘出的t s~P s曲线比较。

3．观测临界状态。

（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t c，p c，v c待临界参数并将实验所得的v c值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较，简单分析差异原因。

三、实验设备及原理

1．整个实验装置由压力台、水恒温器和试验本体及其防护罩三大部分组成，如图11-1所示，每个部分都是一个独立的整体，并完成一项工作。

①活塞式压力计是由阀门、油杯进油阀、活塞缸等组成。它的主要作用是产生高压力，

使试验本体中的水银上升，显示不同的数值，供实验所用。

②水恒温器是由搅拌电机，电接点温度计、加热器和电器部分等组成。其主要作用是

将蒸馏水加热到实验所需的温度，并能保持该温度基本不变（即恒温）。通过压力泵将蒸馏水送入试验本体中的玻璃管中，经不断循环，使玻璃管中的水和恒温器中的水基本保持温度一致，以满足实验的需要。

③试验台本体是由承压管、日光灯、防护罩等组成。其主要作用是将活塞式压力计传

递过来的压力，迫使水银上升，压缩承压试管里的CO2气体在不同的温度下变成液体并显示数据，供数据处理用。更重要的是，实验中所需要观测的一些现象都在此试验本体中的承压管里。

图11-1 CO2试验台系统图

2．试验台本体如图11-2所示，其中

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－CO2空间；10－温度计。

3．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，t之间有：F（p，v，t=0）或t=f（p，v）（11-1）本试验就是根据式（11-1），采用定温方法来测定CO2的p－v之间的联系，从而找出CO2的P―v―t的关系。

4．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，迫使水银进入予先装了CO2气体的承压玻璃管内，这时CO2被压缩，其压力和容积的变化是通过压力台上活塞杆的进、退来调节，温度由水恒温器所供给的水温来调节。

5．实验工质CO2所承受的压力由装在压力台上的压力表读出，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CO2柱的高度来度量，然后再根据承压玻

璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得出。

图11- 2 试验台本体

四、实验步骤

1．按图11-1装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯。

2．使用水恒温器调定温度。

（1）把蒸馏水注入水恒温器内，请注意，不能注满，应离上板面20-30mm ，检查并接

通电路，开启电源开关，观看电源指示灯是否亮，等电源指示灯亮了以后，再开启电泵开关，以及电加热器开关，给恒温器中的蒸馏水加热。

（2）旋转电接点温度计顶端帽形磁铁调动凸轮转示标，使凸轮转示标上端面与所调定

的温度一致，并将帽形磁铁用螺钉锁紧，以防转动。

（3）仔细观看恒温器上的玻璃温度计数值，同时再看一看试验台本体上的温度计数

值是否与它一致（可能有点误差，环境因素造成）。当水温未到要调定的温度时，恒温器指示灯亮，当指示灯时亮时灭时，说明温度已达到所需温度，这时可以

开始做实验。

（4）当需要改变实验温度时，重复（2）（3）两步骤即可。

3．加压前的准备

因为压力台的油缸容量比主容器容量小（实验所需的油量是试验本体所需油量

与油表管路所需油量之和），所以需多次从油杯中抽油，不断向主容器充油，直到压力表上有压力数值显示为止。抽油、充油过程中要小心操作，动作要慢，如有操作失误，不但压力加不上，同时还会损坏仪器，所以一定要掌握操作步骤。

4．加压步骤

① 关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯进油阀，如油不够，应加油。（10＇，20＇机油即可）

② 摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台的油缸中抽满了油。 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，给本体充油，如此反复多次，直至压力表上有压力并能满足实验所需压力为止。

⑤ 再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体的油路阀门是否开启，若均已稳定，即可进行实验。

5．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的办法来确定CO 2的比容，认为CO 2的比容υ与其高度是一种线性关系，具体如下：

① 已知CO 2液体在20℃，9.80Mpa 时的比容υ（20℃，9.80Mpa ）=0.00117m 3/kg 。 ② 实际测出本试验台CO 2在20℃，9.80Mpa 时的CO 2液柱高度Δh ＇（m ）。

（注意玻璃水套上刻度的标记方法）

③ 由①可知

kg m /00117.0m A h 9.80MPa)℃(203=⋅'∆=

，υ )kg/(00117

.03m k h ΔA m ='=∴ 那么任意温度、压力下CO 2的比容为