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k h A m h ∆=∆=/υ g /k m 3式中: h ∆=h －h 0K —— 即为玻璃管内CO 2的质面比常数h —— 任意温度、压力下水银柱高度h 0 —— 承压玻璃管内径顶端刻度6．实验中应注意从下几点① 做各条定温线时，实验压力p ≤9.80 MPa ，实验温度t ≤50℃。

② 一般取h 时，压力间隔可取0.20 ─ 0.5MPa ，但在接近饱和状态和临界状态时，压力间隔应取为0.05 MPa 。

③ 实验中取h 时，水银柱液面高度的读数要准确，应使视线与水银柱半园型液面的中间平齐。

7．测定低于临界温度t=20℃时的定温线① 用恒温器上电接点温度计调定、控制蒸馏水温度到20℃，并要保持恒温。

② 压力记录从4 MPa 开始，当玻璃管内水银升起来，应足够缓慢地摇进活塞螺。

以保证定温条件，否则来不及平衡，读数不准。

③ 按照适当的压力间隔取h 值直至压力p=9.0MPa 为止。

④ 注意加压后CO 2的变化，特别是注意饱和压力与饱和温度的对应关系，液化、 气化等现象，将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表11-1内(参考表)⑤ 测定t=25℃，t=27℃时，饱和温度与饱和压力的对应关系。

8．测定临界等温（t=31.1℃）线和临界参数，临界现象观察① 仿照步骤7那样测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力p 和临界比容υ，并将数据填入表11-1内。

② 临界现象观察a ．整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是像临界温度以下那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变的过程。

而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。

b ．汽、液两相模糊不清现象处于临界点的CO 2具有共同参数（p 、v 、t ），因而是不能区别此时CO 2是气态还是液态的，说它是气体，那么这个气体是接近液态的气体，说它是液体，那么这个液体又是接近气态的液体。

下面就来用实验证明这个结论。

因为这时CO 2是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使CO 2压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。

我们按绝热过程来进行，首先在压力等于7.64MPa 附近，突然降压，CO 2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO 2出现明显的液面，这就说明，如果这时管内CO 2是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说它是接近液态的气体。

当我们在膨胀之后，突然压缩CO 2时，这个液面又立即消失了，这就告诉我们：这时CO 2液体离气区也是非常近的，又可以说它是接近气态的液体，既然此时的CO 2既接近气态又接近液态，所以只能处于临界附近。

可以这样说，饱和气、液分不清，这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。

9．测定高于临界温度t=50℃时的等温线，并将数据填入表11-1内。

表11-1 CO等温实验原始数据记录参考表五、绘制等温曲线1．按表11-1的数据，在p－v图上画出三条等温线（参考图11-3）。

2．将实验测得的等温线与图11-3所示的标准等温线比较，并分析之间的差异及原因。

图11-3 标准曲线图11- 4 CO2饱和温度与饱和压力关系曲线3．将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应值与图11-4绘出的t s－p s曲线相比较。

4．将实验测定的临界比容cυ与理论计算值一并填入表11-2，并分析之间的差异及原因。

表11-2 临界比容/kg]υ[m3c六、实验要求1．实验前，预习实验内容，写出实验预习报告。

2．实验报告可以简述实验原理及过程，复杂的图可以不画。

3．实验报告中，各种数据的原始记录表要清楚。

4．实验结果要整理成数据表格，根据表格中的数据绘曲线。

5．分析比较等温曲线的实验值与标准值之间的差异及原因。

分析比较临界比容的实验值及理论计算值之间的差异及原因。

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