二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系测定实验

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13系 07级 第二大组 实验室力一楼 日期2010-03-24 姓名 钟伟PB07013076

实验题目：二氧化碳临界状态观测及P-V-T 关系测定实验

实验目的：了解2CO 临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识

加深对课堂所讲的工质热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解

掌握2CO 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 学会活塞式压力计、恒温器等热工仪器的正确使用方法。

实验原理和装置:

整个实验装置由压力台、恒温器和试验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图所示）。试验台本体如图所示。

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： ()0,,=t v p E 或 ()v p f t ,= (1)

本试验就是根据式（1），采用定温方法来测定2CO 的p-v 之间的关系，从而找出2CO 的p-v -t 关系。 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，迫使水银进入预先装了2CO 气体的承压玻璃管，2CO 被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。

实验工质二氧化碳的压力，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二

图 2

恒温水

恒温水

氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、截面不变等条件换算得出。

实验步骤：

1. 按图1装好试验设备，并开启试验本体上的日光灯

2. 恒温器准备及温度调定

① 将蒸镏水注入恒温器内，注至离盖30~50mm 。检查并接通电路，开动电动泵，使水循环对流。

② 旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁，调动凸轮示标，使凸轮上端面与所要调定的温度一致，再将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。

③ 视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需恒温。

④ 观察玻璃水套上的温度计，若其读数与恒温器上的温度计及电接点温度计标定的温度一致时（或基本一致），则可认为承压玻璃管内的2CO 的温度处于所标定的温度。 3. 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) 摇退压力台上的活塞螺杆，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,开启压力表和进入本体油路的两个阀门。

4) 摇进活塞螺杆，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。

4. 测定低于临界温度t=20℃时的定温线

a. 将恒温器调定在t=20℃，并保持定温线；

b. 压力从4.41MPa 开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进活 塞螺杆，以保证定温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准；

c. 按照适当的压力间隔取h 值，直到压力p=9.8MPa 。 测定t=25℃，t=27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。 测定临界等温线和临界参数，并观察临界现象。

按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力c P 和临界比容c v 。

实验处理：

0h -承压玻璃管内径顶端刻度0h =3.3mm

mm

h 4.23.37.50=-=∆

230/051282051.200117.0/104.200117.0/m kg h K =⨯=∆=- =v K h ∆

根据以上数据画出等温线如下：

2.将实验测得的等温线与图4所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及 其原因。

分析：与标准曲线相比，可以看出，实验所得图形是有误差的，当然这是不可避免得。但是就总体趋势上来看，还是比较符合得。C 020时，实验所得曲线是没有那么平坦的直线的，这与实验所测得的点数是不无关系的，从总体上，可以断言，如果测得数据较密集的话，应该能够到比较理想的曲线。C 01.31时，同样，在拐点处的曲线没有测量到位。C 035时，实验遇到同样的问题。总体上，基于实验的误差，实验得到的曲线一定程度上可以反映2CO 临界状态的现象和相关过程。

3.CO2饱和温度和压力关系曲线

标准曲线 思考问题：

1.实验中为什么要保持加压或降压过程的缓慢进行？

答：加压或降压过程的缓慢进行，以保证定温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。

2.分析实验中有哪些因素会带来误差？

答：实验过程中，要求保持定温条件，但明显该条件很难满足；仪器的读数是在内管中，给读数造成极大地不便，当然也给实验结果造成一定程度的影响；实验要求稳定后再读数，实验中有时没达到稳态，读数会有误差。

将实验测定的临界比容c v 与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。

表2 临界比容[

]Kg

m v c 3

标准值

实验值

c c c P RT v =

83=c v /c c RT P

由计算结果可知：理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比较

δ≈

首先实验值最接近标准值，相对误差仅为14.35%

δ≈

其次为根据范德瓦尔方程计算的理论值，相对误差为21.76%

δ≈

最后根据理想气体状态方程得到的理论值偏差最大，约为224.54%

原因如下：

1.按照理想气体状态方程式，定质量气体等温变化时pV=常数（或=常数），但实际气体仅在压力较低、温度较高的情况下近似满足此关系，而且气体的压力愈高、温度愈低，这一偏差愈大，因此需要适用于实际气体的状态方程式来描述气体p-v-T之间的关系。而范德瓦尔方程式就是考虑分子间相互引力及分子本身大小后用来修正的方程，故会比其精确。

2.读数时由于状态存在突然相变，模糊不清，故压力表读数不好控制，而h∆读数相对容易，更精确些，故实验值比理论计算值更接近于标准值。