新大工程热力学实验指导03二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定实验.docx

实验三二氧化碳临界状态观测及pVt关系测定实验一、实验目的1、了解C02临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识。2、增加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。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坐标系中绘出低于临界温度（t=20）、临界温度（t=31.C）和高于临界温度（t=5O°C）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。2、测定CO2在低于临界温度（t=20、27）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-曲线比较。3、观测临界状态（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。（2）气液整体相变现象。（3）测定CO2的Pc、V。、k等临界参数，并将实验所得的VC值与理想气体状态方程和范德瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。三、实验设备及原理实验装置由压力计、恒温水浴和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。图二试验台本体结构简图试验台本体如图二所示。其中：高压主容器管内充Co2；玻璃杯盛满水银；压力油用来传递由压力机施加的压力；水银是用来把压力施加给主容器管内CO2,并起到封闭C02不外泄的作用；密封填料起到组合件之间压力封闭作用；填料压盖其密封紧固作用；恒温水套用来给CO2恒温；温度计用来控制恒温水套中的水温。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）=O或t=f（p,v）（1）本实验就是根据式（1）,采用定温方法来测定CO2的p-v-t,从而找出CO2的p-v-t关系。实验中，压力计油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了C02气体的承压玻璃管容器，Co2被压缩，其压力大小通过压力计上的活塞杆的进、退来调节。温度由恒温水浴供给的水套内的水温来调节。实验工质二氧化碳的压力值，由装在压力计上的压力表读出。温度由插在恒温水套中的温度传感器及数显温度表读出。比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。四、实验步骤1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。2、恒温水浴准备及温度调节：(1)、把水注入怛温器内，至离盖3050mm0检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。(2)、设置数字调节器，把温度调节仪调节至所需温度。(3)、视水温、环境情况，调节设定温度。(4)、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时(或基本一致)，则可(近似)认为承压玻璃管内的COz的温度处于设定的温度。(5)、当所需要改变实验温度时，重复(2)(4)即可。注：当初使水温高于实验设定温度时，应加冰块进行调节。3、加压前的准备：因为压力计的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。压力计抽油、充油的操作过程非常重要,若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。所以，务必认真掌握，其步骤如下：(1)关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力计油杯上的进油阀。(2)摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。这时，压力计油缸中抽满了油。(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，使本体充油。如此交替重复，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、作好实验的原始记录：(1)设备数据记录：仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。(2)常规数据记录：室温、大气压、实验环境等参数。(3)测定承压玻璃管内Co2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办法来确定CCh的比容，认为CCh的比容VZ与其高度是一种线性关系。具体方法如下：a)已知CO2液体在20,9.8MPa时的比容u(20,9.8Mpa)=0.00117M3kg。b)实际测定实验在20,9.8MPa时的CO2液柱高度Aho(m)o*注意玻璃管水套上刻度的标记方法。c)Vv(20,9.8Mpa)=O.00117jmm_AhO7 0.00117 K(kgm2)其中：K即为玻璃管内CO2的质面比常数。所以，任意温度、压力下CO2的比容为：AV=机/AK(m3kg)式中，h=h-hoh任意温度、压力下水银柱高度。ho一承压玻璃管内径顶端刻度。5、测定低于临界温度t=20°C时的等温线。（1）将恒温器调定在t=20°C,并保持恒温。（2）压力从4.41MPa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。否则，将来不及平衡，使读数不准。（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9.8MPa0（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表Io（5）测定t=25、27°C时其饱和温度和饱和压力的对应关系。6、测定临界参数，并观察临界现象。（1）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PC和临界比容入，并将数据填入表1。（2）观察临界现象。a）整体相变现象由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和蒸汽线和饱和液体线合于一点，所以这时汽-液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，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、液两相模糊不清的现象处于临界点的C02具有共同参数（PMt）,因而不能区别此时C02是气态还是液态。如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，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。因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使C02压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。现在,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C02状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内Co2出现明显的液面。这就是说，如果这时管内的C02是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CCh时，这个液面又立即消失了。这就告诉我们，这时C02液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。既然，此时的C02既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。可以这样说：临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。7、测定高于临界温度t=50°C时的定温线。将数据填入原始记录表1。五、实验结果处理和分析1、按表1的数据，如图三在P-V坐标系中画出三条等温线。2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。CO2等温实验原始记录表1t=20oCt=3.1（临界）t=50oCP(Mpa)hV=h/K现象P(Mpa)hV=h/K现象P(Mpa)hV=h/K现象进行等温线实验所需时间分钟分钟分钟9.80液汽/IX.7。C/IIIIIPfNIV?II汽液并V存口弋II10°C、III飞衮IIII、I4、77.847.386966.865.884.903.922.9400.0010.002160.0040.0060.0080.0100.012比容vm3Kg288ddw出图三标准曲线7.846.866.375.885.39490Z/K516171819202122232425262728293031tsC4、将实验测定的临界比容人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。临界比容VJm3Kg表2标准值实验值Vc=RTcZPcVc=38RTPc0.00216