教学实验 2004
二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系
测定实验
指导书
哈尔滨市鸿润教学试验设备厂
电话：0451-55100010
二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系
测定实验指导书
一、实验目的
1、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、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．实验原理
在准平衡状态下，气体的绝对压力P、比容V和绝对温度T之间存在某种确定关系，即状态方程 F(P,V,T)?0
理想气体的状态方程具有最简单的形式：
PV=RT
实际气体的状态方程比较复杂，目前尚不能将各种气体的状态方程用一个统一的形式表示出来，虽然已经有了许多在某种条件下能较好反映P、V、T之间关系的实际气体的状态方程。因此，具体测定某种气体的P、V、T关系，并将实测结果表示在坐标图上形成状态图，乃是一种重要而有效的研究气体工质热力性质的方法。
在平面的状态图上只能表达两个参数之间的函数关系，故具体测定时有必要保持某一个状态参数为定值，本实验就是在保持绝对温度T不变的条件下进行的。
三、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=31.1℃）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-ps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。
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（3）测定CO2的pc、vc、tc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。
四、实验设备
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。
图一 试验台系统图
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图二 试验台本体 试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压汞容器；9—CO2空间；10—温度计。、
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) （1） 本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。
实验中，由压力台送来的压力由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CO2气体的承压玻璃管，CO2被压缩，其压力和容器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（如要提高精度，可 3
由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。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、截面不变等条件来换算得出。
五、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。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，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）、在温度控制器AL808E的控制面板上通过上下键设定好实验用的温度。
（3）、此时控制面板上视水温情况，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要恒温。
（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（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2）～（4）即可。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表显示压力读数。压力台抽油、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，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。如此交复，直至压力表上有压力读数为止。 特别应注意以下情况，如螺杆已推进到极限位置，而压力尚未达到所需值，必须再一次抽油加压，此时要严格按以下程序操作，先关油路控制阀；再开油杯进油阀，使压力表压力降至0；关压力表控阀，倒退螺杆抽油至极限位置；然后关油杯进油阀，开压力表控制阀，推进螺杆逐渐加压直到刚才所建立的油压时才能开油路控制阀（在此以前油路控制阀决不能开！），进一步加压。
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（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、精度。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（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CO2的比容，认为CO2的比容V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V（20℃，9.8Mpa）=0.00117M3·㎏。 b）实际测定实验台在20℃，9.8Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）∵V（20℃，9.8Mpa）=?h0A?0.00117m3/kg m
∴?h0m??K(kg/m2) A0.00117
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：
V??h?h?m/AK （m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=20℃时的定温线。
（1）将恒温器调定在t=20℃，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，以保证定温条件。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=9.8MPa。
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（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1。
（5）测定t=25℃、27℃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vc，并将数据填入表1。
（2）观察临界现象。
临界温度指气体能通过加压压缩成液态的最高温度，当温度高于临界温度时，无论加多大的压力也不能使气体液化。理论上CO2的临界温度是31.1℃，故实验时温度在此附近时，通过不断地加压能看到某一压力（理论上是
7.52MPa，实验误差等影响可能是在其附近）看到水银柱上面出现少许白雾（液化）随后加压白雾消失，无论再怎么加压也不会出现液化现象。当实验温度低于31.1℃时，一直加压会出现少许液体，这是气液共存现象。当温度高于31.1℃时，无论怎么加压也不会出现液化现象，当然如果此时忽然卸压会出现少许液化，这是因为突然降压，绝热降温造成的。
7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。将数据填入原始记录表1。
六、注意事项
1.除t=20℃时，须加压到绝对压力10MPa（表压9.9MPa）外，其余各等温线均在5~9MP间测出h值，表压不得超过10MPa，温度不应超过60℃。
2．一般压力间隔可取0.2~0.5，接近饱和状态和临界状态时压力间隔适当取小些。
3．加压过程应足够缓慢以实现准平衡过程，卸压时应逐渐旋转压力泵手柄，决不可直接打开油杯阀卸压！
4．实验完毕将仪器设备擦净。将原始记录交指导教师签字后方可离开实验室。
5．遇到疑难或异常情况应及时询问指导教师，不得擅自违章处理。
七、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。
6
2、将实验测得的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。
CO
等温实验原始记录 表1
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8
图三 标准曲线
图 四 ts-ps曲线
4、将实验测定的临界比容Vc与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其产生误差的原因。
临界比容Vc[m3/Kg] 表2
9
AL808E/L/R/0/0/QS智能型数字调节器设置： 一、按下PAR键3秒钟，进入一级参数设定：
10
二、按下PAR键及↑键3秒钟以上，进入一级参数设定：
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12
第二篇：二氧化碳P-V-T关系实验
二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系
测定实验
一、实验目的
1、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、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=31.1℃）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-ps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、vc、tc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
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。
图一 试验台系统图
图二 试验台本体
试验台本体如图二所示。其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO2空间；10—温度计。、
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) （1）
本实验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2的p-v-t关系，从而找出CO2的p-v-t关系。
实验中，由压力台送来的压力由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CO2气体的承压玻璃管，CO2被压缩，其压力和容器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。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、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）、使用电接点温度计时，旋转电接点温度计顶端的帽形磁铁，调动凸轮示标，使凸轮上端面与锁要调定的温度一致，再将帽形磁铁用横向螺钉锁紧，以防转动。使用电子控温装置时，按面板温度调节装置调整温度点。
（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要恒温。
（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（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于所标定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复（2）～（4）即可。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能使压力表显示压力读数。压力台抽油、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）关闭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，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。