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1、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=5OC)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
2、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
3、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
4、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
5、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,
6、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 0.0011
7、7 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=20C时的等温线。(1)将恒温器调定在t=20C,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
8、象一并填入表Io(5)测定t=25、27C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
9、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
10、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=50C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II10C、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