实验二二氧化碳的P-V-T测定实验指导书

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资源描述

二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系一、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、观察凝结和气化过程以及临界态附近的气液两相模糊现象。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=27℃)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=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1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V=f(T,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,压力台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CO2气体的承压玻璃管容器,CO2被压缩,其压力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值,由装在压力台上的压力表读出。温度由插在恒温2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,准备好手电筒(目的是易于观察)。2、恒温器准备及温度调节:(1)、把水注入恒温器内,至离盖30~50mm。检查并接通电路,启动水泵,使水循环对流。(2)、把温度调节仪波段开关拨向调节,调节温度旋扭设置所要调定的温度,再将温度调节仪波段开关拨向显示。(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CO2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。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,再向主容器管充油,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。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、实验环境情况等。3(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与其高度是一种线性关系(为什么)。具体方法如下:a)已知CO2液体在27℃,9MPa时的比容(27℃,9Mpa)=0.00128m3·㎏。b)实际测定实验台在27℃,9Mpa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)∵(27℃,9Mpa)=300.00128/hAmkgm∴20(/)0.00128hmkkgmA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:/hhmAk(m3/kg)式中,Δh=h-h0h——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=27℃时的等温线。(1)将恒温器调定在t=27℃,并保持恒温。(2)压力从3MPa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=9MPa。(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。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c,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,饱和汽线和饱和液线合于一点,所以这时4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CO2具有共同参数(P,V,T),因而不能区别此时CO2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CO2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CO2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CO2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CO2时,这个液面又立即消失了。这就告诉我们,这时CO2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CO2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。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。5CO2等温实验数据处理表P(Mpa)水银柱高度h/mmΔhv现象3403200.014629水银注出现在玻璃管中3.5902700.012343水银柱沿着玻璃管逐渐升高41252350.0107434.51552050.00937151951650.0075435.52201400.006462401200.0054866.5265950.0043437320400.0018296.7MPa时上方气体变模糊,出现液体7.5328320.0014637.4Mpa左右时水银柱上方气体消失,充满液体8330300.001371水银柱上方充满液体,碎银注基本不再上升8.5330300.0013719332280.00128以压强P=4MPa为例计算:由于P=9MPa时,h=332mm,故Δ=360-332=28mm6图三标准曲线74、将实验测定的临界比容c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Vc[m3/Kg]表2标准值实验值Vc=RTc/PcVc=3/8RT/Pc0.00216

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